隧道開挖施工過程的有限元動態模擬研究

華 薇

(蘇州市交通設計研究院有限責任公司,江蘇蘇州215007)

近十多年來，我國高等級公路建設取得了突飛猛進的發展，伴隨而來的是公路隧道的建設也取得了超常規快速發展，但由于以前工程建設少，相關研究積累少，對公路隧道開挖前后圍巖應力分布的時空特征認識不清，從而導致圍巖壓力計算在很多情況下不準確，進而引起襯砌結構設計、隧道施工的失誤，最終導致重大經濟損失。

有限元法是巖土力學中應用較為廣泛的數值方法，用有限元進行動態數值模擬，克服了試驗現場監控耗費時間、資金以及人力的浪費，系統直觀的對公路隧道開挖后圍巖應力分布和變形進行分析，對于工程實踐能夠起到指導作用。

1 隧道開挖數值模擬過程的建立

1.1 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS/CAE來建立有限元模型。ABAQUS/CAE是一個具有交互作用的圖形模塊，是ABAQUS進行有限元分析的前后處理模塊，它將所分析結構的幾何形狀生成為網格區域,使模擬過程快速而又容易完成。ABAQUS/CAE模塊先將圖形形狀、材料和截面特性輸入，再對單元進行網格剖分，施加載荷和邊界條件，一旦模型完成,就生成了一個ABAQUS輸入文件——.inp文件。盡管一個簡單分析可直接應用ABAQUS字符輸入文件,但通常的作法是由ABAQUS/Pre或者其他前處理軟件把問題的模型圖形化,然后再進行分析。

所建CAE模型與有限元模型見圖1和圖2。

圖1 隧道CAE模型

圖2 隧道有限元模型

1.2 數值模型的邊界條件及荷載處理

(1)巷道問題符合平面應變問題。本文的數值計算均作為平面應變問題來處理。

(2)為消除邊界效應，模型取足夠大的尺寸，隧道處于模型的中心。隧道開挖的影響范圍一般為隧道直徑的3～5倍。因此本模型的尺寸取隧道直徑的5倍，隧道位于正中央。

(3)根據隧道理論,在自重應力條件下，模型的左右邊界施加水平方向的約束,在模型的底部施加水平和垂直方向的約束。

2 施工過程的有限元動態模擬

2.1 計算模型參數

以四車道V級圍巖用臺階法開挖方式為例介紹分析過程，具體圍巖及支護結構的參數參見表1。

表1 各材料參數

2.2 施工過程網格化模擬

上下臺階法的施工過程的單元網格圖如圖3～圖6。

圖3 上臺階開挖單元網格

圖4 上臺階初期支護單元網格

圖5 下臺階開挖單元網格

圖6 下臺階支護單元網格

2.3 動態應力場分析

按照施工步驟進行計算模擬,得出開挖以及進行襯砌支護施工過程中隧道圍巖初始狀態遭到破壞后的應力圖。如圖7～圖10為不同開挖步驟下的第一主應力云圖。從圖中可以看出,當上臺階開挖后,在拱部中央區域和開挖面的底部以及左右肩部圍巖中出現應力集中現象,隨著錨桿和襯砌等支護措施的完成,拱頂部的應力由0.079 4 MPa降低到0.051 0 MPa,拱底部的最大應力由0.399 MPa降低到0.251 MPa,應力集中現象得到緩解,而左右肩部應力集中現象也得到明顯的緩解；當下部臺階開挖完成后,拱兩側和底部應力集中現象又趨于明顯，并且拱頂和拱頂的應力開始增大。當最終的支護措施完成后,從圖中可以看出,應力集中現象已經明顯改善。

圖7 上臺階開挖后的第一主應力云圖

圖8 初期支護后的第一主應力云圖

圖9 下臺階開挖后的第一主應力

圖10 下臺階開挖支護后的第一主應力

2.4 位移場計算結果分析

圖11～圖14為各施工步驟相應的圍巖位移場的分布情況。可以看出,每次開挖位移都會變化,但是總的曲線圖沒有太大改變。每次支護以后,位移場影響范圍會相應減小,而再次開挖,位移場又會增大。表2為隧道在不同施工工序下圍巖頂部,底部以及左右側最大位移值。可以看出,斷面上臺階開挖后且不做支護頂部位移達到28.01 mm,對開挖部分馬上進行初期支護后頂部下沉量只有20.03 mm,減小了近8 mm；下臺階開挖后不打支護時頂部位移繼續增加到24.09 mm,當開挖后馬上做支護,頂部位移只有21.33 mm。洞室開挖斷面的收斂情況同樣可從表中看出隨著工序的繼續,底部以及測邊的位移量也和頂部有著基本相同的變化趨勢。因此及時的初期支護能夠大大阻礙圍巖的變形,防止圍巖的坍塌。

圖11 上臺階開挖后的豎向位移云圖

圖12 初期支護后的豎向位移云圖

圖13 下臺階開挖后的豎向位移云圖

圖14 下臺階開挖支護后的豎向位移云圖

3 結論

本文以四車道五級圍巖、開挖方式為上下臺階法開挖法 為例進行了實際開挖過程的動態模擬,并對計算結果進行了分析比較。有限元分析的優勢就是可以方便的任意改變參數,大大節省了時間和工作量。通過有限元模型的計算,主要得出以下結論:

(1)開挖后,在圍巖拱部中央區域和開挖面的底部產生較大的應力，而左右肩部由于幾何形狀原因出現了應力集中現象。

(2)開挖結束后,圍巖中的應力將重新分布,支護降低了巖體中的應力,較大程度上緩解了應力集中問題。

(3 每次開挖，圍巖將產生一定的變形，并且隨著開挖的進行會逐漸增大，但是總的位移趨勢是相同的，而支護能夠大大的阻礙圍巖的變形。

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