基于數(shù)值模擬的隧道仰拱優(yōu)化分析

孟德林

(河北省高速公路承赤管理處　承德　067000)

基于數(shù)值模擬的隧道仰拱優(yōu)化分析

孟德林

(河北省高速公路承赤管理處承德067000)

摘要為了確定在III2級圍巖隧道中是否可以取消仰拱的設(shè)置，采用FLAC3D有限差分軟件，對III2級圍巖情況下的平底隧道(模型1)和仰拱隧道(模型2)這2種隧道底部支護(hù)形式進(jìn)行了數(shù)值模擬和研究，通過對隧道開挖支護(hù)過程結(jié)束后目標(biāo)斷面的圍巖豎向位移、圍巖豎向應(yīng)力特點(diǎn)、二次襯砌變形這3個方面進(jìn)行分析比較，結(jié)果表明，III2級圍巖隧道取消仰拱，采用平底結(jié)構(gòu)，隧道二次砌襯能夠保持穩(wěn)定性，也滿足隧道對二次砌襯安全儲備的要求。

關(guān)鍵詞公路隧道仰拱數(shù)值模擬

高速發(fā)展的公路隧道建設(shè)事業(yè)，無疑推動著公路隧道設(shè)計(jì)理論的不斷進(jìn)步。目前我國公路隧道的研究圍繞長大隧道[1-3]、特殊地質(zhì)條件[4-5]、優(yōu)化施工方法[6-7]等方面進(jìn)行。大多學(xué)者采用數(shù)值模擬方法研究隧道仰拱的力學(xué)作用，劉楠[8]采用ANSYS對隧道II，III級圍巖是否需要仰拱做了模擬受力，表明II級必須設(shè)置仰拱而III級則需要對應(yīng)實(shí)際的工程狀況。陳力華[9]采用數(shù)值分析法研究了大跨隧道仰拱，對于大跨扁平隧道，在基本無構(gòu)造應(yīng)力的IV級圍巖段可以不設(shè)置仰拱，但構(gòu)造應(yīng)力較大的IV級圍巖段應(yīng)設(shè)置仰拱。李之達(dá)[10]研究了小凈距公路隧道仰拱的設(shè)置，IV～VI級圍巖中小凈距隧道設(shè)置仰拱后可以有效地減小周邊圍巖位移，如拱頂3.5 %～5%，仰拱處17%；圍巖塑性區(qū)減小約20%。山嶺隧道施工是否施作仰拱的問題，規(guī)范中進(jìn)行了一些規(guī)定。然而隧道工程地質(zhì)條件是十分復(fù)雜的，規(guī)范不可能針對任意特定條件一一給出相對應(yīng)的處理措施，所以有必要在特定條件下對仰拱設(shè)置與否的問題進(jìn)行較為細(xì)致深入的分析。

IV級圍巖采用全斷面開挖方式施工，拱頂下沉1mm，最大應(yīng)力達(dá)到3.02MPa；而采用上下臺階開挖方式施工，拱頂下沉0.5mm，最大應(yīng)力為2.39MPa。

V級圍巖采用上下臺階開挖方式施工，當(dāng)上臺階開挖后，拱頂下沉0.5mm，最大應(yīng)力 3.31MPa；而采用環(huán)形臺階開挖方式施工，總的拱頂下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，最大應(yīng)力為 2.34MPa。

通過對以上III級、IV級和V級圍巖情況的模擬，比較不同圍巖不同施工方式施工模擬，由結(jié)果分析可見，III級圍巖宜采用全斷面開挖，IV級圍巖宜采用臺階開挖，V級圍巖宜采用環(huán)形臺階開挖方式施工。

參考文獻(xiàn)

[1]徐婷,曹世理,周偉,等.長大隧道施工人員定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].公路,2014(2):113-117.

[2]郭維君,陳學(xué)軍,肖桂元.長大隧道施工開挖地質(zhì)災(zāi)害控制研究[J].鐵道工程學(xué)報,2010(9):41-45.

[3]趙玉報,陳壽根,譚信榮.長大隧道施工中干式除塵機(jī)理及應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014(3):200-205.

[4]陳建勛,喬雄.黃土隧道淺埋偏壓洞口段套拱結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測與分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報,2011,28(3)：100-105.

[5]陳建勛,王夢恕,軒俊杰,等.兩車道公路黃土隧道變形規(guī)律[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報,2012(6):9-18.

[6]李文江,孫明磊,朱永全,等.軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012(S1):2729-2737.

[7]呂向紅,楊冬梅,鄭青.全斷面卵石地層盾構(gòu)近距離下穿地鐵區(qū)間隧道施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013(5):152-157.

[8]陳建平.地下建筑工程設(shè)計(jì)與施工[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2000.

[9]JTGD70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

1　模型的建立

1.1本構(gòu)模型和材料參數(shù)的選擇

由于巖石不是一種各向同性材料，因此應(yīng)力水平和應(yīng)力路線都會影響它的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系性能。本研究一共涉及到3種模型：初期支護(hù)(鋼拱架支護(hù))和二次襯砌采用彈性模型模擬，圍巖和加固圈采用霍克布朗(H-B)模型模擬，隧道開挖采用空模型。

根據(jù)本隧道圍巖巖體特征，并結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70-2004)和本區(qū)巖石實(shí)測指標(biāo)統(tǒng)計(jì)平均值，本文模擬省界隧道III2級圍巖、襯砌模型參數(shù)見表1。

表1　圍巖、襯砌模型參數(shù)

1.2目標(biāo)斷面及主要監(jiān)測點(diǎn)

分析研究隧道實(shí)際施工情況對監(jiān)測斷面(目標(biāo)斷面)的影響情況，采用臺階法，每3m循環(huán)一次，模型共分17段進(jìn)行開挖支護(hù)。考慮到隧道邊緣易受邊界效應(yīng)的影響，本次選取中間斷面y=23.5m為研究的目標(biāo)斷面。

2　數(shù)值模擬分析

2.1豎向位移分析

隧道開挖支護(hù)過程在不同程度上不可避免地會對圍巖產(chǎn)生不同程度的擾動和破壞，從而引起位移場的變化，因此，能夠時刻了解圍巖的變形情況對于保證施工安全、避免工程事故都具有重要的指導(dǎo)作用。數(shù)值模擬研究中常常會把圍巖變形情況，特別是圍巖豎向位移，作為判斷圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)。本節(jié)給出III2級圍巖在平底和仰拱隧道情況下最終開挖支護(hù)完成后的目標(biāo)斷面橫斷面豎向位移云圖，見圖1。

a)模型1橫斷面豎向位移云圖b)模型2橫斷面豎向位移云圖

圖1目標(biāo)斷面橫斷面豎向位移云圖

由圖1a)可見，平底隧道目標(biāo)斷面處豎向位移的最大沉降值發(fā)生在拱頂襯砌及以上部分圍巖，最大值為-4.615 9mm，隧道底部中心線及隧道開挖斷面附近的巖體產(chǎn)生了位移拱起，最大拱起值達(dá)到4.198 7mm。圖1b)中顯示仰拱隧道的目標(biāo)斷面最終拱部襯砌及以上圍巖豎向最大沉降值為-4.609 2mm，底部最大豎向拱起值為4.068 3mm。由此可知，仰拱與平底隧道相比，由于仰拱隧道整體性相對較好，其底部最大豎向拱起值減少3.105 7%，因此，III2級圍巖段隧道仰拱抵抗底部圍巖的拱起變形作用不大；同樣III2級圍巖段隧道仰拱在抵抗拱頂下沉變形的方面也沒起到作用，模型2拱頂下沉值小于模型1為0.145 2%，說明III2級圍巖段3車道設(shè)置隧道仰拱在抑制底部隆起和拱頂沉降變形方面作用不明顯。

2.2豎向應(yīng)力分析

隧道開挖支護(hù)過程中，周圍巖石會產(chǎn)生各個方向的應(yīng)力，一般有豎向應(yīng)力Szz、水平應(yīng)力Sxx、剪切應(yīng)力Sxz、最大主應(yīng)力Smax、最小主應(yīng)力Smin等，由于隧道開挖支護(hù)對其豎向應(yīng)力影響最大，故對目標(biāo)斷面豎向應(yīng)力的變化和規(guī)律進(jìn)行分析，見圖2。

a)模型1橫斷面豎向應(yīng)力云圖b)模型2橫斷面豎向應(yīng)力云圖

圖2目標(biāo)斷面橫斷面豎向應(yīng)力云圖

由圖2可見，III2級圍巖平底和仰拱隧道的豎向應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。平底隧道(模型1)目標(biāo)斷面豎向壓應(yīng)力最大值為-6.813 2 MPa，拉應(yīng)力最大值1.293 2 MPa；仰拱隧道(模型2)最終開挖支護(hù)完成后的目標(biāo)斷面豎向壓應(yīng)力最大為-6.804 7MPa，比模型1減小0.12%；拉應(yīng)力最大值為1.290 7MPa，比模型1減小0.19%。

2.3二次襯砌豎向位移

圖3為圍巖襯砌最終豎向位移云圖。由圖3可見，隧道襯砌頂部豎向沉降值最大，豎向位移從隧道頂部沿著邊緣深度遞減，最后在隧道底部中心線附近出現(xiàn)正值，即隧道底部中心線部位隆起。

平底隧道(模型1)和仰拱隧道(模型2)2模型最終豎向最大位移值基本相同。模型1最終最大沉降值為-4.724 9mm，最大拱起值為4.174 0mm；模型2最終最大沉降值為-4.689 1mm，最大拱起值為4.041 1mm。圖3所示平底隧道(模型1)和仰拱隧道(模型2)2模型隧道圍巖初襯豎向位移值,模型1隧道初襯最大沉降值為-4.615 9mm,最大拱起值4.198 7mm；模型2隧道初襯最大沉降值為-4.609 2mm，最大拱起值4.068 3mm。隧道二次襯砌的豎向位移值為圖3所示的值減去圖1所示的值，模型1和模型2隧道二次襯砌最大沉降值和最大拱起值均小于0.1mm,這說明隧道二次砌襯變形值很小，滿足二次襯砌安全儲備的要求。也表明III2級圍巖平底隧道和仰拱隧道在距掌子面50 m開始進(jìn)行二次襯砌支護(hù)是可行的。

a)模型1襯砌最終豎向位移圖b)模型2襯砌最終豎向位移圖

圖3圍巖襯砌最終豎向位移云圖

3　結(jié)語

本文以FLAC3D有限差分軟件為依托，對III2級圍巖情況下的平底隧道(模型1)和仰拱隧道(模型2)底部支護(hù)形式進(jìn)行了數(shù)值模擬和研究，結(jié)果表明對于III2級圍巖3車道隧道，從隧道圍巖變形、應(yīng)力分布和二次襯砌位移分析來看，可以考慮取消隧道仰拱設(shè)置，采用平底隧道也可以很好地控制隧道圍巖的變形，保證隧道的穩(wěn)定性。同時，可以減少隧道施工時間，節(jié)約隧道建設(shè)成本。

[1]徐婷，曹世理，周偉，等.長大隧道施工人員定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].公路,2014(2):113-117.

[2]郭維君，陳學(xué)軍，肖桂元.長大隧道施工開挖地質(zhì)災(zāi)害控制研究[J].鐵道工程學(xué)報，2010(9)：41-45.

[3]趙玉報，陳壽根,譚信榮.長大隧道施工中干式除塵機(jī)理及應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014(3):200-205.

[4]陳建勛，喬雄.黃土隧道淺埋偏壓洞口段套拱結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測與分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2011(3):100-105.

[5]陳建勛，王夢恕，軒俊杰，等.兩車道公路黃土隧道變形規(guī)律[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2012(6):10-18.

[6]李文江，孫明磊，朱永全，等.軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012(S1):2729-2737.

[7]呂向紅，楊冬梅，鄭青.全斷面卵石地層盾構(gòu)近距離下穿地鐵區(qū)間隧道施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013(5):152-157.

[8]劉楠.公路隧道仰拱力學(xué)性能的仿真分析[J].華東公路，2012(6)：73-74.

[9]陳力華，任尚強(qiáng)，靳曉光.大跨扁平隧道中仰拱的研究[J].公路隧道，2010(2):9-12.

[10]李之達(dá)，張瓊武，黃強(qiáng)，等.小凈距公路隧道仰拱設(shè)置的研究[J].湘潭大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)，2009(2):51-56.

收稿日期：2015-04-07

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.028