MIDAS在隧道施工中的應用

尚瑨

摘 要：為了驗證二次加強支護方法在隧道圍巖級別較差段的支護效果，采用有限元軟件建立二維數值模型，對初次支護與二次加強支護后隧道的豎向變形、支護結構中的軸力和彎矩進行對比分析。結果表明：簡單的添加初次支護，隧道圍巖的變形、支護結構中的軸力和彎矩較大，這支護結構安全系數不滿足規范要求；二次加強支護后隧道圍巖變形得到很好控制，支護結構中的軸力和彎矩大幅度減小，拱頂位移減小了7mm，仰拱位移減小7mm，支護結構中最大軸力減小了0.8MPa，最大彎矩減小了6kN·m，且分布趨于均勻，支護結構安全系數均滿足規范要求。證明了二次加強支護方法的可行性以及必要性，對隧道施工起到了一定的指導意義。

關鍵詞：隧道；MIDAS；數值模擬；二次加強支護

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.098

1 引言

隨著我國的經濟高速發展，公路建設在快速的更新和發展，隨之而來的隧道工程也在發生日新月異的變化，各種各樣的隧道也出現在我們的面前。由于隧道工程本身具有復雜性、不確定性以及高風險性等多重特點，使得隧道工程的發展面臨很大挑戰。大量研究成果和施工實例表明，開挖必然會引起圍巖應力重新分布，導致圍巖損傷破壞，影響隧道穩定性。特別是隧道洞口段，一般埋深較淺而且往往有偏壓，巖體的承載能力極地，穩定性較差，如果選擇的開挖、支護方法不合理，局部圍巖的坍塌是不可避免的且圍巖的破壞還可能從局部影響到整體隧道的穩定性。

文獻均采用數值模擬方法模擬隧道開挖與支護，模擬結果說明支護對隧道的穩定性很重要，給施工提供一定的參考價值。本文采用MIDAS大型有限元軟件建立隧道數值模型，模擬研究添加初期支護與二次加強支護后隧道穩定性對比研究。結果表明，強化支護方法的重要性和二次加強支護的合理、必要性。該方法可以很好準確的預測圍巖變化規律，反映真實的圍巖變化特性，有利于隧道的穩定性。

2 工程背景及MIDAS建模

2.1 工程概況

某隧道工程DK171+072～DK171+128段由于受斷層影響，巖體節理裂隙發育，巖石風化嚴重，工程地質條件較差。單洞建筑界限10.25m（凈寬）、5m（凈高）該段分布有地下水，隧道開挖時，掌子面可出現滴水-滲水現象，局部可能出現漏水現場。根據地表及掌子面調查，確定圍巖物理力學參數如表1所示。

針對該段性質較差的圍巖工程，常規支護手段難以保證隧道支護結構的穩定與施工過程中的安全性，因此準備采用二次加強支護的手段進行支護。二次加強支護方法即在隧道開挖結束后立即采用C25噴射混凝土及18#工字鋼梁進行初次支護，待初次支護穩定后再重復同樣的支護手段進行第二次加強支護，從而使隧道開挖后能夠穩定成型。為了驗證這種支護方法的支護效果，采用MIDAS軟件對隧道圍巖及開挖支護過程進行模擬。

2.2 數值模擬

模擬的范圍為隧道左右兩側各取70m，隧道頂板向上去70m，隧道底板向下取30m，邊界范圍滿足圣維南原理。模型采用地層-結構計算模型，屈服準則采用莫爾-庫侖準則，圍巖物理力學參數根據表1進行選取.

3 MIDAS模擬結果及分析

隧道開挖后，分別施加初次支護和二次加強支護，兩次支護完成后計算得到隧道豎直方向的位移云圖如圖1所示。由圖1可知，兩次支護后隧道沿豎直正方向和負方向的最大變形分別發生在隧道仰拱和拱頂位置，即隧道產生了底部隆起和拱頂下沉現象。在初次支護后，隧道仰拱凸起和拱頂下沉量分別為2.53cm和4.05cm。二次加強支護后，隧道仰拱凸起和拱頂下沉量分別達到了2.75cm和4.88cm。可以看出初次支護施加完成后產生的變形量比較大，而二次加強支護完成后隧道變形得到明顯控制，說明二次加強支護完成后隧道的輪廓可以基本成型。

初次支護和二次加強支護后支護結構中的如表2內力所示，支護結構穩定的控制位置在拱頂、拱腰、拱腳和仰拱幾個位置。

通過對比初次支護后與二次加強支護后支護結構中的軸力與彎矩值可以發現，支護結構中軸力和彎矩值均有明顯的減小，而且軸力與彎矩的最大值與最小值的差值也在減小。首先，初次支護后，支護結構中軸力與彎矩的最大值分別為2797kN和36.5kN·m，二次加強支護后，支護結構中軸力與彎矩的最大值分別為1570kN和26.3kN·m，即二次加強支護施加后支護結構中的軸力與彎矩分別變為施加前的56.13%和72.05%。其次，初次支護后，支護結構中軸力和彎矩的最大值分別是其最小值的1.65倍和3.07倍；二次加強支護后，支護結構中軸力和彎矩的最大值分別是其最小值的1.63倍和2.48倍。由此可知，相比于初次支護后，在隧道二次加強支護后，支護結構中的軸力和彎矩均發生了比較明顯的減小；同時，整個支護結構中軸力與彎矩的最大值與最小值的差值減小，即二次加強支護后支護結構中的內力變得更加均勻，有利于隧道結構的穩定性。

4 結論

（1）初期支護對圍巖的豎向位移和水平位移起到一定的控制作用，但是二次加強支護后則能進一步控制隧道變形，有利于隧道結構的穩定性。

（2）二次加強支護可以大大減小支護結構中的軸力和彎矩值，同時使整個結構中的軸力和彎矩的最大、最小差值減小，更趨近于均勻，有利于隧道穩定性。

（3）二次加強支護后隧道支護結構中各部位的安全系數均滿足規范要求，說明二次加強支護的必要性，也說明了分層加強支護這種支護方式的合理可行性。

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