深埋式地下輸水隧洞初支二襯數值模擬方法分析

【摘要】目前有限數值模擬分析廣泛應用于各個領域，在水利工程發揮著越來越重要的作用。本文利用MIDAS GTS NX巖土隧洞專用有限元分析軟件，以某長距離輸水工程為依托，對其深埋式地下輸水隧洞典型橫斷面的開挖、初期支護、二次襯砌等施工過程采用不同數值模擬的方法。通過對不同數值模擬方法的分析，總結出各種模擬方法的優缺點，為以后其它類似工程的設計施工提供借鑒。

【關鍵詞】輸水隧洞；初期支護；二次襯砌；數值模擬

1.工程概述

某工程3#輸水隧洞樁號為45+368.3～164+601.9，全長119.23km。隧洞處于低中山區，洞底埋深30～610m，沿線圍巖工程地質分類為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，局部還有土洞段。隧洞設計縱坡為1/2500～1/3000，設計斷面為城門洞型、圓型和馬蹄型。

本次模擬選取3#隧洞150+200.0樁號處的典型橫斷面，地面高程1278m，洞底埋深308m。巖溶地下水位位于洞底以下，洞身穿過奧陶系中統上馬家溝組中段厚層灰巖、豹皮狀灰巖，圍巖為中硬巖，工程地質分類為Ⅳ類，采用鉆爆法施工，斷面為圓形，直徑4.3m，設計水深3.32m。隧洞初期支護為噴C20混凝土100mm厚，頂拱范圍內設Φ25系統錨桿，長2m間排距1m梅花形布置；二次襯砌為C25鋼筋混凝土300mm厚。

2.MIDAS GTS NX軟件簡介

Midas GTS NX是北京邁達斯技術有限公司開發的“巖土隧道結構專用有限元分析軟件”。 軟件可便捷實現復雜模型在靜動荷載作用下的響應分析，包括施工階段分析、應力分析、動力分析、滲流分析、應力-滲流耦合分析、邊坡穩定分析、襯砌分析和設計功能，并提供莫爾庫倫、修正莫爾庫倫、鄧肯-張、修正劍橋等14種本構模型；除此之外軟件還提供便捷的幾何建模功能、地形生成器、隧道建模助手、錨桿建模助手以及豐富的后處理結果；可以廣泛應用于地下結構、巖土、水工、地質、礦山、隧道等巖土工程。

3.建立數值模型

3.1 模型建立條件

本次建模過程滿足以下條件：

（1）輸水隧洞的受力和變形是平面應變問題，不考慮空間效應，采取二維計算模型。

（2）所有的地層圍巖、結構材料均為連續、均勻、各向同性材料。

（3）根據地勘資料，選取斷面位置無應力集中，初始地應力僅考慮自重應力。

（4）隧洞開挖應力重分布采取荷載釋放系數模擬，隧洞開挖、初期支護、二次襯砌荷載釋放系數分別為0.4、0.3、0.3。

3.2 模型建立

根據彈塑性理論，參照《公路隧道設計規范（JTG D70-2004）》，計算模型范圍的選取通常按照隧洞跨度和高度確定：隧洞左右邊界取3～5倍跨度，上下邊界取3～5倍高度。在模型所取范圍之外，可以認為不受隧洞開挖影響。此外，還應在邊界上施加約束，確保模型不發生剛體位移和轉動。

選取的輸水隧洞為圓形斷面，開挖直徑為5.1m，模型的上下、左右邊界均取5倍洞徑即25.5m。為使模型不發生位移和轉動，在模型底部施加X、Y方向約束，在左右邊界施加X方向約束，頂部不施加約束。

3.3 模型物理參數的選取

根據現場勘測資料，模型范圍內從上到下巖層依次為泥灰巖和白云巖。參照以往的工程經驗和相關設計規范，確定各巖層、初期支護和二次襯砌的物理力學參數見表3-1。

4.施工階段數值模擬

隧洞開挖以后，圍巖應力的釋放是一個持續過程，通過GTS NX施工階段的數值模擬分析，可以更好地了解初期支護，二次襯砌的內力以及圍巖變形情況。結合施工現場的實際情況，隧洞采用全斷面開挖，初支噴射混凝土不考慮硬化時間效應，本次施工階段模擬分為初始地應力、隧洞開挖、初期支護、二次襯砌四個階段。

4.1 第一種方法：二次襯砌作為初期支護的增加部分，初支梁單元模擬，二襯邊界條件里改變屬性模擬

這種數值模擬方法分為以下幾個步驟：

（1）定義材料。打開GTS NX軟件，在材料模塊下，新建材料輸入圍巖地層及支護結構的物理力學參數，其中支護結構材料選擇彈性模型，圍巖地層選擇摩爾庫倫模型。

（2）定義屬性。在屬性模塊下，新建輸入圍巖地層及支護結構力學特性、截面信息。地層圍巖選用平面應變單元；錨桿選用一維植入式桁架單元，截面為實心圓形D=0.025m；噴混凝土和二次襯砌均采用梁單元，截面均為實心矩形，尺寸分別為H=0.1m、B=1m和H=0.4m（初支0.1m+二襯0.3m）、B=1m。

（3）導入二維CAD“DXF”格式模型線框，劃分網格。

首先，以0.5m為控制尺寸對隧洞內部平面進行網格劃分，并賦予白云巖屬性，然后以1.0m為控制尺寸分別對泥灰巖和白云巖地層進行平面網格劃分并賦予相應的圍巖屬性。

其次，對錨桿、噴混凝土分別通過“析取”的方式進行一維梁單元網格劃分并賦予相應屬性。

再次，通過邊界條件里改變屬性模塊，選中隧洞幾何線，賦予二襯屬性

（4）對劃分好的網格組定義荷載和邊界條件。因不考慮構造應力，對網格組加自重荷載和自動約束邊界。

（5）定義施工階段。施工階段分為初始地應力、隧洞開挖、初期支護、二次襯砌四個階段。

初始地應力階段：將隧洞、泥灰巖、白云巖網格組，自重荷載和自動約束邊界激活，并將初始位移勾選清零。

隧洞開挖階段：將錨桿網格組激活，隧洞網格組鈍化，并設置荷載釋放系數0.4、0.3、0.3模擬從當前步開始應力重分布的釋放過程。

初期支護階段：將初支網格組激活。

二次襯砌階段：將二襯網格組激活。

（6）運行分析。從運行結果中，可以查看施工過程中各階段中一維單元內力、位移和平面應變。

4.2 第二種方法：二次析取隧洞幾何線框模擬二次襯砌施加，初支、二襯均用梁單元模擬。

這種數值模擬方法步驟同方法一，在定義屬性時將二襯截面定義為實心矩形H=0.3m、B=1m，網格劃分時將隧洞一維幾何線框二次析取為二襯梁單元屬性，修改二次襯砌施工階段，運行分析即可得出結果。

4.3 第三種方法：兩次劃分二襯位置網格，賦予其不同屬性來模擬二次襯砌施加，初支梁單元模擬，二襯平面應變模擬。

這種數值模擬方法步驟同方法一，在定義屬性時，二襯屬性改為平面應變；劃分網格時，在二襯位置劃分兩次網格，分別賦予白云巖和二襯屬性，在相應的階段將這兩種網格激活或鈍化，修改施工階段運行分析即可得出分析結果。

5.三種數值模擬方法分析

第一種模擬方法建模簡單，在考慮初支模型基礎上只需要通過邊界條件“修改屬性”添加厚度增加的二襯，就可以近似的考慮二襯的支護作用，但不能將初支和二襯的內力分別顯示，只能把兩者對圍巖總的支護效應體現出來。

第二種模擬方法初支和二襯在同一位置的梁單元上，單元完全重合，二襯作為二次支撐結構來受力，建模相對簡單，計算結果中可以分別顯示初支和二襯的內力圖，但不能考慮初支和二襯之間的相互滑移。

第三種模擬方法需在二襯的位置劃分兩次網格，分別賦予不同的屬性，在相應的階段將這兩種網格激活或鈍化，能夠模擬變截面二襯或者二襯厚度較大的模型，顯示二襯平面應力，但是建模比較復雜，不能顯示二襯的內力。

6.結語

三種數值模擬方法都可以近似模擬深埋式地下輸水隧洞開挖、初期支護、二次襯砌施工過程，每種模擬方法都有各自的優缺點。在以后的工程設計中，可以利用這些方法對施工階段模擬分析，更好的服務工程。