禮讓隧道硬石膏段開挖全過程模擬＊

吳建勛，任 松，陳 釩，蒲文明，歐陽汛

（1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083；3.中電建路橋集團有限公司，北京 100048）

1 概述

在隧道工程中，圍巖和支護結構存在著復雜的耦合作用，在隧道全壽命周期內，圍巖—支護的變形和受力狀態隨時間不斷變化，即具有時變性。硬石膏巖作為典型的吸水膨脹性圍巖，其膨脹機理復雜，膨脹持續時間長[1]。當隧道穿越硬石膏巖層時，圍巖的長期膨脹使得圍巖—支護的時變性更加明顯。因此，本文針對禮讓隧道硬石膏圍巖段，基于ANSYS有限元軟件，采用隧道開挖全過程模擬方法[2]模擬隧道開挖和支護過程中圍巖和支護結構變形、受力情況，以期為隧道的設計和施工提供參考。

2 模型建立

根據禮讓隧道地勘資料和設計圖建立二維平面雙隧道模型，模型如圖1所示。巖層自上而下為灰巖（A1）—硬石膏巖（A3、A4）—灰巖（A2），其中，A1和A2灰巖為硬巖，無膨脹作用；A3距隧道比較遠，不考慮膨脹性，A4考慮膨脹性。圍巖采用plane42單元模擬，力學參數如表1所示；采用link1單元模擬錨桿，beam3單元模擬初砌，錨桿和初襯力學參數如表2所示。

隧道開挖全過程模擬方法視圍巖體為一種時間相關的結構體，借助ANSYS中的蠕變方程模擬不同施工階段下的圍巖動態變化。本文借助蠕變11號方程模擬硬石膏圍巖段，通過試驗獲得的方程參數如表3和表4所示。

表1 巖層力學參數

表2 支護材料參數

表3 不考慮膨脹作用（A3巖層）

表4 考慮膨脹作用（A4巖層）

3 模擬結果和分析

根據禮讓隧道施工組織情況，模擬開挖支護全過程。其中，隧道開挖到初期支護完成所需時間為6 h，初期支護持續20 d。開挖6 h無支護狀態的結果如圖2所示，初襯完成后20 d的結果如圖3所示。

與傳統的模擬方法相比，采用隧道開挖全過程模擬方法可得開挖至初襯施作前的位移和應力狀態，如圖2（a）所示。圖中變形最大處在隧道拱頂，下沉量9.49 mm。

初期支護完成后，錨桿和混凝土對圍巖變形具有減緩的作用，而硬石膏的膨脹性具有增大圍巖變形的作用。采用隧道開挖全過程模擬方法，可以模擬上述2種作用下圍巖的時變效果。圖3（a）給出了初期支護后第20 d的圍巖合位移云圖，最大變形仍然發生在拱頂，為13.19 mm。分析每一子的位移圖，得到圖4所示的隧道沉降和收斂隨時間變化圖。

圖2 開挖6 h無支護狀態的結果

圖3 初襯完成后20 d的結果

圖4 隧洞變形圖

圖2（b）和圖3（b）分別為開挖后無支護和開挖后20 d的圍巖等效應力圖。由圖可知，最大等效應力在邊墻附近，拱頂和拱底應力比較小。圖5給出了最大等效應力和最大壓應力隨時間變化圖。20 d后的圍巖最大等效應力為5.34 Mpa，比開挖瞬間的5.76 MPa減小了7%.支護前，隧道周邊圍巖最大壓應力為7.17 Mpa，發生在邊墻。支護20 d后，圍巖壓應力降至6.83 Mpa，降低了4.7%.

圖5 應力隨時間變化圖

隧道圍巖錨桿受拉應力，最大拉應力隨時間的變化如圖6所示，最大拉應力發生在拱腳部位。隨著時間的增加，拉應力逐漸增大，但未達到錨桿抗拉強度。

圖6 錨桿拉應力隨時間變化圖

4 結論

本文以禮讓隧道為工程背景，基于連續介質模型，采用隧道開挖全過程模擬方法對硬石膏段施工期圍巖變形和應力狀態進行了模擬，得出以下結論：①基于連續介質模型，借助蠕變11號方程，可以模擬硬石膏段圍巖和支護結構變形、受力演化情況；②禮讓隧道硬石膏段沉降和收斂隨時間的推移逐漸增大，20 d最大下沉量為13.19 mm，最大收斂為7.95 mm。

［1］蒲文明，陳釩，任松，等.膨脹巖研究現狀及其隧道施工技術綜述［J］.地下空間與工程學報，2016（S1）：232-239.

［2］任松，姜德義，吳建勛，等.一種隧道開挖全過程模擬方法：中國，CN105069269A［P］.2015-11-18.