利用有限元分析連拱隧道中導洞超前支護的作用

王齊佩

中交四航局珠海工程有限公司

1 工程概況

級公路連拱隧道，起訖樁號為K105+132～K105+426，長294m。隧道位于直線上，隧道縱坡為-1.406%的單向坡，設(shè)計標高226.21m（進口）～221.11m（出口），隧道最大埋深90m。根據(jù)現(xiàn)場實際地勘資料顯示，隧道進口段、出口段圍巖為粉質(zhì)黏土及全風化砂巖，隧道上覆巖層土層第一層土為粉質(zhì)黏土，層厚約8.5m，第二層土為全風化砂巖。且東山嶺隧道在進口段、出口段埋深較淺，隧道埋深約20m，屬于淺埋隧道。東山嶺隧道采用三導洞法開挖，先施工中導洞，中導洞貫通后進行中隔墻澆筑，中隔墻混凝土達到設(shè)計強度后方可進行隧道側(cè)導洞及主洞開挖。因此，中導洞隧道在中隔墻澆筑完成前，僅靠中導洞初期支護為主要支撐體系抵抗圍巖變形。中導洞隧道初期支護設(shè)計參數(shù)見表1。

隨著社會的發(fā)展，人們對于交通出行的需求越來越大，隧道以其方便快捷，大幅縮短線路距離的優(yōu)點在公路工程中得到廣泛使用。但部分隧道地質(zhì)情況較差，施工風險較高，本文利用有限元數(shù)值模擬分析的方法，對東山嶺隧道全風化砂巖段隧道超前支護起到的作用進行分析，形象展現(xiàn)隧道超前支護施作前后隧道圍巖變化情況，以增加對隧道超前支護施工質(zhì)量的重視，保證現(xiàn)場超前支護施工質(zhì)量，確保隧道在全強風化砂巖下開挖施工安全。

東山嶺隧道位于河源市和平縣縣城境內(nèi)，為一座四車道一

2 有限元分析模型建立

有限元法分析模型采用MIDAS/NX 建立，MIDAS/NX 是由MIDAS IT 結(jié)構(gòu)軟件公司開發(fā)的巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，該軟件將通用的有限元分析內(nèi)核與巖土隧道結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求有機地結(jié)合，集合了豐富的材料本構(gòu)模型，可有效的對隧道各施工階段進行分析，指導隧道施工。

模型建立前需對分析所需要的土體、錨桿、型鋼鋼架、噴射混凝土等材料進行定義，具體參數(shù)如表2。

為減少建模工程量，鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，計算公式為：

表1 東山嶺隧道中導洞初期支護設(shè)計參數(shù)表

表2 隧道模型各項材料屬性參數(shù)表

式中：

E——為折算混凝土的彈性模量；

E0——為噴射混凝土初始彈性模量；

Sg——為鋼拱架截面面積；

Eg——為鋼材彈性模量；

Sc——為混凝土截面面積。

折算后噴射混凝土彈性模量為

各項材料及屬性定義完成后進行隧道模型的建立，為得到隧道超前支護對隧道抵抗圍巖變形的作用，建立兩個計算模型，其中模型1 隧道施作超前支護，模型2 隧道不施作超前支護，其余的模型尺寸、網(wǎng)格分割方式方法、相關(guān)材料屬性等均相同。東山嶺連拱隧道中導洞開挖寬度為5.4m，開挖高度為6.6m；以中導洞隧道為中心，選取寬56m，高41m，長40m的范圍建立模型。根據(jù)東山嶺隧道地質(zhì)詳勘資料，第一層土為粉質(zhì)黏土，層厚8.5m；第二層土為強風化砂巖，選取層厚為32.5m。

3 隧道循環(huán)開挖過程模擬

模型建立完成后，對中導洞開挖進行施工階段定義。在MIDAS/NX中，可通過對隧道土體網(wǎng)格組的鈍化操作模擬實現(xiàn)隧道開挖施工，可通過對超前支護、系統(tǒng)錨桿、型鋼鋼架及噴射混凝土網(wǎng)格組的激活模擬實現(xiàn)隧道初期支護施工。施工階段定義完成后，需對初始階段進行位移清零操作，用來模擬隧道開挖前土體的固結(jié)沉降。然后按照連拱隧道中導洞開挖施工的順序鈍化第一循環(huán)中導洞土體，激活此循環(huán)超前支護及初期支護網(wǎng)格組，然后再進行鈍化中導洞下一循環(huán)開挖土體，循環(huán)模擬至中導洞開挖結(jié)束。主要采用以下兩個模型進行模擬并進行后期的數(shù)據(jù)分析，流程如下：

模型1：隧道開挖循環(huán)進尺按照0.5m一循環(huán)進行模擬，隧道開挖按照超前支護→洞身開挖→錨桿、鋼拱架施工→噴射混凝土→下一循環(huán)超前支護→下一循環(huán)洞身開挖的順序進行。模型2：隧道開挖循環(huán)進尺按照0.5m一循環(huán)進行模擬，隧道開挖按照洞身開挖→錨桿、鋼拱架施工→噴射混凝土→下一循環(huán)洞身開挖的順序進行。施工過程中超前支護對整個中導洞的開挖安全起著至關(guān)重要的作用，模型建立完成后，對中導洞開挖進行施工的每個環(huán)節(jié)嚴格把控，以確保有更準確的結(jié)果。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

施工階段定義完成后，對兩個模型分別進行運行求解。求解完成后，對兩個模型后處理結(jié)果進行比對分析。分別提取模型1、模型2 中提取中導洞第一循環(huán)、第十循環(huán)及最后一循環(huán)開挖結(jié)果進行比較。根據(jù)模型1 結(jié)果，在隧道設(shè)置超前支護情況下，隧道進行第一循環(huán)開挖時，導洞拱頂最大沉降值為2.04mm，拱底最大隆起值為4.43mm；進行第十循環(huán)開挖時，中導洞拱頂最大沉降值為2.58mm，拱底最大隆起值為7.25mm；進行最后一循環(huán)開挖時，中導洞拱頂最大沉降值為4.72mm，拱底最大隆起值為7.69mm。根據(jù)模型2結(jié)果，在隧道不設(shè)置超前支護情況下，隧道進行第一循環(huán)開挖時，導洞拱頂最大沉降值為3.54mm，拱底最大隆起值為6.3mm；進行第十循環(huán)開挖時，中導洞拱頂最大沉降值為6.98mm，拱底最大隆起值為7.77mm；進行最后一循環(huán)開挖時，中導洞拱頂最大沉降值為7.56mm，拱底最大隆起值為

7.72mm。

5 結(jié)論

對模型1、模型2計算結(jié)果進行分析，可得出如下幾個結(jié)論。

（1）隧道在進行超前支護后，隧道拱頂沉降量明顯減少，隧道進行開挖過程中的風險明顯降低；但是隧道進行出洞時，拱部沉降變形偏大，施工過程中需做好對洞口超前長管棚施工質(zhì)量的控制，確保隧道出洞安全。

（2）東山嶺連拱隧道中導洞設(shè)計圖中隧底未設(shè)置支護，根據(jù)兩次模擬情況可知，隧道拱底隆起量基本相同，且偏大，后續(xù)進行開挖施工時，需注意中導洞隧底隆起的問題。

（3）隧道在進行超前支護后，開挖面附近最大變形處位于掌子面偏上位置，中導洞開挖完成后，進行錨桿施作及拱架安裝前，可在掌子面初噴一層混凝土以確保施工安全。

本次建模仍有許多不足，未曾考慮隧道開挖過程中地下水位變化、隧道爆破震動荷載等因素對隧道圍巖變形的影響。但是通過本次建模分析，加深了對超前支護的受力認知及超前支護重要性的理解，為后續(xù)施工提供了理論基礎(chǔ)。本文的論述只建立在本項目工程的基礎(chǔ)上進行，以期為后續(xù)的施工以及類似工程提供一點點微薄的指導經(jīng)驗。