隧道異形初期支護結構自動化建模及安全評價

陳 江 劉敏捷

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴陽，550081）

0 引 言

由于工程地質、施工條件以及管理因素造成了隧道超欠挖，從而導致初期支護結構與設計結構不符，即初支“異形結構”，最終造成結構極限承載能力、運行變形量的變化。同時，超欠挖還會改變圍巖的受力特征、影響圍巖的穩定［1］。

對于由于超欠挖導致的初期支護異形結構，王明年等［2-3］采用理論解析結合自適應有限元的方法，分析了超挖對隧道應力狀態的影響，發現當超挖存在時，對應力集中有較大影響，欠挖存在時，對支護結構有一定影響，經統計分析初步揭示了變異系數與不同襯砌厚度間的關系［4］。吳劍、楊建宏［5-6］則通過地質雷達等設備對隧道襯砌結構掃描獲取的數據，獲取了隧道支護結構厚度分布規律，通過數值分析等方法，獲取了襯砌結構的變異系數值及其可靠度的分析函數，作為施工安全性的評價基礎。施成華、彭立敏等［7-8］將襯砌結構分塊并建立相互聯系，以蒙特卡羅-隨機有限元法為指導，研究了當襯砌某塊結構失效后對整體結構可靠度的影響，提出了隧道支護結構失效指標及可靠概率的確定方法。

總之，以往的研究通常只涉及圍巖應力分布與可靠性的定性分析，很少考慮到初期支護形態的變化，從而極限承載能力與穩定性也發生變化的問題。因此，探究隧道超欠挖情況下異形支護結構的力學特征將是一個重要課題。

1 隧道異形初期支護結構自動化建模方法的構建

1.1 隧道超欠挖信息的獲取

超欠挖廣泛存在于隧道施工中，不僅影響隧道施工效率、增加工程造價，還會改變圍巖的受力特征、影響圍巖與支護結構的穩定［9］。因此，隧道開挖后，需進行超欠挖情況測量。測量隧道開挖輪廓的常用掃描方法有兩種：一種是基于激光點云的隧道超欠挖檢測［10］；另一種是放樣人員挑取突出部位進行局部測試。基于激光點云的隧道超欠挖檢測方法，采用地面激光掃描儀進行隧道整體激光掃描，利用隧道激光點云進行隧道的超欠挖檢測。通過利用隧道設計中線與隧道實測中線之間相對穩定的位置關系，以及隧道斷面結構設計圖，進行算法設計與計算機程序實現，自動進行隧道的超欠挖檢測。將基于激光點云的隧道超欠挖檢測系統采集的超欠挖數據進行處理后，獲取的數據為具體有效的超欠挖部位坐標點，便可通過將數據導入Ansys 命令流進行數值建模，該模型便是考慮了超欠挖的實際初期支護結構幾何模型。

1.2 自動化建模ANSYS實現

將激光點云獲取的隧道超欠挖數據進行處理，然后導入Ansys 命令流進行數值建模。掃描系統以1 m 為一個掃描循環，即掃描設備將沿隧道進尺方進行四次環向掃描為一個循環。一個掃描循環的數據為一組數據，通過多組數據的收集歸類，實現隧道整體的建模及數值分析。建模的具體步驟如下：

（1）點數據的錄入及編碼。定義關鍵點單元，由生成體的網格劃分轉化為節點單元，進行加載等操作。按照編號順序通過命令流將坐標數據錄入，獲得并設為關鍵點及節點。通過定義關鍵點坐標，實現隧道初期支護結構的不規則六面體建模。

（2）模型建立。通過關鍵點由下向上建模。由關鍵點進行體的生成，并通過不斷疊加生成，最終建立模型。最終獲取第一個由兩個六面體單元組合而成的，包含超欠挖信息的初期支護結構體模塊，如圖1所示。

圖1 第一個含超欠挖信息的初期支護模塊Fig.1 The first initial support module with over and under excavation information

圖2 一個掃描循環的初期支護底部模塊編碼Fig.2 Coding of the bottom module of the initial support in the first scan cycle

（3）隧道開挖及初期支護一個循環的模型，將通過上述命令自動建立，并將模塊自動累加。首先建立如圖3 所示單次環向掃描完成后的環向模塊，經過四次掃描完成一個循環后，最終獲取一個掃描循環的初期支護異形結構模型（圖4）。

（4）網格劃分及屬性定義。分別在隧道異形初期支護結構模塊相應位置定義不同的材料和幾何常數，同時進行網格劃分，定義不同參數區域如圖5所示。網格劃分完成后，如圖6所示。

圖3 單次環向掃描完成后的累積模塊Fig.3 Cumulative module after single round scan

圖4 一個掃描循環獲取的初期支護變異結構模型Fig.4 A variant structure model of initial support obtained by scanning cycle

圖5 單元屬性定義圖Fig.5 Unit attribute definition diagram

圖6 模型網格劃分Fig.6 Model meshing

（5）創建彈簧單元。首先定義彈簧外側關鍵點，將所定義的關鍵點與所建初期支護結構外側關鍵點，使用L，P1，P2命令，創建連線。劃分所創建的線，并定義其單元屬性為Combin14 彈簧單元，并定義劃分為一份，實現關鍵點創建彈簧單元。

（6）施加約束。分別于結構的縱向前后兩個面施加Z方向約束，對底板施加全面約束。

圖7 彈簧單元Fig.7 Spring element

圖8 結構約束Fig.8 Structural constraints

圖9 彈簧約束Fig.9 Spring constraints

（7）施加荷載。結構承受主動荷載及來自圍巖結構的彈性抗力，在施加荷載時使用命令流循環對結構節點施加這兩部分力。按照《高速鐵路設計規范》（TB 10621—2014）［10］對初期支護結構承受荷載進行折減，同時考慮結構縱向前后兩個面與其前后初期支護結構之間的聯系，再次對其荷載進行折減。

（8）求解。完成（1）～（7）中的所有操作，使用求解命令可完成求解。并可查看結構變形及受力等情況。

2 隧道異形初期支護結構安全評價實例

模擬基于實際某高鐵隧道工程，隧道圍巖等級為Ⅳ和Ⅴ級，主要模型參數如下：隧道埋深30 m；內徑為6.86 m；縱向長度為1 m；標準斷面初期支護結構噴混凝土厚度為0.20 m。

將基于激光點云的隧道超欠挖檢測系統采集的超欠挖數據進行處理后，獲取的數據為具體有效的超欠挖部位坐標點，再將數據導入Ansys 命令流進行數值建模，得到拱頂、邊墻超挖的模型，由于篇幅有限只展示拱頂超挖的模型圖，如圖10所示。

圖10 異形初期支護結構自動化建模結果Fig.10 Automation modeling result of special shaped initial supporting structures

采用ANSYS15.0 三維立體數值模擬，分別模擬Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下隧道邊墻（左側）超挖、拱頂超挖以及無超欠挖（標準斷面）這6種工況，如表1所示。

圖11 異形初期支護結構各分析關鍵點示意Fig.11 Indication of key points in analysis of specialshaped initial supporting structures

表1 異形初期支護結構數值模擬計算工況Table 1 Numerical simulation of special-shaped initial support structure

2.1 模型建立

2.1.1 支護參數與作用荷載

（1） 支護參數支護結構采取噴射混凝土：h=22 cm；?6 鋼筋網：@20×20 cm；φ22 砂漿錨桿：@120×120 cm，L=3.50 m；工18型鋼拱架：間距1 m。

根據《公路隧道設計規范》［11］《鐵路隧道設計規范》［12］等資料取如表2 所示的計算參數。其中，對于鋼拱架的模擬采用剛度等效法。

表2 隧道初期支護結構數值模擬材料參數Table 2 Material parameters for numerical simulation of tunnel initial support structure

（2）Ⅳ、Ⅴ級圍巖荷載計算

根據相關隧道勘察報告，選取Ⅳ、Ⅴ級圍巖物理力學指標如表3所示。

表3 各級圍巖物理力學指標Table 3 Physical and mechanical indicators of surrounding rocks at all levels

2.1.2 單元與約束

噴射混凝土和型鋼混凝土均采用solid45 號單元模擬，圍巖與初期支護結構相互作用采用地層彈簧combin14單元模擬。縱向兩側面約束Z方向，底板和彈簧末端約束X、Y、Z三個方向。

2.2 模擬結果

Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，標準斷面、存在左側超挖及拱頂超挖情況下的初期支護結構模型的三維應力云圖如圖12所示。

圖12 支護結構縱向變異數值模擬結果-第一主力（Ⅴ級圍巖）Fig.12 Numerical simulation results of longitudinal variation of support structure-first main force（V-grade surrounding rock）

2.2.1 初期支護結構的適應性分析

根據ANSYS 數值模擬結果云圖，提取數據如表4所示。

表4 各工況下結構受力關鍵值Table 4 Key stress values of structures under different working conditions

結合數值模擬云圖以及表4 不同變異形態初期支護結構變形數值結果，可以發現：不論結構施作于IV 級圍巖或V 級圍巖，其周邊收斂最大部位發生在拱肩處，由拱肩向兩側逐漸減小；拱頂沉降最大部位發生在拱腰處，由拱腰向兩側逐漸減小，同時超挖產生的位置不同也將對結構變形產生一定影響。異形斷面初期支護結構的X、Y方向的位移均比標準斷面小。因此可作初步判定，若超欠挖情況不嚴重，只要處理得當，將不會對結構變形產生影響。

2.2.2 初期支護結構的變形控制分析

初期支護結構的安全控制指標目前主要有兩拱腳處位移累計值、位移相對值、拱頂下沉值、拱頂相對下沉值。

根據ANSYS 數值模擬結果云圖，提取數據如表5所示。

表5 各工況下隧道周邊位移相對變化情況Table 5 Relative variation of surrounding displacement of tunnel under different working conditions

由表格可知，異形斷面的兩拱腳處位移累計值與拱頂下沉值均小于標準斷面值。其中，邊墻左側超挖將會極大地減小兩拱腳位移累計值。因此可初步判定，左側邊墻的適當超挖將有利于初期支護的穩定。Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，位移相對值滿足規范要求。

2.2.3 初期支護結構的承載力分析

將超挖部分各取三個控制點，即左側邊墻超挖范圍內取三個控制點：起點A、中點B、終點C；隧道拱頂超挖范圍內亦取三個控制點：起點D、中點E、終點F（圖11）。分別提取各點的軸力值、彎矩值，計算其極限承載力，進而求得安全系數，求取結果如表6所示。

表6 標準斷面初期支護結構各關鍵點的安全系數（Ⅳ級圍巖）Table 6 Safety factors of key points in initial support structure of standard section（grade IV surrounding rock）

根據極限承載力結果，可知：①各種工況下初期支護結構各控制點安全系數都大于規范值，滿足要求；②隧道超挖，拱腳的應力增大幅度最大，應力集中現象更為明顯，主意原因系變異斷面的拱腳約束處承載面積比標準斷面小；③邊墻超挖，其異形支護結構控制點的安全系數相比標準結構略微增大，因此可判定其有利于初期支護結構的穩定；④拱頂超挖，其異形支護結構控制點的安全系數相比標準結構有所減小，因此可判定其不利于初期支護結構的穩定；⑤標準斷面拱腳處支護結構安全系數和變異斷面拱頂處支護結構安全系最小，可作為初期支護結構承載能力控制點。

表7 標準斷面初期支護結構各關鍵點的安全系數（Ⅴ級圍巖）Table 7 Safety factors of key points in initial support structure of standard section（V-grade surrounding rock）

表8 變異斷面初期支護結構各關鍵點的安全系數（Ⅳ級圍巖）Table 8 Safety factor of key points of initial support structure with variable section（grade IV surrounding rock）

表9 變異斷面初期支護結構各關鍵點的安全系數（Ⅴ級圍巖）Table 9 Safety factors of key points of initial support structure with variable cross-section（V-grade surrounding rock）

圖13 變異與標準初支結構安全系數對比圖Fig.13 Comparisons of variation and safety coefficient of standard initial support structures

2.2.4 隧道初期支護結構變形現場監測

結合激光點云的隧道超欠挖檢測系統采集的超欠挖數據以及ANSYS 建立的異形初期支護結構模型，在隧道現場進行初期支護結構拱頂沉降變形監測，結果如圖14所示。

圖14 異形支護結構拱頂沉降數值計算結果與實測值Fig.14 Numerical calculation results and measured values of crown settlement of special support structure

監測結果如下：

由對比結果可知，隧道拱頂沉降實測值普遍大于計算值，這與計算參數選取、實體隧道復雜的圍巖地質條件以及監測誤差有關，但其變化規律值得參考。同一圍巖級別下，標準隧道斷面的拱頂沉降值介于拱頂超挖與邊墻超挖之間，拱頂超挖沉降值最大，邊墻超挖最小，由此可初步判斷邊墻超挖利于隧道結構安全，這與上一小節安全系數分析結果基本一致。

3 結 論

本文針對初期支護結構異形導致其極限承載力與穩定性發生變化的問題，通過ANSYS 有限元分析軟件對隧道異形初期支護結構進行數值模擬，初步探究了隧道異形支護結構的力學特征，對隧道施工控制和支護結構的安全性評價提供了理論依據。結論如下：

（1）研發了一種基于激光點云的隧道異形初期支護結構自動化建模方法，該法可實現包含超欠挖信息的初期支護結構精準化建模。

（2）隧道超挖帶來支護結構安全系數的有增有減，雖無大量算例，但也證實了超欠挖對結構安全的不可忽視的影響。基于本算例，可初步研判：邊墻超挖，結構安全系數增大；拱頂超挖，結構安全系數減小，初步判定“厚邊墻、薄拱頂”將是支護結構的最優斷面。

（3）通過該建模分析方法，針對隧道每一開挖斷面，都可以確定一個允許變形量和安全系數，為逐段或逐榀分析評價初期支護結構、開展施工安全管控奠定基礎。