特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值仿真

張立偉

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

1 引言

目前工業(yè)化進(jìn)程隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展而逐漸加快，城市化作為我國(guó)主要發(fā)展特征之一，其快速發(fā)展促使人口大量集中，相應(yīng)而來(lái)也出現(xiàn)了城市交通擁擠問(wèn)題。

公路是城市發(fā)展主要設(shè)施之一，也是城市化建設(shè)的基本框架。公路已城市社會(huì)、現(xiàn)代化發(fā)展的主要要求，具備適應(yīng)快速、安全、方便的城市道路運(yùn)輸能力[1]。通過(guò)公路可確定城市整體格局[2]。

近幾年，公路隧道建設(shè)項(xiàng)目大量增加，從單雙洞車(chē)道隧道向三車(chē)道、四車(chē)道、五車(chē)道甚至更多車(chē)道的特大斷面城市交通隧道方向轉(zhuǎn)變，但對(duì)于該方面的建設(shè)還缺少施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)[3]。相對(duì)特定的地貌條件，特大斷面公路隧道建設(shè)的數(shù)量取決于公路交通系統(tǒng)在未來(lái)建設(shè)項(xiàng)目中的要求[4]。

通常特大斷面公路隧道是在人口密集、建筑物集中、地理位置良好的條件下建設(shè)的，對(duì)于永久性建筑物隧道來(lái)說(shuō)，擁有良好設(shè)計(jì)方案是保障城市交通安全運(yùn)行的必要條件[5]。

分析隧道施工處的地理位置、地質(zhì)條件以及施工過(guò)程對(duì)周?chē)鷰r石影響程度，是保障公路隧道安全、高效、快速施工必要因素。但由于特大斷面公路隧道跨度大，基本的支撐結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足巖石給予的較大壓力，再加上施工期間存在的多種復(fù)雜工序，對(duì)巖石造成了多次擾動(dòng)，無(wú)法同步施工，因此極易發(fā)生巖石不穩(wěn)定而導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生[6]。

針對(duì)特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)研究已有一些相對(duì)成熟的方法，如采用大數(shù)據(jù)研究、數(shù)據(jù)源分析和地質(zhì)分析方法等，然而這些方法沒(méi)有考慮隧道工序復(fù)雜程度，導(dǎo)致開(kāi)挖過(guò)程中，隧道圍層并不穩(wěn)定，支護(hù)方式會(huì)隨著時(shí)間的流逝而發(fā)生改變，耗費(fèi)大量的人力、物力[7]。

針對(duì)上述以往方法存在的問(wèn)題，提出了一種新的特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬分析方法。通過(guò)數(shù)值模擬方法可分析隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)施工動(dòng)態(tài)，其中包括兩個(gè)部分，分別是確定巖土介質(zhì)和模擬整個(gè)施工動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程[8]。研究不同巖土介質(zhì)復(fù)雜程度，對(duì)力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬仿真是在物理力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上確定的，而施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)仿真可模擬數(shù)值分析過(guò)程，盡可能保證模擬過(guò)程與隧道內(nèi)物理屬性一致，通過(guò)借助模擬分析—有限元技術(shù)進(jìn)行解決。

2 特大斷面公路隧道概況

公路隧道特大斷面示意圖如圖1所示。

圖1 公路隧道特大斷面示意圖

特大斷面公路隧道兩側(cè)多為砂巖，以圖1為例，設(shè)計(jì)該隧道與地面相對(duì)高度差為150m左右，為單斜山，呈現(xiàn)北高南低的狀態(tài)，頂層巖石厚度為30-150m。隧道沿線出現(xiàn)的露地層主要為兩種，分別是沉積巖層和全系松散土層[9]。而沿線表面主要是亞黏土和人工填土，大約厚0-1100m左右；下伏基巖為陸相沉積巖層，該巖層可劃分為砂巖和砂紙泥巖，呈現(xiàn)透鏡體狀[10]。

隧道走向與向斜走向一致，在無(wú)區(qū)域性段層中間的巖層構(gòu)造裂隙并不會(huì)繼續(xù)斷裂，而巖層不同走向的傾角大都為7°～10°，應(yīng)力水平較低[11]。

依據(jù)圖1所示的斷面示意圖，對(duì)隧道周?chē)鷰r層進(jìn)行分級(jí)分析。

通常對(duì)隧道的設(shè)計(jì)應(yīng)分為三個(gè)階段，分別是進(jìn)洞階段、洞身階段和出洞階段，根據(jù)周?chē)鷰r層物理性質(zhì)、斷層斷裂情況以及地理位置條件，獲取周?chē)鷰r層基本相關(guān)參數(shù)指標(biāo)[12]。按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》將周?chē)鷰r層分級(jí)，結(jié)果如表1所示。

表1 特大斷面公路隧道周?chē)鷰r層分級(jí)

依據(jù)表1中的內(nèi)容，對(duì)力學(xué)響應(yīng)數(shù)值進(jìn)行模擬仿真。

3 力學(xué)模型構(gòu)建及結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)上文中的圖1可知：特大斷面是由三心圓形曲邊墻結(jié)構(gòu)組成的，模型邊界至隧道中心大約為3.5倍長(zhǎng)的隧道直徑，兩側(cè)都具備固定約束，而底部具有垂直的支撐約束，通過(guò)頂部施加荷載，以此模擬隧道自身的重力。

一般來(lái)說(shuō)，巖石的抗壓/拉能力和抗剪能力都很優(yōu)秀，在不同的應(yīng)力下，巖石的破壞形 主要為塑性破壞閣，因此利用有限元軟件構(gòu)建力學(xué)模型，并自動(dòng)劃分有限元網(wǎng)格，采用彈塑性屈服條件，對(duì)平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬，力學(xué)模型構(gòu)建參數(shù)如表2所示。其中，材料模型的彈性屈服服從Drucker-Prager法則，平面應(yīng)變計(jì)算過(guò)程中，圍巖和支護(hù)材料的自重會(huì)自動(dòng)增加，噴層和錨桿 通過(guò)承受地應(yīng)力的釋放荷載來(lái)起作用。原始地應(yīng)力的釋放比率按照位移空間曲線來(lái)確定。

表2 力學(xué)模型構(gòu)建參數(shù)

彈性模量計(jì)算過(guò)程為

G=G0+(G0-G∞)e-βt

(1)

其中，G0表示短效彈性模量，G∞長(zhǎng)效彈性模量，β表示衰減系數(shù)，t表示時(shí)間。

泊松比計(jì)算過(guò)程為

(2)

其中，ε表示載荷方向上的應(yīng)變，ε1表示垂直方向上的應(yīng)變。

在施工過(guò)程中，通過(guò)承受地應(yīng)力釋放荷載來(lái)體現(xiàn)隧道支護(hù)錨桿作用。當(dāng)錨桿設(shè)置完成后，再釋放剩余的地應(yīng)力。假設(shè)隧道施工是具有規(guī)律性的，那么僅僅考慮空間問(wèn)題，而忽略了隧道周?chē)鷰r層流變問(wèn)題，容易導(dǎo)致隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)安全危險(xiǎn)問(wèn)題。

4 不同施工方法下隧道力學(xué)響應(yīng)模擬分析

由于隧道巖體與支護(hù)結(jié)構(gòu)一般都處于各向形變發(fā)展受約束的狀態(tài)下，即使局部巖石的應(yīng)力達(dá)到屈服極限，但是其會(huì)因受帶四周巖石的約束仍保持相對(duì)穩(wěn)定，并且到達(dá)其屈服極限后的變 形及漸近破壞性仍具有重要價(jià)值，這與地面結(jié)構(gòu)受力破壞形式是有很大差別的。因此，模擬分析的過(guò)程中，需要根據(jù)隧道巖土結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)進(jìn)行模擬分析。隧道開(kāi)挖初支不同單元極值計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 隧道開(kāi)挖初支不同單元極值計(jì)算

主應(yīng)力數(shù)值的計(jì)算過(guò)程為

(3)

其中，σx和σy分別表示x軸和y軸方向上的應(yīng)力，τxy表示切線角度。

一旦隧道工程實(shí)施，那么隧道底部?jī)啥藭?huì)出現(xiàn)較小拉應(yīng)力，對(duì)隧道中心底部造成一定壓力，但該壓力值在隧道中心所能承受范圍之內(nèi)，由此說(shuō)明拱部錨噴支護(hù)起到一定作用。

針對(duì)上下臺(tái)階開(kāi)挖錨噴支護(hù)后，上下臺(tái)階兩邊受到的拉應(yīng)力較小，但錨噴初支強(qiáng)度較大，此時(shí)會(huì)在上臺(tái)階底部形成大面積的壓縮帶；而下臺(tái)階開(kāi)挖后，隧道底部壓應(yīng)力分部較為集中。上臺(tái)階開(kāi)挖后，兩端的錨桿軸力大于拱頂軸力，下臺(tái)階開(kāi)挖后，錨噴力不再像原始那么大，有所減小，此時(shí)隧道拱頂和兩端錨桿所承受的力較大。

對(duì)于集中施工方式，應(yīng)增設(shè)錨噴支護(hù)，不斷提高隧道周?chē)鷰r層的強(qiáng)度，此時(shí)同樣在拱頂出現(xiàn)一定壓力，而下臺(tái)階兩端出現(xiàn)拉應(yīng)力，但影響強(qiáng)度較小。上臺(tái)階開(kāi)挖后，錨桿軸力較小，但兩端噴層壓力較大，經(jīng)過(guò)臺(tái)階開(kāi)挖后，錨桿軸力為原始軸力的五倍左右，隧道拱部至底部錨桿軸力較大。

開(kāi)挖第一階段，周?chē)鷰r層壓力明顯降低，右上臺(tái)階開(kāi)挖后，所設(shè)的錨桿軸力與下臺(tái)階開(kāi)挖后錨桿軸力大致相同，拱頂和兩端噴層壓力較大。

開(kāi)挖第二階段，右上拱部錨桿所承受的軸力有所降低，新設(shè)計(jì)的錨桿軸力小于原始錨桿軸力，而底部噴層應(yīng)力較大。

開(kāi)挖第三階段，增設(shè)的錨桿軸力突然增大，拱頂和錨桿錨尾軸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨頭的軸力，并且邊角處噴層壓力也相對(duì)較大。

分別從水平位移和垂直位移角度來(lái)看，特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬仿真研究具有一次性開(kāi)挖的優(yōu)勢(shì)，利用錨桿支護(hù)限制隧道周?chē)鷰r層，保證其擾動(dòng)程度較小，保證數(shù)值模擬仿真具有良好模擬效果。

5 仿真研究

針對(duì)特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬仿真研究合理性，采用仿真進(jìn)行驗(yàn)證分析。

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用某城市交通公路科學(xué)研究所成功研制的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)研究，該系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由內(nèi)外加載系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理器組成的。采用先啟動(dòng)后加載的原理，利用千斤頂在模型外部加載，模擬巖土層自重力，通過(guò)內(nèi)置千斤頂以及開(kāi)挖體應(yīng)力響應(yīng)，使仿真應(yīng)力狀態(tài)與原始狀態(tài)基本一致，如實(shí)反映出隧道開(kāi)挖變形的特征。

該系統(tǒng)尺寸為1.5m×1.5m×2.5m，具備15個(gè)斷面，其中每個(gè)斷面頂端和兩處腰點(diǎn)均設(shè)置3個(gè)測(cè)試點(diǎn)。并依據(jù)測(cè)試點(diǎn)布置情況，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

5.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

將隧道空斷面設(shè)置為單心圓，通過(guò)應(yīng)力、彈性模量、粘聚力，計(jì)算幾何相似比。經(jīng)過(guò)各組配比主要物理學(xué)參數(shù)相似比，可選定最終隧道設(shè)計(jì)配合比。

相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 相關(guān)參數(shù)

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將傳統(tǒng)的模擬分析方法(文獻(xiàn)[7]方法)和上述方法的特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證不同方法的模擬分析準(zhǔn)確性。

繪制不同模擬分析方法下的特大斷面公路隧道應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并與實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同模擬分析方法應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

分析圖3可知，與傳統(tǒng)模擬分析方法相比，所提的特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬方法的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與之際曲線更為接近，能夠更準(zhǔn)確的對(duì)特大斷面公路隧道的應(yīng)變力進(jìn)行模擬。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提的的特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬分析方法的有效性，進(jìn)行多次試驗(yàn)，對(duì)比不同方法的模擬效果，指標(biāo)用平均模擬準(zhǔn)確率來(lái)體現(xiàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同模擬方法平均準(zhǔn)確率對(duì)比

分析圖4可知，采用傳統(tǒng)方法是在實(shí)驗(yàn)次數(shù)為14次時(shí)，模擬效果達(dá)到最好，平均模擬準(zhǔn)確率約為53%；在實(shí)驗(yàn)次數(shù)為2和6次時(shí)，模擬效果最差，平均模擬準(zhǔn)確率約為21%。而采用所提方法是在實(shí)驗(yàn)次數(shù)為8次時(shí)，模擬效果達(dá)到最好，平均模擬準(zhǔn)確率約為90%；在實(shí)驗(yàn)次數(shù)為12次時(shí)，模擬效果最差，平均模擬準(zhǔn)確率為85%。由此可知，所提的特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬方法的模擬效果更好，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)。

通過(guò)上述內(nèi)容，可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：采用所提的特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬方法進(jìn)行力學(xué)數(shù)值模擬的效果較好，最高平均模擬準(zhǔn)確率可達(dá)到92%，最低模擬效果也可達(dá)到82%，對(duì)特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬仿真研究是具有合理性的和科學(xué)性的。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究可知，在定量指標(biāo)支持下，隨著隧道開(kāi)挖過(guò)程變化關(guān)系，分析不同時(shí)期支護(hù)力學(xué)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)綜合研究得出切實(shí)可行的實(shí)施方案。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，并由結(jié)果可知，該方法分析效果較好。

隨著隧道內(nèi)部的變化情況，在模擬分析過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1)確定隧道開(kāi)挖數(shù)目，分析周?chē)鷰r石性質(zhì)以及地應(yīng)力場(chǎng)分布形態(tài)。一旦分布形態(tài)不合理，極容易出應(yīng)力集中過(guò)大現(xiàn)象發(fā)生。

2)定期查看錨噴支護(hù)是否能夠達(dá)到預(yù)期效果，該項(xiàng)目不僅取決于支護(hù)參數(shù)，還與施工方案有關(guān)；

3)采用數(shù)值模擬手段，在隧道開(kāi)挖初期，就分析出主應(yīng)力低、剪應(yīng)力小、彎矩小、位移小的特征，依據(jù)該特征對(duì)不同方向的截面進(jìn)行力學(xué)研究；

4)結(jié)合具體隧道監(jiān)控資料，對(duì)特大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)情況，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)資料調(diào)整施工方案，使周?chē)鷰r層擾動(dòng)足夠小，確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。