隧道病害數值模擬分析

薛魁　黃偉倫

摘要：文章依托那良隧道工程實例，運用Midas GTS軟件建立有限元模型，模擬分析鉆爆法公路隧道施工過程對山體產生的影響及隧道遇到不良地質產生的病害成因，并提出相應的防治措施，以指導后續施工。

關鍵詞：隧道病害;MIDAS/GTS;數值模擬分析

中圖分類號：U457+.2

0 引言

隨著我國基礎設施建設的迅猛發展，山區路網建設也在如火如荼地進行。在山區公路規劃建設中，隧道所占的比重越來越大，而山區公路隧道常會遇到如淺埋、軟弱圍巖等惡劣地質情況。這些不良地質圍巖隧道開挖后易沉降、變形，受復雜多變的地質條件影響，若處治不當，隧道施工可能導致山體的整體滑坡、破壞，隧道的坍塌、整體失穩等災害出現。而巖土內力復雜多變，單一理論分析不能深入透徹地研究隧道的受力情況，無法針對性地解決隧道病害。國內眾多學者運用有限元數值模擬對盾構隧道的受力變形特性與病害發展分布規律關系進行了相應的研究[1-2]，運用ABAQUS軟件對隧道病害治理開展數值分析、方案比對[3]，并總結了相關經驗。本研究通過Midas GTS軟件進行有限元建模，模擬在風化砂巖圍巖條件下，鉆爆法公路隧道施工過程對山體產生的影響及隧道遇到不良地質產生的病害成因，更好地得出處置結論，指導后續施工。

1 工程概況

某高速公路那良隧道位于廣西壯族自治區河池市大化縣羌圩鄉境內，長約190 m，為短隧道。最大埋深約57.9 m。開挖段以粉質黏土、碎石及強-中風化砂質與頁巖為主，結構松散、巖體破碎。那良隧道進口端洞身施工后，因2018-10-09至2018-10-25連續降雨，于2018-11-02對隧道洞頂山體進行排查，發現一條裂縫，目測裂縫最寬6 cm，沿著山體橫向發育。

2018-09-03右洞已經貫通，初支仰拱全部完成，二襯混凝土澆筑完成180 m（YK438+388～YK438+568包含7 m明洞），剩余出口端5 m明洞尚未完成施工。11月2日早上發現那良隧道二襯出現裂紋，項目部立即組織設計代表及監理共同到現場查勘，發現以下情況：

（1）隧道右洞二襯出現大量裂縫，由YK438+410～YK438+464縱向延伸，粗估為54 m，基本為縱向裂縫，主要分布在左側拱肩部位;仰拱中心偏左開裂，裂縫寬度為3 mm左右;右側側墻部位也出現縱向裂縫。

（2）左洞洞口ZK438+382～ZK438+390段初支出現開裂，局部有掉塊，此處初支埋深約為16 m。

（3）兩洞之間的中巖墻位置也出現豎向裂縫。

2 隧道病害數值模擬分析

2.1 運用有限元軟件進行數值分析

2.1.1 計算軟件與模型參數

使用有限元軟件MidasGTS作為計算平臺進行本次數值模擬分析。MidasGTS是一款通用的有限元分析軟件，專門為巖土領域而研發，可用于地鐵、隧道、礦山等各類實際工程的精準建模與計算分析。在隧道巖土結構計算中，不僅需要考慮巖土的自身作用，還需要考慮結構部分對巖土部分的作用。通過MidasGTS軟件設置隧道襯砌的各類結構單元，可以模擬各種巖土分析中的結構部分，并計算其協同作用，分析隧道支護結構的受力情況。

2.1.2 本構模型

從土體和巖石的材料方面來說，本構關系對巖土計算有較大的影響，所以在巖土計算中選取合適的本構模型尤為重要。本次計算中，巖土體材料采用M-C模型。M-C本構模型是模擬巖土材料最常用的一種模型，該模型包含剪切和拉伸兩個模型破壞準則，分別對應不同的流動法則，非常適合模擬巖土材料的應力-應變特征。隧道襯砌、錨桿等采用彈性本構方程。[JP]

2.1.3 模型參數

根據那良隧道兩階段設計圖紙與地勘報告，結合《公路隧道設計細則》（JTG/TD70-2010）[4]，本次數值計算主要參數取值如表1所示。

2.1.4 二維計算

本節選取地表裂縫區域內兩個典型斷面進行模擬，并計算邊坡安全系數。計算模型如圖1、圖2所示。

2.1.4.1 計算步驟

（1）初始力計算。

（2）位移清零。

（3）邊坡安全系數計算。

（4）右洞開挖支護。

（5）邊坡安全系數計算。

（6）左洞上臺階開挖支護。

（7）邊坡安全系數計算。

（8）左洞下臺階開挖計算。

（9）邊坡安全系數計算。

（10）位移清零。

（11）施加邊坡位移，模擬覆蓋層滑移對隧道襯砌結構的影響。

2.1.4.2 結果分析

通過對A-A、B-B剖面的二維分析，利用MidasGTS軟件邊坡穩定SRM模塊對隧道各施工階段進行分析，施工過程中邊坡安全系數變化如表2所示。

由表2可知，隧道施工過程將對邊坡造成擾動，開挖過程中邊坡安全系數降低，支護完成后邊坡安全系數恢復，隧道施工不當會增加邊坡滑動風險。

通過MidasGTS軟件邊坡穩定SRM模塊的強度折減的方法計算邊坡安全系數，同時計算邊坡失穩時襯砌、中巖墻的受力情況。取拉應力云圖進行分析，如圖3所示。

通過數值模擬分析可知，右洞完成開挖支護后，左洞上臺階開挖時邊坡安全系數降低，此時若發生邊坡失穩，A-A剖面右洞襯砌主拉應力最大值達4.67 MPa，B-B剖面右洞襯砌主拉應力最大值達5.49 MPa，均超過襯砌混凝土抗拉強度。

2.1.5 三維計算

本節通過建立三維模型，在地表裂縫區施加強制位移，模擬邊坡覆蓋層滑移對隧道襯砌的影響，計算模型如圖4所示。

2.1.5.1 計算步序

三維分析模擬右洞完成開挖初支二襯后進行左洞開挖（圖4），根據實際施工步序，并按不利情況考慮，本次開挖模擬采用上下臺階法施工，三維模擬中每次循環進尺4 m，開挖完成后激活噴混及錨桿，上臺階開挖支護28 m后開始下臺階施工需要位置，計算主要施工步序如下：

（1）初始應力計算。

（2）位移清零。

（3）左洞上臺階開挖支護。

（4）左洞下臺階開挖計算。

（5）施加邊坡位移，模擬覆蓋層滑移對隧道襯砌結構的影響。

2.1.5.2 結果分析

通過圖6、圖7的三維計算分析，在施加邊坡強制位移后，右洞襯砌主拉應力最大達4.29 MPa，主要沿拱頂及拱肩分布;左洞初支主拉應力最大值達4.52 MPa，超過襯砌混凝土抗拉強度。

2.2 防治方法

根據模型中的數值分析可得，左洞洞口病害產生的原因為大跨度拱腳變形牽引山體變形滑動。右洞病害的原因如下：

（1）地表裂縫存在多組不同時間形成的裂縫，存在多次山體較大變形;（2）左右洞圍巖較為破碎，存在泥質風化夾層，易造成鋼架刺入，拉裂山體，降低圍巖自穩能力。

針對那良隧道左右洞出現的病害情況，采取以下防治措施：（1）立即封閉洞頂山體表面產生的裂縫，防止雨水下滲，采用黏土對裂縫進行回填夯實，并用砂漿進行封閉，砂漿厚度≥10 cm;（2）采用 108 mm×6 mm鎖腳鋼管對左洞初支病害段拱腳進行加固處理，原則上所有鋼架落腳的地方均應設置鎖腳鋼管，灌注漿液為1[KG-*4]∶[KG-*8]1的水泥漿;二村采用C40防水混凝土，厚度≥60 cm;（3）結合監控量測數據，按照“短進尺、小斷面、早支護”的原則，加快左洞病害段初支仰拱閉合施工，初支閉合基本穩定后，開始二襯仰拱及拱圈進行施工，施工過程中應逐榀閉合鋼架，縮小開挖步距，減小對山體擾動;（4）盡快施作左、右洞明洞，然后對洞頂進行回填，避免洞口邊仰坡出現滑動，引起洞頂山體裂縫的加劇變形;（5）加快對隧道進口前方段路基左側邊坡抗滑樁的施工，抗滑樁范圍需延伸至左洞明洞及兩洞口間鼻梁處，應優先施工靠近隧道洞口處抗滑樁;（6）對山體下沉較大段落的地表采取化學注漿加固處理，注漿孔按梅花型布置，間距為2.5 m，注漿深度要求距隧道二襯1.5～2 m;（7）監控量測單位加密監測頻率，加強對洞內初支、二襯及裂縫發展情況的監測，并根據監測結果進行動態施工調整。

3 結語

通過對隧道有限元模型進行數值模擬分析，并結合現場實際情況，綜合分析得出以下結論：

（1）隧道開挖過程中會對邊坡造成擾動，施工前及施工過程中需注意觀察，并根據實際情況采取相應處治措施。

（2）根據MidasGTS軟件邊坡穩定SRM模塊分析結果，單洞開挖過程中若發生邊坡失穩，圍巖應力再分布過程中，另一洞襯砌結構易出現受拉破壞。

因此，在類似隧道施工中應注意以下幾點：①左右洞在滿足錯開步距的前提下分先行后行洞進行施工，預留足夠初支變形和穩定的時間，減少先行洞貫通后，后行洞施工對先行洞二襯造成的擾動，避免作為剛性結構的二襯因受力不均而產生裂縫;②隧道施工若常出現掉塊、滑塌現象，此時應注意山體的變化，當山體出現裂縫時應及時分析原因并及時妥當處置。

參考文獻

[1]張洪彬，張國祥，安關峰，等.盾構隧道已開裂管片的受力變形特性[J].土木建筑與環境工程，2014，36（3）：52-58.

[2]劉 濤，唐 睿，寇海磊.盾構管片受力變形特性與病害發展分布規律關系研究[J].混凝土，2020（6）：143-147.

[3]關 達，劉 秀.重載鐵路響沙灣隧道病害治理抗滑樁設計及預加固研究[J].現代隧道技術，2020，57（S1）：535-543.

[4]JTG/TD702010，公路隧道設計細則[S].

作者簡介：

薛 魁（1989—），工程師，主要從事公路工程橋梁與隧道施工技術管理工作;

黃偉倫（1995—），助理工程師，主要從事公路工程隧道施工技術管理工作。