隧洞開挖施工的數值模擬研究

趙首創

(費縣許家崖水庫管理中心，山東 臨沂 273400)

1 概 述

隨著我國西部大開發和絲綢之路的開展，越來越多的隧洞工程應運而生，對此學者們針對隧洞工程進行了大量的研究。安永林等[1]依托珠海某隧洞工程，研究了兩種不同的施工工序對隧洞的影響，研究結果表明不同的施工工序條件下，隧洞危險區不同，應當合理選擇施工工序，以保證隧洞的施工安全。葉逢春等[2]利用數值模擬對盾構隧洞施工的安全性進行了評估，評估結果表明隧洞的變形若控制在合理范圍內，隧洞的安全性能夠得到保證。吳悅等[3]通過數值模擬對可液化地層的隧洞進行了研究，研究結果表明襯砌厚度越小，襯砌的上浮位移越小，同時應當加強交界處的襯砌接頭。陳春玲等[4]利用FLAC3D對不同直徑、距離條件下的隧洞圍巖進行了數值模擬研究，研究結果表明拱頂沉降與溶洞范圍呈線性規律。張君寶等[5]利用數值模擬軟件，模擬全斷面法、CRD法和三臺階法對隧洞圍巖的影響，研究結果表明三臺階開挖法為隧洞標準段的最優開挖工法。李順群等[6]利用數值模擬，研究了基坑開挖對隧洞變形的影響，研究結果表明基坑開挖對隧洞變形的影響在可控范圍內，滿足工程穩定性要求。李曉菡等[7]利用MIDAS-NX軟件對既有地鐵隧洞施工進行了研究，研究結果表明路基回填高度應當控制在0.5～1.57 m范圍內，可滿足隧洞施工的要求。左廣洲[8]結合隧洞運營過程中排水問題，提出了復合排水技術，并通過數值模擬對此技術進行了研究，研究結果表明復合排水技術能夠解決隧洞運營排水問題，且該技術還有待進一步優化完善。翟永勇等[9]利用數值模擬軟件，研究深基坑施工對臨近隧洞的內力和變形的影響，研究結果表明嚴格按照基坑施工章程，可保證基坑施工不對臨近隧洞造成不良影響。

以上研究均未考慮開挖對隧洞周圍巖土體位移的影響，也未考慮隧洞二襯受力的影響。因此，本文結合實際隧洞工程，對隧洞周圍巖土體進行地勘調查，利用MIDAS GTS數值模擬軟件對隧洞開挖進行全過程的模擬還原，通過模擬結果對隧洞開挖的影響和效果進行評估。

2 工程概況

某隧洞工程位于我國西部地區，經過地勘調查可知，該隧洞位于河道一側，隧洞周圍從上至下巖土體分別為泥灰層風化土、泥灰層和灰層(圖1)，隧址區地面高程520～1 020 m，相對高差最大約562 m，隧洞埋深180～550 m(圖2)，巖土體的物理力學參數見表1。

圖1 隧洞二維平面圖(單位：m)

圖2 隧洞隧址

表1 巖土體力學性質

3 數值模擬

3.1 模型的建立

利用MIDAS GTS數值模擬軟件進行隧洞開挖的數值模擬研究，經過試算，選擇隧洞的寬×高為92 m×69 m。試算結果表明，超過該邊界1 m，隧洞應力和應變不超過0.01%，因此可認為該邊界的選擇是合理的。

隧洞采用CD法進行開挖，隧洞拱頂左右兩邊分別采用4和7根錨桿進行支護。見圖3。

圖3 數值模擬平面圖

選擇二維平面對隧洞開挖進行研究，初支混凝土為彈性材料，彈性模量為2.1×104MPa，容重為24.5 kN/m3，泊松比為0.21；二襯混凝土為彈性材料，彈性模量為3.2×104MPa，容重為25.6 kN/m3，泊松比為0.19；錨桿為彈性材料，彈性模量為2.2×105MPa，容重為78.6 kN/m3，泊松比為0.16。風化土、泥灰層和灰層選擇實體單位，錨桿選擇植入式桁架，內支撐選擇板單元。

數值模擬共計5 942個單元、3 202個節點，數值模擬計算至隧洞穩定時停止。

3.2 模型的計算

第一階段建立泥灰風化土層、泥灰層和灰層，并根據表1的數據進行賦值，設置邊界自動約束，最后對巖土體進行清零。第二階段為開挖階段，按照CD施工法的次序，將隧洞部分巖體進行鈍化，同時在鈍化區域添加錨桿、初支混凝土或二襯混凝土。第三階段依次將二襯混凝土進行賦值。經過以上3個階段后，方可對隧洞模型進行計算。

3.3 模擬結果

3.3.1 變形分析

隧洞整體位移和豎向位移見圖4和圖5。

圖4 隧洞整體位移(單位：m)

圖5 隧洞豎向位移(單位：m)

由圖4可知，隧洞的整體位移61.7%幾乎位移為0，接近30%巖土體的位移集中于隧洞開挖部位，最大位移位于拱頂處，該位移不超過1 mm，且所占隧洞比率也不超過4%，說明隧洞開挖并沒有對周圍巖土體的位移造成較大的影響。

由圖5可知，隧洞的豎向位移53.7%幾乎位移為0，接近25%巖土體的豎向位移集中于隧洞開挖部位，最大位移位于拱頂和拱腳處，該位移不超過1 mm，且所占隧洞比率也不超過5%，說明隧洞開挖后也沒有對周圍巖土體的豎向位移造成較大的影響。

由圖4和圖5可知，隧洞開挖的整體位移和豎向位移均控制1 mm范圍以內，沒有對周圍巖土體造成不良影響，滿足隧洞工程穩定性要求。同時隧洞拱腳處因為位移較大，屬于施工和管理的重點，應當加以重視。

3.3.2 支護結構變形分析

襯砌所受的彎矩見圖6。

圖6 二襯所受的彎矩(單位：kN·m)

由圖6可知，二襯所受的彎矩最大處位于拱腳處，接近拱腳處次之，數值最大為88 kN·m，該區域僅占整個二襯的2.5%，彎矩受力較大處位于拱底，即仰拱處。由此可知，仰拱所受彎矩最為明顯，應當被考慮成防護的重點。拱頂處所受彎矩不超過57 kN·m，滿足工程穩定性的要求。

3.3.3 數值模擬總結

1) 隧洞的整體位移和豎向位移均控制在合理范圍內，說明隧洞的開挖施工是合理的，并沒有對周圍巖土體的位移造成不良影響。

2) 二襯所受彎矩主要集中于仰拱處，拱頂所受彎矩較小，且受力較均勻。

由以上兩點可知，隧洞開挖施工是合理的，滿足工程穩定性的要求。

4 結 論

本文利用MIDAS數值模擬技術，對四川省巴中市某隧洞開挖進行了研究，結論如下：

1) 隧洞整體位移和豎向位移均控制在合理范圍內，不會對周圍巖土體的位移造成不良影響。

2) 隧洞二襯彎矩仰拱處最大，但均不超過工程允許的數值；拱頂處彎矩較小且受力較均勻，未出現應力集中的現象。

3) 研究隧洞斷面屬于常規斷面，沒有對隧洞的特殊斷面進行研究。