基于Abaqus的惠龍高速紅花頂隧道施工研究

劉昌盛，吳東炎

(廣東鴻高建設集團有限公司，廣東 東莞 410076)

0 引言

近20年，隧道工程的建設無論是隧道長度還是規模都在不斷刷新著世界紀錄，在科研、設計或者施工過程中遇到的技術問題在不斷被解決。在高速鐵路隧道的規模上，特長大斷面高速鐵路隧道的建設技術也得到了解決，多年的工程實踐中也積累了大量經驗，大量新技術、新工藝、新理念被提出和廣泛運用,為設計隧道遇到的問題提供了很多有效的解決辦法。從公路隧道設計理念上來看，基本上已從荷載-結構理論轉化到了圍巖-結構理論，設計方法上也從傳統的工程經驗為主導，過渡到了“數值模擬分析+經驗對比”法，同時更加重視安全運營環境與工程環境的保護；從建設工法上看，鉆爆法仍然是主流，盾構法緊隨其后，沉管法也越來越受到青睞，反之明挖法隧道越來越少；同時輔助工法如冷凍法、水平旋噴加固、管幕法等也多有應用。鉆爆法更多地傾向于大斷面開挖以減少多次擾動圍巖，并發揮機械化施工的優勢[1]。代表性的工程為秦嶺終南山隧道(鉆爆法，18.02 km)、上海長江隧道(盾構法)、港珠澳海底隧道(沉管法)、珠海拱北隧道(管幕凍結暗挖法)。

然而，在對于公路隧道的設計與施工中，仍然會出現一些問題，這些都亟待我們在后期工程理論實踐以及相關的科研中予以繼續改進與完善[2]。

惠龍高速紅花頂隧道正是利用新的技術與理念選擇合理的施工方法，然后運用Abaqus進行模擬，更加保證了隧道的穩定性與安全性。

1 工程概況

1.1 項目概況

擬建紅花頂隧道為分離式隧道，洞室凈空(寬×高)15.59 m×8.0 m，起訖樁號左線ZK50+250～ZK51+346，左線長度為1 096 m；右線K50+260～K51+364，長度為1 104 m；對于進出洞口標高進行分別設置，左線進洞口設計標高87.72 m，出洞口設計標高設置為80.32 m；右線進洞口設計標高為87.57 m，出洞口設計標高設置為80.28 m。隧道左線最大埋深為142.95 m、隧道右線最大埋深為144.26 m，紅花頂隧道屬于長隧道。

隧道進出口的坡腳均可由鄉村道路抵達，隧道周邊的交通狀況一般。

1.2 工程地質條件

1.2.1 地理位置

擬建紅花頂隧道位于廣東省惠州市博羅縣泰美鎮與惠城區汝湖鎮交界，進口位于博羅縣泰美鎮東坑村扁排嶺附近，出口位于惠城區汝湖鎮大良村還里附近。

1.2.2 工程地質條件評價

在施工過程中，為了降低地質災害發生的幾率和危害程度，保證隧道施工安全，對紅花頂隧道進行了超前地質預報分析。預報信息表見表1。

表1 預報信息表

針對紅花頂隧道的斷面形式及現場掌子面施工情況在掌子面布置測線。測線布置如圖1所示。

超前地質預報結果如表2所示。

表2 超前地質預報結果分析

1.3 水文地質條件

1.3.1 地表水

該地區地表水存量不多，大部分是降水形成的地表水。徑流條件好，將隧道的進出口位置設置在斜坡上，較高的高度使其擁有充分的匯水面積。不過雨季來臨時依然對施工存在干擾，需要提前采取相應的疏流措施。

1.3.2 地下水

地下水的組成主要為粉質黏土和裂隙發育充分的碎石土中的孔隙水，因此存水量的大小主要由裂隙程度控制，而裂隙程度又受到季節的影響。另外地下水主要由大氣降水補充，而該地區的巖層風化嚴重，結構面發育充分，大氣降水通過巖層可以滲流進入地下，因此地下水存量充足，在隧道施工時會容易發生突涌現象。

另據該地層地下水水樣分析結果得到以下結論：pH=5.85，侵蝕性CO2=12.098 mg/L，HCO3-=0.12 mmol/L。

根據JTG C20—2011公路工程地質勘察規范可以看出[3]，該地區的地下水具有輕微的腐蝕性，對于混凝土和鋼筋等都有一定的影響。

2 隧道開挖過程數值模擬

2.1 Ⅴ級圍巖

Ⅴ級圍巖隧道模型見圖2，網格模型見圖3。設置隧道各參數如下：圍巖容重：γs=20 kN/m3；彈性抗力系數：K=200 MPa；泊松比：μ=0.45；圍巖埋深：h=50 m。

在有限元模擬過程中，首先創建部件，定義部件材料性能、截面，裝配部件；然后創建施加重力荷載的分析步，在分析步中將時間長度設為1，將增量中的初始增量步大小設為0.1，最大增量步設為0.2，之后定義相互作用、邊界、荷載條件；最后劃分網格，分析結果。

2.2 Ⅳ級圍巖

Ⅳ級圍巖建模過程同Ⅴ級圍巖模型類似，設置隧道各參數如下：圍巖容重：γs=23 kN/m3；彈性抗力系數：K=500 MPa；泊松比：μ=0.35；圍巖埋深：h=150 m。

由于選用Ⅳ級圍巖埋深為150 m，故需在定義邊界、荷載條件中施加一個2 300 kN/m2的堆土荷載。

3 結果分析

3.1 Ⅴ級圍巖輸出結果

圖4為Ⅴ級圍巖輸出結果。由圖4可知，Ⅴ級圍巖段地表沉降最大位移為7.978 mm，小于地表沉降允許值。

3.2 Ⅳ級圍巖輸出結果

圖5為Ⅳ級圍巖位移云圖。由圖5可知，Ⅳ級圍巖段地表沉降最大位移為19.159 mm，小于地表沉降允許值，認為是由于Ⅳ級圍巖埋深比Ⅴ級圍巖的大，所以Ⅳ級圍巖段地表沉降最大位移較大。

3.3 開挖方法對比

3.3.1 Ⅴ級圍巖全斷面法與環形開挖留核心土法對比

基于Abaqus軟化模量法的Ⅴ級圍巖環形開挖留核心土法的建模過程與上述全斷面法的類似，最終施工模型如圖6所示。

圖7為Ⅴ級圍巖環形開挖留核心土法開挖水平及豎直方向位移云圖。

根據圖7可得，Ⅴ級圍巖段采用環形開挖留核心土法開挖的地表沉降最大位移為6.864 mm。

將Ⅴ級圍巖段全斷面法和環形開挖留核心土法的地表沉降位移最大值整理，見表3。

表3 地表沉降位移最大值

由表3可知，根據地表沉降的數據，Ⅴ級圍巖段采用環向開挖留核心土法開挖比全斷面法開挖位移小，開挖后圍巖更加穩定，所以本隧道Ⅴ級圍巖段選用環形開挖留核心土法開挖更加合理。

3.3.2 Ⅳ級圍巖全斷面法與短臺階法對比

基于Abaqus軟化模量法的Ⅳ級圍巖短臺階法的建模過程與上述全斷面法的類似，最終施工模型如圖8所示。

圖9為Ⅳ級圍巖短臺階法沉降位移圖。由圖9可知，Ⅳ級圍巖段采用短臺階法開挖的地表沉降最大位移為18.100 mm。

將Ⅴ級圍巖段全斷面法和環形開挖留核心土法的地表沉降位移最大值整理，見表4。

表4 地表沉降位移最大值

由表4可知，根據地表沉降的數據，Ⅳ級圍巖段采用短臺階法開挖比全斷面法開挖位移小，開挖后圍巖更加穩定，所以本隧道Ⅳ級圍巖段選用短臺階法開挖更加合理。

為了使數值模擬結果更具有說服力，現將現場對地面沉降監控量測結果進行比對。圖10為沉降點布置橫斷面圖。

將數據進行整理后得到表5。由表5可知，監控量測結果與數值模擬結果基本吻合，證明此模型具有一定的參考價值。

表5 地表下沉量測結果

4 結論

本文以紅花頂隧道為研究對象，首先使用數值模擬技術得出Ⅳ級、Ⅴ級圍巖段地表沉降最大位移，然后通過比較確定其開挖方法，同時提出本文不足之處[4-5]。最后得到結論如下：

1)Ⅴ級圍巖段采用環向開挖留核心土法開挖比全斷面法開挖位移小，開挖后圍巖更加穩定，所以本隧道Ⅴ級圍巖段選用環形開挖留核心土法開挖更加合理。Ⅳ級圍巖段采用短臺階法開挖比全斷面法開挖位移小，開挖后圍巖更加穩定，所以本隧道Ⅳ級圍巖段選用短臺階法開挖更加合理。

2)為了簡化建模，本設計數值模擬采用二維模型，結果分析不如三維模型分析更精確。

3)在本設計施工模擬中，沒有設計支護條件，對模擬結果會造成一定影響。

4)實際施工現場會有各種不確定性，因此數值模擬不能完全符合實際情況，所以數值模擬的結果只能作為施工的參考，不能作為施工標準。