基于MIDAS有限元法的惠龍高速紅花頂隧道施工優化研究

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的被解決。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,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,然后運用數值模擬技術進行施工方法的優化,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 1096 m；右線 K50+260～K51+364,長度為 1104 m；對于進出洞口標高進行分別設置,左線進洞口設計標高為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

整理勘測結果,表1為工程地質評價。

表1 工程地質評價

2 基于紅花頂隧道的數值模擬

2.1 建模過程

計算參數：

圍巖級別：Ⅳ級圍巖

圍巖容重：γ=22 kN/m3

彈性抗力系數：K=400 MPa/m

二次襯砌材料：C30 混凝土,彈性模量為30 GPa

二次襯砌材料容重：γh=25 kN/m3

二次襯砌襯砌厚度：d=0.5 m

2.1.1 定義材料、屬性、幾何形狀

1）建立隧道斷面

用隧道截面命令進行隧道截面的建立,選擇5心圓加仰拱,其中R1=8.40 m,R2=5.050 m,R3=2.00 m,R4=22 m。

2）定義材料與屬性

定義C30混凝土材料,選擇模型類型為彈性,各向同性,彈性模量為3×107kN/m2,泊松比為0.3,容重為25 kN/m3。

定義屬性,選擇梁屬性,截面H=0.5 m,B=1 m。

2.1.2 劃分網格

采用分割方法生成網格,見圖1,左側板和右側板分別等分為10個網格,頂板等分為20個網格,仰拱等分為30個網格。

圖1 網格分割圖

2.1.3 設置荷載與邊界條件

1）為了分析方便,進行單元坐標系的修改,將單元坐標系統一方向。

2）設置荷載

選擇自重選項,設置自重。

選擇梁單元荷載,設置水平土壓力與垂直土壓力。

根據《公路隧道設計規范》,Ⅳ級圍巖三車道隧道復合式襯砌二襯承擔荷載的比例取60%。

經過折減后取值：

q土壓'=97.84 kPa, q可變'=12 kPa；

e左'=19.57 kPa, e可變左'=0；

e右'=45.97 kPa, q可變右'=0。

2.1.4 設置工況

1）根據荷載組合系數表設置2種工況,見表2,建立荷載組合：構件變形計算、基本組合構件強度計算,為了與前文計算做對比分析,下文主要分析構件變形計算荷載組合。

表2 荷載組合

2）設置邊界條件

Ⅳ級圍巖,中風化砂巖,取地基反力系數為2×104kN/m3建立曲面彈簧邊界條件。為了計算更加準確,將頂點添加橫向x的約束。

2.2 結果分析

圖2 X方向位移圖

圖3 Y方向位移圖

由圖可知,隧道斷面在X方向最大位移出現在兩側為18 mm；隧道斷面在Y方向最大位移出現在拱頂,為61 mm,符合實際情況。

由圖4、圖6,對比之前手動計算襯砌內力,其中手算襯砌軸力最大值存在于邊墻與仰拱部分交界區域,為1479.56 kN,Midas建模分析得襯砌軸力最大值也存在于邊墻與仰拱部分交界區域,為1488.17 kN,與手算基本一致,可以互相驗證；手算襯砌最大正彎矩在邊墻部分,為282.731 kN·m,最大負彎矩在邊墻與仰拱部分交界區域,為-1318.45 kN·m,而通過Midas建模分析得最大正彎矩在拱頂,為648.77 kN·m,最大負彎矩在邊墻部分,為653.92 kN·m,最大正彎矩與最大負彎矩分布位置與手算部分差別,推斷可能與建模過程的簡化與參數取值的誤差有關,但數量級和分布趨勢基本一致,具有參考價值。

圖4 軸力圖

圖6 彎矩圖

經過Midas分析,如圖5 所示,剪力集中部分在仰拱左右端部,為432.11 kN,因此施工時應注意仰拱與邊墻的連接,防止因為剪力過大而發生破壞。

圖5 剪力圖

2.3 Ⅳ級圍巖施工優化

設計基于大型有限元仿真軟件 MIDAS /GTS,對Ⅳ級圍巖全斷面法與臺階法兩種施工工法分別建立二維施工模型,分析兩種施工方法,設置施工階段,運行程序,對紅花頂隧道的工法優化進行數值模擬分析。

2.3.1 全斷面法與臺階法對比

1）模型建立

如圖7,其中左圖為全斷面法施工模型,右圖為臺階法施工模型,利用平面單元對圍巖和二襯進行模擬,利用梁單元對初次支護（噴射混凝土）進行模擬,利用植入式桁架對錨桿進行模擬,模型采用庫倫-摩爾本構模型。

圖7 建立施工模型

根據惠龍高速紅花頂隧道地勘資料和相關隧道設計規范,整理模型參數,其中隧道截面埋深為71 m；噴射混凝土作為初次支護,為C25 混凝土,拱部以及邊墻噴混厚度設置為23 cm,仰拱噴混厚度設置為10 cm；二次襯砌為C30 混凝土,厚度為50 cm；錨桿為HRB400,直徑為0.022 m。

2）圍巖變形

如圖8～圖11,分別為全斷面開挖和臺階法開挖總位移和豎向位移云圖。

圖8 全斷面法圍巖總位移云圖

圖11 臺階法Y方向位移云圖

①總位移

②Y方向位移

圖10 全斷面法Y方向位移云圖

將拱頂位移、水平收斂最大值進行整理,見表3。對比可知,無論是拱頂下沉還是水平收斂數據,臺階法開挖都比全斷面法位移小,源于臺階法將隧道斷面分為兩部分先后開挖,開挖后圍巖相對更加穩定,支護更加及時,為了保證施工的安全性,初步擬定開挖工法為臺階法。

表3 拱頂位移與水平收斂數據

3）初次支護（噴射混凝土）受力情況

如圖12、圖13,分別為全斷面開挖和臺階法初次支護所受軸力。

圖12 全斷面法初次支護軸力圖

圖13 臺階法初次支護軸力圖

將軸力與剪力最大值以及出現位置進行整理,見表4。由對比可知,由于一次性開挖面大,全斷面法軸力的最大值更大,出現在邊墻與仰拱交界處；而臺階法軸力最大值出現在上下臺階交界處,在施工中可以針對交界處進行有效加固。為了保證施工的安全性,選定紅花頂隧道Ⅳ級圍巖開挖工法為臺階法。

表4 軸力最大值及位置

2.4 臺階法施工優化

通過改變支護參數（即錨桿的布置以及噴射混凝土的厚度）,使在保證允許位移變化范圍內,獲得最優支護方案,根據規范,設置拱頂最大允許下沉位移為10 mm,水平收斂最大值為12 mm。

運行程序,如表5,得到各個方案的拱頂下沉值和水平收斂。

表5 各個方案拱頂下沉與水平收斂

通過對比可以顯示,隨著錨桿數量的減少和噴射混凝土厚度的降低,拱頂下沉值與水平收斂都表現一定程度的增大趨勢。其中,四個方案都在允許位移范圍內,為了在保證施工安全的前提下,節省開支,雖然方案4 的位移最大,但是花費材料最少,最經濟,選擇方案四為最終支護方案,

3 結論

本文以紅花頂隧道為研究對象,先確定施工方法為新奧法,之后確定開挖方法采用臺階法。為了使得隧道更具安全性和經濟性,最后使用數值模擬技術驗證之前選擇的方法以及進行施工方法的優化。

1）隨著錨桿數量減少,噴射混凝土厚度降低,拱頂下沉值與水平收斂值都在增加,最后綜合安全與經濟的考慮,選用13 根錨桿,拱頂及邊墻噴射21 cm厚混凝土,仰拱噴射10 cm 厚混凝土。

2）臺階法軸力最大值出現在上下臺階交界處,在施工中可以針對交界處進行有效加固。