金家樓隧道施工過程的數值模擬分析

蘇子龍,孔 強

(山東省路橋集團有限公司,山東 青島 266000)

0 引言

伴隨著社會經濟的飛速發展，我國交通運輸業和工程項目建設的規模和數目持續提升，隧道建設展現出十分明顯的增長趨勢。目前，在針對隧道圍巖穩定性的研究領域中，人們采用了許多方法進行研究，主要有理論分析、數值模擬、模型試驗等方法。谷拴成等[1]利用數值模擬，基于吉祥村暗挖區間隧道工程，對臺階法和CRD法進行模擬分析，研究了兩種施工方法下的圍巖變形規律。陳云騰、孫振華[2]以陳家山隧道為研究背景，用ABAQUS軟件進行了數值模擬，并通過對各種施工條件下的開挖過程進行比較分析，深入研究了各種施工方式對隧道圍巖穩定性的影響。柳越文[3]對賀州至巴馬高速公路(都安至巴馬段)弄拉隧道、伏龍隧道的錨桿布置方式進行分析，并對Ⅲ級，Ⅳ級圍巖下采用不同系統錨桿使用方式進行模擬計算，研究了隧道圍巖不同錨桿參數下的穩定性。關玲[4]以重慶某高速公路為研究背景，采用ANSYS分析了臺階法和全斷面開挖法兩種開挖方式對高速公路隧道圍巖穩定性的影響，得出了臺階法比全斷面法對隧道圍巖擾動較小的結論。邵珠山等[5]以集呼高速公路隧道為研究背景，采用ABAQUS對隧道開挖進行數值模擬，并結合隧道實測數據，研究了大跨度軟巖隧道圍巖的穩定性影響因素。王輝[6]以ABAQUS為平臺，借助Python語言編程，提出一種針對淺埋隧道埋深及坡度對圍巖穩定性的敏感性分析方法，為淺埋隧道的設計及施工提供了一定的指導。黃明等[7]以滬昆高速公路燈草塘隧道為研究背景，采用有限差分軟件對隧道圍巖穩定性進行了模擬研究，并提出了一些采空區空洞處置及圍巖加固措施。肖濤[8]選取拱石山隧道為研究背景，采用有限元軟件對隧道斷面進行研究，研究了不同圍巖級別下的巖體變形和空間分布規律，以及施工過程中最不利的變形和受力部位及空間分布特征。傅志超[9]將BIM模型與GIS模型進行數據融合，依據實際公路隧道建立隧道地質模型、結構模型、監測點，研究了融合轉換流程及主要的融合開發思路和功能點。

1 工程概況

擬建金家樓隧道工程位于臨胸縣金家樓村東南1 000 m處，隧道左線軸線起止樁號為ZB1K104+809.5～ZB1K105+662，長852.5 m，隧道右線軸線起止樁號為K104+792～K105+605，長813 m，為雙向六車道分離式中隧道。隧址區海拔高程234 m～384 m，相對高差150 m左右，整體比較陡峭，隧道最大埋深約為120 m。

2 應用數值模擬技術的隧道應力、模擬分析

本節設計以金家樓隧道Ⅴ級圍巖段(ZB1K104+928，埋深50 m)為例，隧道開挖內輪廓如圖1所示，圍巖巖體力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

2.1 模型建立

取Ⅴ級圍巖襯砌段埋深50 m處隧道構建模型，即所構建模型埋深50 m，X方向取寬度100 m，Y方向取長度100 m，隧道居于中軸線上，邊界約束條件為：在模型左右兩側施加X方向位移約束，在模型底部邊界施加Z方向位移約束，計算模型如圖2所示。

2.2 不同施工方法及相應數值分析模型

針對金家樓隧道V級圍巖段，選擇全斷面開挖法、臺階法、CRD法三種開挖方法進行數值模擬，通過對三種開挖方法的圍巖變形情況來進行比較分析，最終得出最優的開挖方法。

如圖3所示，全斷面開挖法工序較為簡單，即按照設計斷面，將整個隧道進行開挖；如圖4所示，本次模擬采用三臺階法進行開挖施工，將金家樓隧道斷面分為3個部分，按照從上到下的順序，依次進行分部開挖；如圖5所示，采用CRD法，將隧道斷面分為6個部分，先開挖隧道左側的1,2部分，施作部分中隔壁和橫隔板，再開挖隧道右側的3,4部分，完成橫隔板施工；然后再開挖左側的5部分，并延長中隔壁，最后開挖6部分。隧道位移云圖見圖6～圖8，隧道拱頂位移圖見圖9～圖11。

如圖6,圖9所示，為全斷面開挖法施工隧道豎向位移變化情況，隧道靠近軸線處沉降變形要明顯大于隧道兩側的沉降變形，大致為中間大、兩邊小，對稱分布，較為符合實際；如圖7,圖10所示，為臺階法施工隧道豎向位移變化情況，隧道靠近軸線處沉降變形要明顯大于隧道兩側的沉降變形，大致為中間大、兩邊小，對稱分布，較為符合實際；如圖8，圖11所示，為CRD法施工隧道豎向位移變化情況，隧道靠近軸線處沉降變形要明顯大于隧道兩側的沉降變形，大致為中間大、兩邊小，對稱分布，較為符合實際。

2.3 位移變形對比分析

拱頂沉降在隧道洞室開挖后位移變形如圖12所示，不同施工方法引起的拱頂位移沉降是不同的，但均有一定規律。從三者大致趨勢來看，其都變現為中間大、兩邊小，大致為對稱變形；從單個方案來看，采用全斷面開挖法，拱頂沉降值大約為48.250 mm；采用臺階法，拱頂沉降值約為16.134 mm；采用CRD法，拱頂沉降值約為16.079 mm。

初步表明采用全斷面法要比采用臺階法或CRD法隧道產生的變形更明顯，但從臺階法及CRD法兩種開挖方式所產生的位移變形來看，兩者在金家樓隧道模型中表現差距不大。因此，金家樓隧道Ⅴ級圍巖段采取CRD法施工是較為適合的。

2.4 結果驗證

為了驗證結論的正確性，本節利用3DEC軟件分別對全斷面法、臺階法和CRD法進行開挖模擬；針對金家樓隧道，分析三種開挖方式隧道塊體的垮塌數量，得出隧道最優開挖方式，看結果是否與ABAQUS軟件是否一致，從而驗證結論的正確性。基于3DEC軟件的三種開挖方式隧道垮塌圖如圖13～圖15所示。

利用3DEC軟件中的FISH腳本，統計每種開挖方式的塊體垮塌的數量與體積。塊體垮塌數量依次為60,19,17，塊體體積依次為33.34 m3,7.377 m3,5.449 m3。從結果可以看出采用全斷面法開挖時隧道塊體垮塌數量比臺階法或CRD法多，而臺階法和CRD法兩者差別不大，綜合考慮金家樓隧道Ⅴ級圍巖段采取CRD法施工是較為適合的，與ABAQUS模擬結果相同。

3 結論與討論

本文以金家樓隧道為依托，確定了其施工方式為新奧法，然后利用ABAQUS軟件分別對全斷面法、臺階法、CRD法進行相關模擬，確定其開挖方式為CRD法，并用離散元軟件3DEC驗證了模擬結果的正確性；在建立隧道開挖模型后，通過對隧道掘進過程的模擬，可以分析出襯砌以及圍巖上的應力與位移，有助于我們預測開挖狀態、在開挖過程中應力與應變的變化并幫助我們找出可能存在的問題，同時也可以為施工提供部分理論依據及一些參考。