隧道工程二襯安全性的數(shù)值模擬研究

郭曉龍

（湖北天堂湖國家濕地公園管理處,湖北 黃岡 438600）

1 引言

隧道工程在城市化進(jìn)程中發(fā)揮著舉足輕重的作用,對此學(xué)者們也進(jìn)行了大量的研究,黃健輝[1]以某高速公路隧道工程為例,通過有限元數(shù)值分析了爆破振動對隧道運(yùn)營安全的影響,并提出了防控措施。臧萬軍等[2]探究地震作用下隧道動力響應(yīng)規(guī)律,并建立隧道理論計(jì)算模型,研究結(jié)果表明：相同工況下解析解得到的位移曲線是有效的。付艷斌等[3]以大直徑盾構(gòu)隧道管片上浮問題為例,研究大直徑盾構(gòu)管片上浮影響因素,并提出了管片上浮解析式,研究結(jié)果表明：隧道管片上浮解析解的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。周揚(yáng)等[4]開展了列車荷載作用下隧道動力響應(yīng)的研究,采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對峰值加速度進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：超靜孔隙水壓力峰值隨著測點(diǎn)的遠(yuǎn)近而變化。潘興良[5]認(rèn)為大直徑泥水盾構(gòu)在掘進(jìn)時,易出現(xiàn)刀盤結(jié)泥現(xiàn)象,并以一實(shí)際隧道工程為例對結(jié)泥現(xiàn)象進(jìn)行了研究,并提出了解決方案。歐峻領(lǐng)[6]認(rèn)為如果需要提高水工隧道工程施工水平,應(yīng)重點(diǎn)管控隧道混凝土施工環(huán)節(jié),切實(shí)增強(qiáng)側(cè)墻及拱頂施工效果。劉二利等[7]以某隧道主體結(jié)構(gòu)為研究對象,采用模型實(shí)驗(yàn)對主體結(jié)構(gòu)整體防水性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：隧道主體混凝土結(jié)構(gòu)及其防水工藝,在不超過4 m水深條件下是可靠的。吳桐等[8]為解決明洞偏壓問題,通過分析可知,明洞偏壓是由偏壓地形造成的,可選用反壓回填法對明洞段進(jìn)行處治,處治結(jié)果表明：該方法是可行性。聶玉文等[9]針對軟弱圍巖的支護(hù)變形問題,提出鎖腳樁支護(hù)結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)改善了軟弱圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。劉維等[10]以蘇州某矩形隧道為背景,分析艙內(nèi)土體分布情況,并提出地層穩(wěn)定的優(yōu)化模型,實(shí)踐證明：優(yōu)化模型在受力方面是優(yōu)于傳統(tǒng)模型的。

然而以上的研究并沒有分析雙拱隧道在施工過程中的受力和位移,因此本文結(jié)合某雙拱隧道工程,利用數(shù)值模擬對隧道二襯的受力和位移進(jìn)行研究。

2 工程概況

某隧道工程屬于連拱隧道,隧道跨度為33 m,存在一定的偏壓,屬于短隧道,隧道最大埋深24 m,埋深小于10 m的暗洞長度占整個暗洞的比例約為36%,屬典型的淺埋隧道。

經(jīng)過地質(zhì)勘察,隧道區(qū)域巖土體從上至下依次為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和硬巖,巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

數(shù)值模擬采用MIDAS GTS,數(shù)值模擬隧道研究區(qū)域長×寬×高為430 m×340 m×180 m,因?yàn)樗淼来嬖谝欢ǔ潭鹊钠珘?為消除偏壓對隧道的影響,對隧道二襯用錨桿進(jìn)行支護(hù)（見圖2）,本文主要研究支護(hù)后二襯的受力和位移情況。

圖1 二襯和隧道的受力示意圖

3.2 模型的屬性

數(shù)值模擬中硬巖采用的是彈性模型,風(fēng)化土和風(fēng)化巖采用莫爾庫侖本構(gòu)模型,數(shù)值模擬中為保證計(jì)算的精確性,同時避免不必要的計(jì)算步驟,對隧道所在的風(fēng)化土區(qū)域采用1 m的距離進(jìn)行網(wǎng)格劃分,風(fēng)化巖和硬巖區(qū)域采用2 m進(jìn)行網(wǎng)格劃分,統(tǒng)一采用混合四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,以保證節(jié)點(diǎn)力傳遞的有效性。數(shù)值模擬共計(jì)462026 個節(jié)點(diǎn),388012個單元,模型計(jì)算至最大不平衡力變化率小于1×10-6截止。

3.3 模擬的結(jié)果

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)束后,選取最有代表意義二襯的水平位移、豎向位移、X方向受力和Y軸彎矩進(jìn)行說明,見圖2~圖5。

圖2 降雨強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖

圖5 長期降雨與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖

由圖2可知,因?yàn)橄冗M(jìn)行左邊襯砌的施工,所以總體而言左側(cè)水平位移大于右側(cè)位移,但是增幅并不明顯,左側(cè)最大水平位移是6.08 mm,此區(qū)域占整個二襯的3.1%,位于二襯左上側(cè),右側(cè)最大水平位移是3.35 mm,對應(yīng)位于二襯右上側(cè),位移數(shù)值均不超過10 mm,在工程允許的范圍內(nèi),滿足隧道工程水平位移的要求。另一方面,隧道巖土體70%的水平位移甚至不超過4 mm,說明隧道的水平位移整體控制得較好。

由圖3可知,二襯的豎向位移主要為沉降位移,僅拱頂處出現(xiàn)不超過5%的隆起位移,二襯左右兩側(cè)最大隆起高度分別為17.89 mm和8.89 mm,由數(shù)值可知,左右兩側(cè)拱頂處是防治的重點(diǎn),75%的豎向位移為沉降位移,主要集中于拱底處,最大數(shù)值為3.3 mm,由此數(shù)值可知隧道拱底處防護(hù)措施是合理的,完全滿足工程的豎向位移要求。二襯兩側(cè)豎向位移均不超過4 mm,說明二襯兩側(cè)的豎向位移控制得較好,不屬于支護(hù)加固的重點(diǎn)。

圖3 降雨類型

進(jìn)一步對二襯的X方向的受力分析見圖4,二襯的最大受力主要集中于拱底處,數(shù)值達(dá)到3600 kN以上,二襯左側(cè)數(shù)值明顯大于右側(cè),說明左側(cè)二襯施工的重點(diǎn)程度高于右側(cè),另一方面可知,X方向的受力數(shù)值均不超過4000 kN,完全控制在工程允許的范圍內(nèi),滿足隧道工程的受力要求,說明二襯X方向受力控制在合理范圍內(nèi),不會對隧道工程的穩(wěn)定性造成不良影響。

圖4 降雨類型與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖

圖4對二襯X方向的受力進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上對二襯Y方向的彎矩進(jìn)行分析,見圖5,二襯拱頂處彎矩?cái)?shù)值最大,左右兩側(cè)Y方向的彎矩分別達(dá)到538 kN·m和289 kN·m,由以上數(shù)值可知,左側(cè)二襯拱頂處是防治的重點(diǎn),此數(shù)據(jù)與二襯的豎向位移相對應(yīng),而此數(shù)值依然沒有達(dá)到隧道工程的極限值,由豎向位移數(shù)據(jù)也可反映此結(jié)論。

圖5 2460 m高程實(shí)測值及預(yù)測值對比圖

二襯拱頂處約18%彎矩超過300 kN·m,說明二襯施工時必須注意錨桿的架設(shè),以防止錨桿架設(shè)不良,造成二襯彎矩和豎向位移過大,對隧道工程造成安全隱患。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某隧道開挖項(xiàng)目,進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究,研究結(jié)果表明：

（1）數(shù)值模擬隧道工程二襯水平位移和豎向位移可知,以上兩種位移均控制在合理的范圍內(nèi),不會對工程造成不良的影響,由豎向位移可知,隧道施工中防治的重點(diǎn)在拱頂處。

（2）數(shù)值模擬隧道工程二襯X方向的受力和Y方向的彎矩可知,拱頂處依然是防治的重要,因此在施工中應(yīng)當(dāng)注意錨桿的架設(shè),錨桿的成功架設(shè)能夠保證拱頂處受力和彎矩滿足工程安全要求。

（3）本文僅從隧道二襯的位移和受力方面,對隧道的安全評估進(jìn)行了一定程度的說明,沒有從仰拱、地下水和地震角度開展研究,此方面的研究有待進(jìn)一步深入。