基于數值模擬分析的隧道開挖與支護方案優化研究

龐俊田

（中鐵十九局集團 第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136）

關于隧道開挖變形方面的研究，主要集中在如下幾個方面，如隧道開挖過程中周圍土體變形量大小、隧道開挖對周圍建筑體的影響情況、隧道開挖支護方案的選取、支護效果及后續變形監測等[1-3]。李志南,秦國強[4-5]利用FLAC3D 模擬得出了侏羅系軟巖中最佳的隧洞開挖方式為上下臺階法；對于隧道開挖變形的研究主要包括了定性分析、數值模擬研究及實測等不同類型。本文以廟子塆隧道工程為例，使用MIDAS 軟件對該隧道開挖過程進行數值模擬研究，并確定數值模擬過程中網格單元選取對模型的影響，分別從襯砌材料選擇以及襯砌材料支護厚度等角度分析得出最優支護方案，并為其它項目提供參考借鑒。

1 項目概況

擬建的廟子塆隧道為格巧高速公路施工圖工程設計的一座分離式隧道，擬建隧道呈弧線形展布，電光照明、機械通風；該隧道總體軸線方向約345°，左線隧道起訖樁號ZK60+350～ZK61+700，全長1350m，隧道最大埋深約160m，位于ZK61+030 處；右線隧道起訖樁號K60+360～K61+760，全長1400m，隧道最大埋深約165m，位于K61+050 處。進口左右線間距13.37m,出口左右線間距23.2m。該隧道區屬中、低山地貌區，地形起伏大。隧道范圍內中線高程1070m～1200m，最大高差約130m。山體自然坡度15°～35°，植被不甚發育。

2 隧道開挖模型確定

2.1 模型建立

本工程基于MIDAS GTS NX 分析軟件建立實際工程的簡化模型，該軟件界面簡潔精煉，具有強大的建模及后期分析功能，豐富的巖土材料本構模型，能滿足本次工程的需求。本文選取隧道洞身穿越高中山區，根據隧道施工技術方案以及地質勘察資料，對隧道建立了1：1 的三維仿真模型，在開挖范圍內，根據圣維南原理擴展圍巖尺寸后，建立三維地形模型如圖1 所示。隧道模型尺寸為150×50m，網格劃分采用四面體單元進行劃分，共有1791 個單元，1846 個網格節點；后續襯砌模擬是采用結構單元Shell 模擬隧道襯砌。

圖1 隧道模型圖

2.2 計算參數及邊界條件確定

在模擬過程中選擇的本構模型為庫倫-莫爾模型，根據鉆孔揭露信息及室內實驗確定土層參數見表1 所示。在模擬過程中，對模型底面設置為Z 軸豎直方向位移約束邊界，對模型前后設置Y 軸方向約束，對模型左右設置X 軸方向約束，并在初始條件下，只在重力作用下首先達到平衡。

表1 土層參數取值表

2.3 不同網格密度的影響

為了獲得最優網格計算密度，并為后期模擬計算提供基礎依據，達到最優模擬的目的，分別選擇網格密度為1m、2m 作為研究對象。本次模擬分為三個階段，第一階段為初始地應力平衡，即模擬過程中假設土層+隧道，只受到重力作用的影響，同時對模型邊界進行約束；在進行了初始地應力計算后；直接進行位移清零，并進行下一步隧道開挖及支護模擬，支護材料均選擇C30 混凝土噴射支護。模擬過程保持其余條件均不變，只改變不同的網格密度進行重復計算，模擬結果如圖2、圖3 所示。

圖2 網格密度1m 下隧道開挖位移云圖

圖3 網格密度2m 下隧道開挖位移云圖

由圖2、圖3 可知，隨著網格密度的增大，隧道開挖位移變化不大，但仍有區別，網格密度越小，雖然計算時間變長了，但計算的精度也變大，位移變化量也變大。其原因是：網格越密，節點越多，各個土體單元間力的傳導以及應力變化也越流暢，越容易得到更接近實際的結果。當然，網格節點也不是越密越好的，當網格密度越密時，模型本身的計算也越復雜。三種網格密度下計算總時長均控制在30 分鐘內，均在可接受范圍內，故針對本隧道工程，選取網格密度為1m時，能得到最接近實際的效果。

3 隧道開挖支護方案優化對比

以廟子塆隧道為例，分析在注漿襯砌混凝土強度為C25、C30、C35 以及厚度為0.2m、0.3m、0.4m 下的支護效果對比，尋求隧道最優支護條件。

3.1 襯砌材料對支護的影響

為了獲得本項目工程最優襯砌支護材料，模擬過程依次選取C25、C30、C35 強度的混凝土作為變量，具體數值見表2 所示，計算結果如圖4～圖6 所示。

圖4 C25 襯砌支護下隧道開挖位移云圖

圖5 C30 襯砌支護下隧道開挖位移云圖

圖6 C35 襯砌支護下隧道開挖位移云圖

表2 混凝土強度參數取值表

由圖4～圖6 可知，C35 混凝土的支護效果最佳，C25 混凝土的支護效果最差，但把經濟成本以及實際支護效果納入考慮范圍后，隨著混凝土強度的增加，支護效果的影響要小得多。當混凝土強度等級從C30大到到C35，最大沉降僅減小了0.88%左右，支護優化效果已不是很明顯，本工程項目選擇C30 混凝土材料相對是綜合最優支護材料。

3.2 襯砌厚度對支護的影響

由上一節支護襯砌注漿混凝土強度等級選取可知，從支護效果和經濟角度綜合而言，并不是混凝土強度等級越高越好，當混凝土強度等級越高，雖然支護效果最好，但支護效益變化不大，當注漿混凝土強度選取C30 時最符合工況需求。選擇進行不同襯砌厚度0.2m、0.3m、0.4m 進行對比時，在數值模擬過程中保持其他條件不變而只改變襯砌注漿厚度，不同襯砌注漿厚度位移見圖7～圖9 所示。

圖7 襯砌厚度0.2m 支護下隧道開挖位移云圖

圖8 襯砌厚度0.3m 支護下隧道開挖位移云圖

圖9 襯砌厚度0.4m 支護下隧道開挖位移云圖

由圖7～9 可知，在不考慮成本的情況下，注漿厚度越厚，其支護效果最佳，注漿厚度為0.1m 時的支護效果最差，但把經濟成本納入考慮范圍后，注漿厚度為0.3m 時相對是綜合最優支護情況。

4 結論

（1）網格密度會影響模擬結果，網格越密，單元之間的連接越緊密，在后期計算時，應力和應變的傳播更易連續，但是也不是網格越密越好，當網格密度越密時，模型本身的計算也越復雜，故在分析時，選好合適的網格密度，才能更易得到實際結果的同時也節省計算時間成本。

（2）在不考慮成本的情況下，注漿混凝土強度越大，變形程度越小，但把經濟成本以及實際支護效果納入考慮范圍后，隨著混凝土強度的增加，支護效果的影響要小得多，混凝土強度等級從C30 大到到C35，最大沉降僅減小了0.88%左右。故綜上所述，C30混凝土材料相對是綜合最優支護材料。

（3）在不考慮成本的情況下，注漿厚度越厚，其支護效果最佳，但把經濟成本納入考慮范圍后，注漿厚度為0.3m 時相對是綜合最優支護情況。