基于Flac3D的臨臨高速魯山隧道數值仿真與位移分析

【摘 要】基于公路隧道的研究，利用Flac3D軟件進行相關計算。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，有助于預測開挖狀態、在開挖過程中應力與應變的變化來幫助找出可能存在的問題，同時可以為施工提供部分理論依據及參考，也為工程建設的安全提供了更近一步的保障。

【關鍵詞】隧道； 數值模擬； 新奧法； 復合式襯砌

【中圖分類號】U455.48【文獻標志碼】A

0 引言

近些年來，交通運輸在我國基礎建設中占據著十分重要的位置，推動我國經濟高速發展。在道路交通中有公路、橋梁和隧道等形式。其中隧道是關鍵組成部分。并且隧道也大量出現在公路、礦業、鐵路、水利工程、市政工程、國防安全等領域。對于隧道圍巖穩定性的研究中，數值模擬是一種常用的方法；谷拴成等［1］等利用數值模擬，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］，用ABAQUS軟件進行了數值模擬，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、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］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］等采用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。

本文是以臨臨高速魯山隧道為工程依托，利用了有限元軟件Flac3D進行數值模擬分析，基于模擬分析的結果，預測開挖過程中的種種問題，為施工提供了一些理論依據，為建筑工程提供了良好的保障。

1 工程概況

臨淄至臨沂高速公路工程LLKCSJ-1標段魯山隧道工程位于淄博市博山區池上鎮店子村東南側約1 200 m處，該隧道為分離式隧道，隧道左線軸線起止樁號為ZK76+423～ZK79+870，長3 447.0 m，隧道右線軸線起止樁號為K76+441～K79+883，長3 442.0 m，擬建隧道屬雙向六車道特長隧道（表1、圖1）。

根據本次工程項目的情況，目前擬采用分離式（單洞）隧道的施工開挖方式。根據巖體的穩定性、隧道跨度等條件，分離式隧道（單洞）的開挖方法可采用全斷面法、臺階法二種方法。

2 應用數值模擬技術的隧道應力、模擬分析

2.1 模型的建立

現確定盾構開挖隧道所建模型的邊界尺寸，根據經驗30 m為隧道圍巖的影響區，每個網格邊長取0.5 m，所以最終模型的高為30 m、寬為30 m、縱向長度為30 m（圖2）。

2.2 分析計算結果

IV級圍巖全斷面開挖、兩臺階法開挖，在IV級圍巖條件下，使用全斷面開挖，可得到隧道豎直方向應力分布如圖3所示。當使用兩臺階法開挖時，可以得到隧道豎直方向應力分布如圖4所示。全斷面法開挖水平應力云圖如圖5所示；臺階法開挖水平應力云圖如圖6所示。

根據模擬結果，可以知道在隧道及隧道圍巖內哪些部分是塑性區、在模擬過程中出現的塑性區以及當前存在的塑性區。分析這些塑性區，可以為隧道的支護提供數據參考并確保施工順利進行。根據圖7、圖8可知，當采用全斷面法開挖時，由于一次開挖成型，開挖的斷面較大，在隧道周圍的圍巖中，尤其是拱腳和直墻底角部分會產生應力集中現象，塑性區面積較大，對于施工是較為不利的。當采用臺階法開挖時，由于開挖斷面減小會減輕應力集中現象，利于圍巖的穩定。

通過繪制輪廓豎向位移云圖，得到圖9、圖10。可以發現采用兩臺階法的拱頂和隧道底板的豎向位移要略小于全斷面法開挖的拱頂和隧道底板的豎向位移，這說明采用臺階法開挖對于控制拱頂沉降與底板隆起有更好的效果，有利于圍巖穩定。

通過對比圖11與圖12，可以得出臺階法開挖對于側向圍巖的穩定效果要略好于全斷面法。

綜上所述，在圍巖條件較好時可以采用全斷面法，保證開挖效率，施工復雜程度較小；采用臺階法開挖時，可以較好地控制圍巖變形，但是工序較全斷面法復雜。在施工時可以根據實際需要進行開挖方式的選擇。

V級圍巖兩臺階法開挖、三臺階法開挖： 在V級圍巖條件下，使用兩臺階法開挖，可得到隧道豎直方向應力分布如圖13所示。當使用三臺階法開挖時，可以得到隧道豎直方向應力分布如圖14所示。兩臺階法開挖水平應力云圖如圖15所示；三臺階法開挖水平應力云圖如圖16所示。

根據圖17、圖18可知，當采用兩臺階法開挖時，在隧道周圍的圍巖中產生的塑性區較小，圍巖穩定性會好一些。當采用三臺階法開挖時，雖然一次開挖的巖體體積較小，但開挖會產生較大的塑性區，說明當采用此方法開挖時要注意周圍巖體的穩定性［7］。

通過繪制輪廓豎向位移云圖，得到圖19、圖20。可以發現采用三臺階法開挖的拱頂和隧道底板的豎向位移約為采用兩臺階法開挖的拱頂和隧道底板的豎向位移的1/2，這說明采用三臺階法開挖對于控制拱頂沉降與底板隆起有更好的效果，有利于圍巖穩定。

通過對比圖21與圖22，可以得出三臺階法開挖對于側向圍巖收斂的控制效果要好于兩臺階法開挖。

圖23至圖26分別是在兩臺階法和三臺階法施工的條件下對于拱頂以及側壁的位移監測曲線［8］。可以更加直觀地看出三臺階法對于控制隧道收斂變形的良好效果，其豎向位移控制在了2.6左右，整體位移范圍大幅度減少。

綜上所述，在該V級圍巖條件下進行隧道開挖時，為減小隧道整體的位移變形量，最好使用三臺階法開挖。但在施工開挖時需要注意及時進行監控量測［9］，以便及時發現可能發生的危險，及時調整開挖方案。

3 結論與討論

本文擬建了一條公路隧道，確定了其施工方式為新奧法，然后利用Flac3D軟件進行相關計算，確定其開挖方式為全斷面和臺階法，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，可以得到結論：

（1）全斷面法開挖時，在拱腳和直墻底角部分會產生應力集中現象，塑性區面積較大，對于施工是較為不利的。當采用臺階法開挖時，由于開挖斷面減小會減輕應力集中現象，利于圍巖的穩定。

（2）采用臺階法開挖對于控制拱頂沉降與底板隆起有更好的效果，有利于圍巖穩定。

（3）采用三臺階法開挖對于控制拱頂沉降與底板隆起有更好的效果，有利于圍巖穩定。

（4）三臺階法對于控制隧道收斂變形的良好效果。

參考文獻

［1］ 谷拴成，黃榮賓.CRD法和臺階法施工對地鐵隧道圍巖變形的影響［J］.建筑科學與工程學報，2014，31（1）：111-119.

［2］ 陳云騰，孫振華.越嶺特長公路隧道施工圍巖穩定性分析［J］.公路，2021，66（5）：332-337.

［3］ 柳越文.公路隧道圍巖錨桿支護優化研究［J］.西部交通科技，2021（12）：85-90.

［4］ 關玲.不同的開挖方式對公路隧道圍巖穩定性影響分析——以重慶公路隧道為例［J］.公路工程，2019，44（1）：156-160.

［5］ 邵珠山，李曉照，陳福成，等.大跨軟巖公路隧道圍巖穩定性分析［J］.地下空間與工程學報，2012，8（6）：1221-1227+1243.

［6］ 王輝.埋深和坡度對淺埋隧道圍巖穩定影響的敏感性分析［J］.現代隧道技術，2017，54（4）：91-96.

［7］ 李茂良，龍欽初.不同開挖方式下淺埋隧道施工數值模擬分析［J］.湖南交通科技，2016.

［8］ Yafei Liu，Songan Liu.FLAC3D Simulation Analysis of Excavation and Supporting Structure of Deep Foundation Pit［J］.International Journal of Earth Sciences and Engineering，2016，9（5）.

［9］ Dong Liang Guo，De Shen Zhao. Analysis Based on FLAC3D of Surface Subsidence Caused by a Double-Tube Parallel Tunnel Excavation［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，2659.

［作者簡介］朱國政（1976—），男，專科，工程師，從事工程管理工作；呂貴賓（1976—），男，本科，高級工程師，從事路橋施工技術工作。