深埋式地下輸水隧洞初支二襯數(shù)值模擬方法分析

【摘要】目前有限數(shù)值模擬分析廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在水利工程發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文利用MIDAS GTS NX巖土隧洞專用有限元分析軟件，以某長(zhǎng)距離輸水工程為依托，對(duì)其深埋式地下輸水隧洞典型橫斷面的開(kāi)挖、初期支護(hù)、二次襯砌等施工過(guò)程采用不同數(shù)值模擬的方法。通過(guò)對(duì)不同數(shù)值模擬方法的分析，總結(jié)出各種模擬方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為以后其它類似工程的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】輸水隧洞；初期支護(hù)；二次襯砌；數(shù)值模擬

1.工程概述

某工程3#輸水隧洞樁號(hào)為45+368.3～164+601.9，全長(zhǎng)119.23km。隧洞處于低中山區(qū)，洞底埋深30～610m，沿線圍巖工程地質(zhì)分類為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，局部還有土洞段。隧洞設(shè)計(jì)縱坡為1/2500～1/3000，設(shè)計(jì)斷面為城門洞型、圓型和馬蹄型。

本次模擬選取3#隧洞150+200.0樁號(hào)處的典型橫斷面，地面高程1278m，洞底埋深308m。巖溶地下水位位于洞底以下，洞身穿過(guò)奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組中段厚層灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r，圍巖為中硬巖，工程地質(zhì)分類為Ⅳ類，采用鉆爆法施工，斷面為圓形，直徑4.3m，設(shè)計(jì)水深3.32m。隧洞初期支護(hù)為噴C20混凝土100mm厚，頂拱范圍內(nèi)設(shè)Φ25系統(tǒng)錨桿，長(zhǎng)2m間排距1m梅花形布置；二次襯砌為C25鋼筋混凝土300mm厚。

2.MIDAS GTS NX軟件簡(jiǎn)介

Midas GTS NX是北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的“巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件”。 軟件可便捷實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型在靜動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)分析，包括施工階段分析、應(yīng)力分析、動(dòng)力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、邊坡穩(wěn)定分析、襯砌分析和設(shè)計(jì)功能，并提供莫爾庫(kù)倫、修正莫爾庫(kù)倫、鄧肯-張、修正劍橋等14種本構(gòu)模型；除此之外軟件還提供便捷的幾何建模功能、地形生成器、隧道建模助手、錨桿建模助手以及豐富的后處理結(jié)果；可以廣泛應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)、巖土、水工、地質(zhì)、礦山、隧道等巖土工程。

3.建立數(shù)值模型

3.1 模型建立條件

本次建模過(guò)程滿足以下條件：

（1）輸水隧洞的受力和變形是平面應(yīng)變問(wèn)題，不考慮空間效應(yīng)，采取二維計(jì)算模型。

（2）所有的地層圍巖、結(jié)構(gòu)材料均為連續(xù)、均勻、各向同性材料。

（3）根據(jù)地勘資料，選取斷面位置無(wú)應(yīng)力集中，初始地應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力。

（4）隧洞開(kāi)挖應(yīng)力重分布采取荷載釋放系數(shù)模擬，隧洞開(kāi)挖、初期支護(hù)、二次襯砌荷載釋放系數(shù)分別為0.4、0.3、0.3。

3.2 模型建立

根據(jù)彈塑性理論，參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D70-2004）》，計(jì)算模型范圍的選取通常按照隧洞跨度和高度確定：隧洞左右邊界取3～5倍跨度，上下邊界取3～5倍高度。在模型所取范圍之外，可以認(rèn)為不受隧洞開(kāi)挖影響。此外，還應(yīng)在邊界上施加約束，確保模型不發(fā)生剛體位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。

選取的輸水隧洞為圓形斷面，開(kāi)挖直徑為5.1m，模型的上下、左右邊界均取5倍洞徑即25.5m。為使模型不發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，在模型底部施加X(jué)、Y方向約束，在左右邊界施加X(jué)方向約束，頂部不施加約束。

3.3 模型物理參數(shù)的選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料，模型范圍內(nèi)從上到下巖層依次為泥灰?guī)r和白云巖。參照以往的工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，確定各巖層、初期支護(hù)和二次襯砌的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3-1。

4.施工階段數(shù)值模擬

隧洞開(kāi)挖以后，圍巖應(yīng)力的釋放是一個(gè)持續(xù)過(guò)程，通過(guò)GTS NX施工階段的數(shù)值模擬分析，可以更好地了解初期支護(hù)，二次襯砌的內(nèi)力以及圍巖變形情況。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，隧洞采用全斷面開(kāi)挖，初支噴射混凝土不考慮硬化時(shí)間效應(yīng)，本次施工階段模擬分為初始地應(yīng)力、隧洞開(kāi)挖、初期支護(hù)、二次襯砌四個(gè)階段。

4.1 第一種方法：二次襯砌作為初期支護(hù)的增加部分，初支梁?jiǎn)卧M，二襯邊界條件里改變屬性模擬

這種數(shù)值模擬方法分為以下幾個(gè)步驟：

（1）定義材料。打開(kāi)GTS NX軟件，在材料模塊下，新建材料輸入圍巖地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)，其中支護(hù)結(jié)構(gòu)材料選擇彈性模型，圍巖地層選擇摩爾庫(kù)倫模型。

（2）定義屬性。在屬性模塊下，新建輸入圍巖地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、截面信息。地層圍巖選用平面應(yīng)變單元；錨桿選用一維植入式桁架單元，截面為實(shí)心圓形D=0.025m；噴混凝土和二次襯砌均采用梁?jiǎn)卧?，截面均為?shí)心矩形，尺寸分別為H=0.1m、B=1m和H=0.4m（初支0.1m+二襯0.3m）、B=1m。

（3）導(dǎo)入二維CAD“DXF”格式模型線框，劃分網(wǎng)格。

首先，以0.5m為控制尺寸對(duì)隧洞內(nèi)部平面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并賦予白云巖屬性，然后以1.0m為控制尺寸分別對(duì)泥灰?guī)r和白云巖地層進(jìn)行平面網(wǎng)格劃分并賦予相應(yīng)的圍巖屬性。

其次，對(duì)錨桿、噴混凝土分別通過(guò)“析取”的方式進(jìn)行一維梁?jiǎn)卧W(wǎng)格劃分并賦予相應(yīng)屬性。

再次，通過(guò)邊界條件里改變屬性模塊，選中隧洞幾何線，賦予二襯屬性

（4）對(duì)劃分好的網(wǎng)格組定義荷載和邊界條件。因不考慮構(gòu)造應(yīng)力，對(duì)網(wǎng)格組加自重荷載和自動(dòng)約束邊界。

（5）定義施工階段。施工階段分為初始地應(yīng)力、隧洞開(kāi)挖、初期支護(hù)、二次襯砌四個(gè)階段。

初始地應(yīng)力階段：將隧洞、泥灰?guī)r、白云巖網(wǎng)格組，自重荷載和自動(dòng)約束邊界激活，并將初始位移勾選清零。

隧洞開(kāi)挖階段：將錨桿網(wǎng)格組激活，隧洞網(wǎng)格組鈍化，并設(shè)置荷載釋放系數(shù)0.4、0.3、0.3模擬從當(dāng)前步開(kāi)始應(yīng)力重分布的釋放過(guò)程。

初期支護(hù)階段：將初支網(wǎng)格組激活。

二次襯砌階段：將二襯網(wǎng)格組激活。

（6）運(yùn)行分析。從運(yùn)行結(jié)果中，可以查看施工過(guò)程中各階段中一維單元內(nèi)力、位移和平面應(yīng)變。

4.2 第二種方法：二次析取隧洞幾何線框模擬二次襯砌施加，初支、二襯均用梁?jiǎn)卧M。

這種數(shù)值模擬方法步驟同方法一，在定義屬性時(shí)將二襯截面定義為實(shí)心矩形H=0.3m、B=1m，網(wǎng)格劃分時(shí)將隧洞一維幾何線框二次析取為二襯梁?jiǎn)卧獙傩?，修改二次襯砌施工階段，運(yùn)行分析即可得出結(jié)果。

4.3 第三種方法：兩次劃分二襯位置網(wǎng)格，賦予其不同屬性來(lái)模擬二次襯砌施加，初支梁?jiǎn)卧M，二襯平面應(yīng)變模擬。

這種數(shù)值模擬方法步驟同方法一，在定義屬性時(shí)，二襯屬性改為平面應(yīng)變；劃分網(wǎng)格時(shí)，在二襯位置劃分兩次網(wǎng)格，分別賦予白云巖和二襯屬性，在相應(yīng)的階段將這兩種網(wǎng)格激活或鈍化，修改施工階段運(yùn)行分析即可得出分析結(jié)果。

5.三種數(shù)值模擬方法分析

第一種模擬方法建模簡(jiǎn)單，在考慮初支模型基礎(chǔ)上只需要通過(guò)邊界條件“修改屬性”添加厚度增加的二襯，就可以近似的考慮二襯的支護(hù)作用，但不能將初支和二襯的內(nèi)力分別顯示，只能把兩者對(duì)圍巖總的支護(hù)效應(yīng)體現(xiàn)出來(lái)。

第二種模擬方法初支和二襯在同一位置的梁?jiǎn)卧?，單元完全重合，二襯作為二次支撐結(jié)構(gòu)來(lái)受力，建模相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果中可以分別顯示初支和二襯的內(nèi)力圖，但不能考慮初支和二襯之間的相互滑移。

第三種模擬方法需在二襯的位置劃分兩次網(wǎng)格，分別賦予不同的屬性，在相應(yīng)的階段將這兩種網(wǎng)格激活或鈍化，能夠模擬變截面二襯或者二襯厚度較大的模型，顯示二襯平面應(yīng)力，但是建模比較復(fù)雜，不能顯示二襯的內(nèi)力。

6.結(jié)語(yǔ)

三種數(shù)值模擬方法都可以近似模擬深埋式地下輸水隧洞開(kāi)挖、初期支護(hù)、二次襯砌施工過(guò)程，每種模擬方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在以后的工程設(shè)計(jì)中，可以利用這些方法對(duì)施工階段模擬分析，更好的服務(wù)工程。