基于有限元軟件的隧道開挖變形分析

魏盛昊

摘要： 采用大型非線性有限元軟件模擬隧道開挖變形，建立了隧道開挖變形的二維有限元分析模型。利用有限元軟件的單元壽命和死亡函數(shù)，對基坑開挖和支護過程進行了動態(tài)模擬。分析了單側(cè)導(dǎo)坑法對隧道圍巖變形的影響。結(jié)果表明，單側(cè)導(dǎo)坑法引起的變形縮回隧道。穹頂?shù)腪方向位移變化很大，Y方向的位移變化很小。另外，還分析了螺栓位移的變化，進一步說明了單側(cè)導(dǎo)坑施工方法對隧道圍巖變形的影響。此時，錨被拉起并起到懸掛作用。

Abstract： The large-scale non-linear finite element software is used to simulate the tunnel excavation deformation， and a two-dimensional finite element analysis model of tunnel excavation deformation is established. The dynamic simulation of excavation and support process of foundation pit is carried out by using the element life and death function of finite element software. The influence of unilateral pilot pit method on tunnel surrounding rock deformation is analyzed. The results show that the deformation caused by the one-sided pilot method retracts to the tunnel. The Z-direction displacement of the dome varies greatly， while the Y-direction displacement varies little. ?In addition， the change of bolt displacement is also analyzed， and the influence of construction method of unilateral guide pit on the deformation of surrounding rock of tunnel is further explained. At this point， the anchor is pulled up and suspended.

關(guān)鍵詞：隧道;開挖;變形;數(shù)值分析

Key words： tunnel;excavation;deformation;numerical analysis

中圖分類號：U455.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0092-03

0 ?引言

挖掘洞穴后，在巖石和土壤中形成自由變形空間。 最初處于擠壓狀態(tài)的圍巖由于結(jié)合力的釋放而經(jīng)歷膨脹變形。當(dāng)這種變形超過周圍巖石本身的能力時，周圍的巖石將被破壞，導(dǎo)致分離，坍塌，滑動和膨脹。高速公路隧道開挖后，低強度圍巖的塑性變形和破壞將不能滿足卸荷回彈和應(yīng)力重新分布的要求。隧道的變形和破壞通常是由隧道巖體的高應(yīng)力集中引起的。從低強度的最弱部分（特別是最大主應(yīng)力和腔周圍的垂直部分）開始，逐漸發(fā)展成巖體內(nèi)應(yīng)力-強度關(guān)系的亞弱部分。影響圍巖穩(wěn)定性的兩類因素為：巖性，巖體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力條件等自然因素，人為因素，如挖掘和支持方法，秩序和爆破規(guī)則。本文采用有限元軟件進行隧道開挖和支護仿真。

1 ?工程實例

工程實例為西安隧道3號線，里程為K30+820。太古宙鞍山衢溝組周圍的巖石主要為麻粒巖，鄂倫施石和Ying片巖。巖體相對完整，體積大，質(zhì)量大，接縫局部發(fā)育，結(jié)構(gòu)表面微弱。圍巖具有良好的完整性和穩(wěn)定性，屬于三級圍巖。這里沒有倒拱隧道，埋深為175m，主要支撐為錨噴支護，采用長度為2m的灌漿錨，間距為1.5m;C25鋼纖維混凝土10cm;二次襯砌為35cm的鋼纖維混凝土。

2 ?有限元軟件數(shù)值模擬

在計算巖土變形和穩(wěn)定性方面，有限元軟件具有很強的優(yōu)勢，在巖土材料模型上更能體現(xiàn);提供各種地質(zhì)斷層，關(guān)節(jié)裂隙處理方法;多孔介質(zhì)屬性與各種非線性巖土工程模型相結(jié)合，用于滲流，固結(jié)沉降和滲流/結(jié)構(gòu)/溫度場耦合分析。

2.1 有限元模型的簡化

從軟件角度看，重力引起變形，初始襯砌單元和圍巖邊界是常見的，圍巖的變形導(dǎo)致支撐邊界單元的零應(yīng)力變形并改變襯砌的形狀。如果將初始地應(yīng)力場應(yīng)用到模型中，則初始應(yīng)力場和重力平衡可以完全消除支護單元出現(xiàn)之前的干擾變形，從實用的角度模擬巖體中的自然重力應(yīng)力。利用有限元軟件提供的初始地應(yīng)力法輸入模擬地應(yīng)力場。該模擬使用有限元軟件程序，土壤使用Mohr-Coulomb材料模型;錨桿由線性彈性材料制成，并由鋼筋單元模擬;采用混凝土材料模擬混凝土，采用單元出生/死亡函數(shù)模擬隧道開挖和主要支護的整個過程，選擇單側(cè)導(dǎo)坑法。數(shù)值計算參數(shù)見表1。下面采用K30+820的橫截面進行數(shù)值模擬分析。

2.2 有限元模型參數(shù)設(shè)置

二維模型的尺寸為300m×300m，由平面應(yīng)變問題求解，模型的下邊界是固定的Z方向位移。左邊界和右邊界都使用固定的Y方向位移約束。地表上方不施加荷載。

單元生死的定義：對于單壁導(dǎo)坑法的挖掘，10.1（為避免四舍五入誤差，設(shè)定單位壽命和死亡時間略早于想象時間），隧道的左上部分被挖掘，20.1時刻左上部錨桿和混凝土支護生成，30.1時刻隧洞左下部開挖，40.1左下部錨桿和混凝土支護生成，在50.1時，隧道的右上部被挖掘。 80.1生成右下錨和混凝土支撐，分8步完成，步長為10。在隧道開挖階段加載整體的0.5，噴錨支護階段加載0.25，噴射混凝土階段加載0.25，因此設(shè)置的單元殺死的延遲時間為4。

2.3 隧道開挖模擬過程

巖土結(jié)構(gòu)（包括隧道開挖和支撐系統(tǒng)）的內(nèi)力和變形通常與其施工過程密切相關(guān)。

當(dāng)采用有限元方法模擬開挖和施工過程時，將有限元網(wǎng)格劃分成施工過程的最大區(qū)域比較容易。開挖模擬步驟如下：①在施工過程中，對模擬區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，在初始狀態(tài)下將巖體單元設(shè)置為“原始”狀態(tài)。在每個計算步驟中，殺死混凝土襯砌單元，只考慮處于“活躍”狀態(tài)的單元;②計算土的初始應(yīng)力，通過原始巖石應(yīng)力場求出應(yīng)力;③在開挖的第一步中開挖待開挖的巖體單元;④在這個步驟中建造混凝土襯砌;⑤根據(jù)上述步驟③和④連續(xù)計算，直到施工完成。

2.4 模擬方案

首先，沿隧道的軸向截面從上到下分為兩層。單側(cè)導(dǎo)坑方法用于挖掘方案，如圖1所示。圖中的字母A-F代表各種挖掘區(qū)域。 單側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖順序 B—A—C—D—E—F。

3 ?數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 方案網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格密度的劃分：利用網(wǎng)格密度（ Meshing Density）功能，將一次襯砌和二次襯砌沿厚度方向網(wǎng)格兩個單元節(jié)點間的距離劃分成1，其余線的倆單元節(jié)點間的距離劃分成3。（圖2）

3.2 塑性區(qū)范圍

對應(yīng)于單面開挖的開挖方法，圍巖塑性區(qū)的深度與其他開挖方案基本相同，但采用單面開挖法開挖成塑性狀態(tài)的單元數(shù)量差異較大除隧道頂部的影響范圍外，單側(cè)開挖的塑性區(qū)單元數(shù)量少于其他開挖方式。

然而，從進入塑性狀態(tài)的構(gòu)件的機械性能來看，通過單側(cè)導(dǎo)孔方法生產(chǎn)的構(gòu)件的數(shù)量明顯多于其他方法，尤其是隧道底部的塑料區(qū)域?？梢钥闯?，在相同的工程條件下，不同開挖方案的周圍塑性區(qū)范圍和圍巖應(yīng)力破壞特征存在顯著差異。也就是說，圍巖的塑性區(qū)范圍和應(yīng)力狀態(tài)與歷史加載過程密切相關(guān)。圍巖不同部位卸荷。

3.3 應(yīng)力結(jié)果

與單側(cè)導(dǎo)坑開挖方案對應(yīng)的隧道圍巖應(yīng)力場分布如圖3-6所示。在單側(cè)導(dǎo)坑開挖方法中，隧道側(cè)圍巖存在較大面積的壓應(yīng)力集中。應(yīng)力場的分布非常相似，但應(yīng)力值的大小卻大不相同。

圖4和圖6，在許多施工方法的開挖過程中，圍巖兩側(cè)的應(yīng)力值急劇增加。單側(cè)開挖法圍巖右側(cè)的應(yīng)力值也急劇增加。應(yīng)力突增的原因是由于不同的開挖順序造成的。不同的施工方法有不同的原因。例如，雙側(cè)隧道的斷面從底部兩側(cè)同時開挖，然后逐漸向上形成，應(yīng)力值逐漸穩(wěn)定增加。

隧道圍巖應(yīng)力場分布的差異在于不同的開挖過程中不同的應(yīng)力場分布存儲在隧道圍巖中。也就是說，在裝載和卸載并裝載隧道圍巖的不同部分之后，應(yīng)力場分布是歷史過程的實施例。

3.4 位移場規(guī)律

圖7-9顯示了圍巖的位移場分布。在單側(cè)導(dǎo)向法施工中，單壁導(dǎo)向法的最大位移發(fā)生在挖掘側(cè)拱肩處，而相對較小的位移發(fā)生在隧道底部。這是因為挖掘從隧道的左上部開始，工作面由頂部t形成從左到右。

圖8和圖9比較了施工開挖過程中洞室的水平和豎向位移。頂部的位移變形大于底部的位移變形。從隧道開挖開始，圍巖的變形能量開始釋放。隧道圍巖的位移場隨開挖過程而變化。也就是說，隧道圍巖位移場的變化與裝載和卸載圍巖不同部分的歷史過程密切相關(guān)。

4 ?結(jié)論

①根據(jù)西安隧道開挖的數(shù)值模擬分析，可以看出，由于不同的開挖方案，隧道圍巖的應(yīng)力和位移變形不同，塑性范圍也不同。由于隧道結(jié)構(gòu)和巖土介質(zhì)的高度非線性，其結(jié)構(gòu)特征隨施工過程而變化。整個機械過程不遵循疊加原理，其力學(xué)性能與開挖過程密切相關(guān)。

②采用有限元軟件模擬單壁導(dǎo)坑法開挖方案，觀察單側(cè)導(dǎo)坑法的位移，變形和安全系數(shù)。綜合考慮，單壁導(dǎo)坑法是工程應(yīng)用中最安全的施工方法，西安隧道施工方案也采用半截面法。為施工期間隧道施工和各種機械性能提供有效的施工方法，確保隧道施工和運營過程中的安全穩(wěn)定。

③但是，數(shù)值模擬也存在一些不足。對于特定項目，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和實際圍巖參數(shù)計算初始地應(yīng)力。

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