下穿公路隧道大型三維有限元靜力仿真研究

陳佳正， 湯 華， 戴永浩

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430060；2 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

伴隨著大型有限元數(shù)值模擬軟件功能的日漸強(qiáng)大，軟件計(jì)算中能更真實(shí)地對(duì)模型邊界條件及圍巖的力學(xué)特性進(jìn)行模擬，在隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中能夠更為精確、細(xì)致地進(jìn)行模擬計(jì)算，使得人們更加重視有限元對(duì)結(jié)構(gòu)工程的模擬計(jì)算，其應(yīng)用也更為普及和成熟。劉和清[1]結(jié)合軟巖隧道下穿高速公路工程，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分析，得出上臺(tái)階側(cè)壁導(dǎo)洞施工過(guò)程中，如何確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的最不利位置。張頂立等[2]分別對(duì)兩、三臺(tái)階、雙側(cè)壁等施工法進(jìn)行三維有限元計(jì)算，經(jīng)過(guò)分析之后得出雙側(cè)壁施工過(guò)程中地面變形最小。譚忠盛、倪魯肅等[3]應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行了下穿高速公路的結(jié)構(gòu)變形模擬，得出了地表沉降的縱橫向沉降規(guī)律及主要影響因素。潘曉明[4]采用FLAC3D軟件對(duì)淺埋大跨度隧道下穿公路在有無(wú)行車(chē)荷載作用下施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比分析，結(jié)果表明，有無(wú)行車(chē)對(duì)隧道施工影響不大。胡玉林等[5]依托洺水隧道，借助數(shù)值分析，結(jié)合多個(gè)方面，研究隧道掘進(jìn)施工對(duì)上部公路的影響，得出有效減小開(kāi)挖對(duì)既有構(gòu)筑物影響的方法。余曉琳、羅霞[6]結(jié)合隧道工程，采用二維及三維模型對(duì)隧道下穿公路進(jìn)行模擬，研究隧道開(kāi)挖時(shí)的受力、變形及沉降，驗(yàn)證開(kāi)挖時(shí)支護(hù)方案的可行性。朱正國(guó)等[7]運(yùn)用有限元對(duì)隧道下穿工程作模擬研究，總結(jié)出有關(guān)沉降的相關(guān)系數(shù)及合理模型。趙繼生[8]結(jié)合實(shí)例，數(shù)值模擬隧道地表沉降，得出盾構(gòu)隧道變形呈槽狀且變形不大。劉庭金[9]對(duì)下穿工程進(jìn)行立體動(dòng)態(tài)研究，研究隧道施工時(shí)構(gòu)筑物變形程度，對(duì)施工工藝與方法進(jìn)行驗(yàn)證。胡獻(xiàn)竹[10]分析隧道開(kāi)挖時(shí)，隧道相應(yīng)結(jié)構(gòu)的受力變化，并結(jié)合相應(yīng)工程以應(yīng)用。

甸頭隧道地處大理到賓川段中的一處公路隧道，寬約17.5 m，中線(xiàn)相隔約29 m。根據(jù)規(guī)定：甸頭隧道截面面積為170 m2，其截面面積大于100 m2的為超大斷面隧道。隧道下穿大西二級(jí)公路處，上覆巖土性質(zhì)相對(duì)較差，隧道的開(kāi)挖極易導(dǎo)致圍巖大變形、引起路面沉降過(guò)大和開(kāi)裂、甚至發(fā)生路面坍塌。而隧道淺埋交叉段既有的大西二級(jí)公路區(qū)間車(chē)流量大，保通要求高，此類(lèi)安全問(wèn)題尤為重要。通過(guò)大型三維數(shù)值模擬隧道施工時(shí)相應(yīng)參數(shù)，及時(shí)給施工提供參考，確保既有公路的有效運(yùn)行。

1 計(jì)算模型

隧道為雙洞雙向隧道，左右幅隧道中線(xiàn)距離28 m，間距大于隧道凈空寬度(17.5 m)的1.5倍。因此，這里左右幅隧道的相互影響很小，僅考慮單幅隧道的開(kāi)挖影響。由于隧道的寬度接近17 m，隧道下穿的大西二級(jí)公路寬度為15 m，為消除邊界效應(yīng)的影響，建立如圖1所示的三維地質(zhì)模型圖，其中大西公路走向?yàn)閤方向，垂直于大西公路為y軸。模型的長(zhǎng)度(x方向)和寬度(y方向)分別為112 m、45 m，模型下表面取隧道底板以下24 m。

數(shù)值分析時(shí)網(wǎng)格剖分如圖1所示，其中隧道部分劃分共約7萬(wàn)個(gè)六面體單元，三維計(jì)算模型共有約40萬(wàn)計(jì)算單元。劃分單元在隧道附近劃分密集，以隧道為中心往外圍單元?jiǎng)澐謩t逐漸稀疏。

圖 1 三維模型有限元網(wǎng)格

數(shù)值計(jì)算材料參數(shù)如表1所示。

支護(hù)模擬：支護(hù)布置如圖2所示，超前管棚和超前小導(dǎo)管均選用六面體實(shí)體單元，共劃分6480單元。選用六面體單元來(lái)模擬新建隧道的初期支護(hù)和二次襯砌，將其切割成19 980個(gè)單元；選用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)性模型來(lái)模擬新建工程的錨桿，并將其切分為774個(gè)單元。

圖 2 支護(hù)布置圖

表1 數(shù)值計(jì)算材料參數(shù)表

在施工中模型分析的邊界條件均取為：計(jì)算模型下部為全部約束，計(jì)算模型兩側(cè)定義受法向的約束，地表定義成自由面。施工步驟：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及各方面的綜合考慮，選用三臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工。中、上兩部臺(tái)階每次掘進(jìn)進(jìn)尺2m，上部臺(tái)階比中部臺(tái)階超前開(kāi)挖5m，下臺(tái)階一次性掘進(jìn)10m，保持落后中部開(kāi)挖臺(tái)階10m。

2 洞頂位移變化

選取隧道下穿大西公路進(jìn)口處的隧道拱頂(圖3的點(diǎn)A)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，繪制其隨著隧道掘進(jìn)過(guò)程的位移曲線(xiàn)，其結(jié)果如圖4所示。

圖 3 隧道面監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖 4 拱頂沉降圖

從圖4中隧道拱頂沉降曲線(xiàn)可知： 1)隧道掌子面掘進(jìn)過(guò)程中，掌子面的推進(jìn)呈臺(tái)階形，相應(yīng)的拱頂沉降曲線(xiàn)形態(tài)也呈現(xiàn)臺(tái)階形; 2)隧道頂部的沉降變形主要受掌子面后方開(kāi)挖的影響。當(dāng)掌子面掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)控制斷面時(shí)，拱頂變形為0.8cm；當(dāng)掘進(jìn)越過(guò)監(jiān)測(cè)控制平面后，拱頂變形急劇增加。隨掌子面推進(jìn)，距離監(jiān)測(cè)控制面越來(lái)越遠(yuǎn)后，沉降變緩。最終拱頂沉降達(dá)到2.2cm。

選取隧道下穿大西公路進(jìn)口處的隧道收斂線(xiàn)(圖3的BC)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，繪制其隨著隧道開(kāi)挖過(guò)程的收斂變化，其結(jié)果如圖5所示。

圖 5 隧道收斂圖

從圖5中可以看出：在掌子面的下部臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，隧道的凈空收斂緩慢增加；當(dāng)開(kāi)始下臺(tái)階的開(kāi)挖時(shí)，凈空收斂繼續(xù)急劇增加，由0.32cm增加至1.25cm，后續(xù)的開(kāi)挖凈空收斂逐漸趨于穩(wěn)定，最終為1.22cm。

垂直與隧道走向的地表變形：選取隧道下穿大西公路進(jìn)口處的地表(圖6的斷面AA’)為對(duì)象，繪制其隨著隧道開(kāi)挖過(guò)程的位移變化，其結(jié)果如圖7所示。

圖 6 監(jiān)測(cè)斷面

圖 7 AA’面地表沉降圖

從圖7中可以看出：1) 隧道的開(kāi)挖導(dǎo)致地表沉降為漏斗形，隧道頂部對(duì)應(yīng)的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形最大，朝兩邊沉降變小，符合Peck公式；2) 隧道掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)平面時(shí)，隧道頂部對(duì)應(yīng)的地表最大沉降為0.6cm；掌子面掘進(jìn)到距離監(jiān)測(cè)斷面30m時(shí)，掌子面拱部對(duì)應(yīng)的地表最大沉降為1.55cm。

隧道軸向?qū)?yīng)的地表位移變化：選取隧道下穿大西公路進(jìn)口處的地表(圖6的斷面BB’)為對(duì)象，繪制掌子面推進(jìn)的過(guò)程中隧道軸向?qū)?yīng)的地表位移變化(圖8)。

圖8 隧道軸向地表沉降圖

從圖8中可以看出：1) 隨著隧道掌子面的掘進(jìn)，隧道軸向地表縱斷面的位移逐漸增大；2) 當(dāng)隧道全部貫通后，隧道進(jìn)口和出口對(duì)應(yīng)的地表最大變形值為1.8cm和1.3cm，沉降斜率為0.01cm/m。

3 圍巖主應(yīng)力分析

以監(jiān)測(cè)斷面AA’和BB’的應(yīng)力為分析對(duì)象，應(yīng)力分布如圖9和圖10所示。從圖中可以看出：引水隧道開(kāi)挖后，圍巖基本全部受壓，只有在初襯和圍巖接觸處出現(xiàn)少量受拉部位。壓應(yīng)力最不利位置分布于隧道的兩腰部，數(shù)值大小為1.32MPa。

(a)拉應(yīng)力 (b)壓應(yīng)力圖 9 監(jiān)測(cè)面AA’主應(yīng)力云圖 Pa

(a)拉應(yīng)力 (b)壓應(yīng)力 圖10 監(jiān)測(cè)面BB’主應(yīng)力云圖 Pa

塑性區(qū)分布：以監(jiān)測(cè)斷面AA’和BB’的塑性部位為分析對(duì)象，模擬結(jié)構(gòu)塑性變形圖如圖11所示。從圖中可以看出：隧洞開(kāi)挖后，圍巖塑性區(qū)主要集中在隧道腰部以下，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.0049。

(a)監(jiān)測(cè)斷面AA’ (b)監(jiān)測(cè)斷面BB’ 圖11 監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)分布圖

初襯受力分析：隧道開(kāi)挖完畢后 ，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力如圖12所示。從圖中可以看出，襯砌受到的拉應(yīng)力最不利值為10MPa，壓應(yīng)力最不利值為27Mpa。拉壓應(yīng)力均超過(guò)C25混凝土的抗壓/抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。

(a)拉應(yīng)力分布

(b)壓應(yīng)力分布 圖12 襯砌受力分布圖 Pa

4 結(jié)論

為研究當(dāng)前施工工法和支護(hù)方案下隧道圍巖的變形和上方既有公路受影響程度，運(yùn)用三維有限數(shù)值模擬法開(kāi)展甸頭隧道下穿高速公路分析，得到結(jié)果如下：

1) 隧道頂部的變形主要受掌子面后方施工的影響，最終拱頂沉降達(dá)到2.2cm; 隧道的凈空收斂數(shù)值主要受到掌子面下部臺(tái)階施工的影響，最終凈空收斂1.22cm。因此，隧道的施工對(duì)于公路的沉降變形影響在可控范圍，且表明該三臺(tái)階施工甸頭隧道是可行的；

2) 隧道開(kāi)挖引起隧道的橫斷面對(duì)應(yīng)的地表沉降為漏斗形，符合peck公式描述的沉降圖形形狀；掌子面掘進(jìn)所引起隧道軸向?qū)?yīng)的地表變形差異較小，最終隧道進(jìn)口和出口對(duì)應(yīng)的地表最大沉降值為1.8cm和1.3cm，沉降斜率為0.01cm/m，表明隧道在進(jìn)口和出口時(shí)，沉降差異不大，且皆符合變形控制要求；

3) 隧道開(kāi)挖后，隧道圍巖基本全部受壓，僅在初襯和圍巖接觸處出現(xiàn)少量受拉部位；最大的壓應(yīng)力數(shù)值分布與掌子面的腰部?jī)蓚?cè)，為1.32MPa；隧道圍巖結(jié)構(gòu)的塑性部位大部分分布于掌子面兩側(cè)腰部以下位置，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.0049，即隧道掘進(jìn)過(guò)程中最不利位置位于隧道兩側(cè)，即對(duì)于上部公路影響較?。?/p>

4) 隧道開(kāi)挖后，初襯受力較大。其所受的最大拉應(yīng)力值10MPa，最大壓應(yīng)力值27Mpa。拉壓應(yīng)力均超過(guò)C25混凝土的軸心抗拉/抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即開(kāi)挖時(shí)要加強(qiáng)對(duì)于初襯結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)和強(qiáng)化，避免出現(xiàn)拉壓破壞。