利用有限元分析連拱隧道中導(dǎo)洞超前支護(hù)的作用

王齊佩

中交四航局珠海工程有限公司

1 工程概況

級(jí)公路連拱隧道，起訖樁號(hào)為K105+132～K105+426，長(zhǎng)294m。隧道位于直線上，隧道縱坡為-1.406%的單向坡，設(shè)計(jì)標(biāo)高226.21m（進(jìn)口）～221.11m（出口），隧道最大埋深90m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地勘資料顯示，隧道進(jìn)口段、出口段圍巖為粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化砂巖，隧道上覆巖層土層第一層土為粉質(zhì)黏土，層厚約8.5m，第二層土為全風(fēng)化砂巖。且東山嶺隧道在進(jìn)口段、出口段埋深較淺，隧道埋深約20m，屬于淺埋隧道。東山嶺隧道采用三導(dǎo)洞法開挖，先施工中導(dǎo)洞，中導(dǎo)洞貫通后進(jìn)行中隔墻澆筑，中隔墻混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行隧道側(cè)導(dǎo)洞及主洞開挖。因此，中導(dǎo)洞隧道在中隔墻澆筑完成前，僅靠中導(dǎo)洞初期支護(hù)為主要支撐體系抵抗圍巖變形。中導(dǎo)洞隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于交通出行的需求越來(lái)越大，隧道以其方便快捷，大幅縮短線路距離的優(yōu)點(diǎn)在公路工程中得到廣泛使用。但部分隧道地質(zhì)情況較差，施工風(fēng)險(xiǎn)較高，本文利用有限元數(shù)值模擬分析的方法，對(duì)東山嶺隧道全風(fēng)化砂巖段隧道超前支護(hù)起到的作用進(jìn)行分析，形象展現(xiàn)隧道超前支護(hù)施作前后隧道圍巖變化情況，以增加對(duì)隧道超前支護(hù)施工質(zhì)量的重視，保證現(xiàn)場(chǎng)超前支護(hù)施工質(zhì)量，確保隧道在全強(qiáng)風(fēng)化砂巖下開挖施工安全。

東山嶺隧道位于河源市和平縣縣城境內(nèi)，為一座四車道一

2 有限元分析模型建立

有限元法分析模型采用MIDAS/NX 建立，MIDAS/NX 是由MIDAS IT 結(jié)構(gòu)軟件公司開發(fā)的巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，該軟件將通用的有限元分析內(nèi)核與巖土隧道結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求有機(jī)地結(jié)合，集合了豐富的材料本構(gòu)模型，可有效的對(duì)隧道各施工階段進(jìn)行分析，指導(dǎo)隧道施工。

模型建立前需對(duì)分析所需要的土體、錨桿、型鋼鋼架、噴射混凝土等材料進(jìn)行定義，具體參數(shù)如表2。

為減少建模工程量，鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，計(jì)算公式為：

表1 東山嶺隧道中導(dǎo)洞初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 隧道模型各項(xiàng)材料屬性參數(shù)表

式中：

E——為折算混凝土的彈性模量；

E0——為噴射混凝土初始彈性模量；

Sg——為鋼拱架截面面積；

Eg——為鋼材彈性模量；

Sc——為混凝土截面面積。

折算后噴射混凝土彈性模量為

各項(xiàng)材料及屬性定義完成后進(jìn)行隧道模型的建立，為得到隧道超前支護(hù)對(duì)隧道抵抗圍巖變形的作用，建立兩個(gè)計(jì)算模型，其中模型1 隧道施作超前支護(hù)，模型2 隧道不施作超前支護(hù)，其余的模型尺寸、網(wǎng)格分割方式方法、相關(guān)材料屬性等均相同。東山嶺連拱隧道中導(dǎo)洞開挖寬度為5.4m，開挖高度為6.6m；以中導(dǎo)洞隧道為中心，選取寬56m，高41m，長(zhǎng)40m的范圍建立模型。根據(jù)東山嶺隧道地質(zhì)詳勘資料，第一層土為粉質(zhì)黏土，層厚8.5m；第二層土為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，選取層厚為32.5m。

3 隧道循環(huán)開挖過(guò)程模擬

模型建立完成后，對(duì)中導(dǎo)洞開挖進(jìn)行施工階段定義。在MIDAS/NX中，可通過(guò)對(duì)隧道土體網(wǎng)格組的鈍化操作模擬實(shí)現(xiàn)隧道開挖施工，可通過(guò)對(duì)超前支護(hù)、系統(tǒng)錨桿、型鋼鋼架及噴射混凝土網(wǎng)格組的激活模擬實(shí)現(xiàn)隧道初期支護(hù)施工。施工階段定義完成后，需對(duì)初始階段進(jìn)行位移清零操作，用來(lái)模擬隧道開挖前土體的固結(jié)沉降。然后按照連拱隧道中導(dǎo)洞開挖施工的順序鈍化第一循環(huán)中導(dǎo)洞土體，激活此循環(huán)超前支護(hù)及初期支護(hù)網(wǎng)格組，然后再進(jìn)行鈍化中導(dǎo)洞下一循環(huán)開挖土體，循環(huán)模擬至中導(dǎo)洞開挖結(jié)束。主要采用以下兩個(gè)模型進(jìn)行模擬并進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)分析，流程如下：

模型1：隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺按照0.5m一循環(huán)進(jìn)行模擬，隧道開挖按照超前支護(hù)→洞身開挖→錨桿、鋼拱架施工→噴射混凝土→下一循環(huán)超前支護(hù)→下一循環(huán)洞身開挖的順序進(jìn)行。模型2：隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺按照0.5m一循環(huán)進(jìn)行模擬，隧道開挖按照洞身開挖→錨桿、鋼拱架施工→噴射混凝土→下一循環(huán)洞身開挖的順序進(jìn)行。施工過(guò)程中超前支護(hù)對(duì)整個(gè)中導(dǎo)洞的開挖安全起著至關(guān)重要的作用，模型建立完成后，對(duì)中導(dǎo)洞開挖進(jìn)行施工的每個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把控，以確保有更準(zhǔn)確的結(jié)果。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

施工階段定義完成后，對(duì)兩個(gè)模型分別進(jìn)行運(yùn)行求解。求解完成后，對(duì)兩個(gè)模型后處理結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。分別提取模型1、模型2 中提取中導(dǎo)洞第一循環(huán)、第十循環(huán)及最后一循環(huán)開挖結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)模型1 結(jié)果，在隧道設(shè)置超前支護(hù)情況下，隧道進(jìn)行第一循環(huán)開挖時(shí)，導(dǎo)洞拱頂最大沉降值為2.04mm，拱底最大隆起值為4.43mm；進(jìn)行第十循環(huán)開挖時(shí)，中導(dǎo)洞拱頂最大沉降值為2.58mm，拱底最大隆起值為7.25mm；進(jìn)行最后一循環(huán)開挖時(shí)，中導(dǎo)洞拱頂最大沉降值為4.72mm，拱底最大隆起值為7.69mm。根據(jù)模型2結(jié)果，在隧道不設(shè)置超前支護(hù)情況下，隧道進(jìn)行第一循環(huán)開挖時(shí)，導(dǎo)洞拱頂最大沉降值為3.54mm，拱底最大隆起值為6.3mm；進(jìn)行第十循環(huán)開挖時(shí)，中導(dǎo)洞拱頂最大沉降值為6.98mm，拱底最大隆起值為7.77mm；進(jìn)行最后一循環(huán)開挖時(shí)，中導(dǎo)洞拱頂最大沉降值為7.56mm，拱底最大隆起值為

7.72mm。

5 結(jié)論

對(duì)模型1、模型2計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可得出如下幾個(gè)結(jié)論。

（1）隧道在進(jìn)行超前支護(hù)后，隧道拱頂沉降量明顯減少，隧道進(jìn)行開挖過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)明顯降低；但是隧道進(jìn)行出洞時(shí)，拱部沉降變形偏大，施工過(guò)程中需做好對(duì)洞口超前長(zhǎng)管棚施工質(zhì)量的控制，確保隧道出洞安全。

（2）東山嶺連拱隧道中導(dǎo)洞設(shè)計(jì)圖中隧底未設(shè)置支護(hù)，根據(jù)兩次模擬情況可知，隧道拱底隆起量基本相同，且偏大，后續(xù)進(jìn)行開挖施工時(shí)，需注意中導(dǎo)洞隧底隆起的問題。

（3）隧道在進(jìn)行超前支護(hù)后，開挖面附近最大變形處位于掌子面偏上位置，中導(dǎo)洞開挖完成后，進(jìn)行錨桿施作及拱架安裝前，可在掌子面初噴一層混凝土以確保施工安全。

本次建模仍有許多不足，未曾考慮隧道開挖過(guò)程中地下水位變化、隧道爆破震動(dòng)荷載等因素對(duì)隧道圍巖變形的影響。但是通過(guò)本次建模分析，加深了對(duì)超前支護(hù)的受力認(rèn)知及超前支護(hù)重要性的理解，為后續(xù)施工提供了理論基礎(chǔ)。本文的論述只建立在本項(xiàng)目工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行，以期為后續(xù)的施工以及類似工程提供一點(diǎn)點(diǎn)微薄的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。