隧道異形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)自動(dòng)化建模及安全評(píng)價(jià)

陳 江 劉敏捷

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng)，550081）

0 引 言

由于工程地質(zhì)、施工條件以及管理因素造成了隧道超欠挖，從而導(dǎo)致初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不符，即初支“異形結(jié)構(gòu)”，最終造成結(jié)構(gòu)極限承載能力、運(yùn)行變形量的變化。同時(shí)，超欠挖還會(huì)改變圍巖的受力特征、影響圍巖的穩(wěn)定［1］。

對(duì)于由于超欠挖導(dǎo)致的初期支護(hù)異形結(jié)構(gòu)，王明年等［2-3］采用理論解析結(jié)合自適應(yīng)有限元的方法，分析了超挖對(duì)隧道應(yīng)力狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超挖存在時(shí)，對(duì)應(yīng)力集中有較大影響，欠挖存在時(shí)，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定影響，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析初步揭示了變異系數(shù)與不同襯砌厚度間的關(guān)系［4］。吳劍、楊建宏［5-6］則通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)等設(shè)備對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)掃描獲取的數(shù)據(jù)，獲取了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度分布規(guī)律，通過(guò)數(shù)值分析等方法，獲取了襯砌結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)值及其可靠度的分析函數(shù)，作為施工安全性的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。施成華、彭立敏等［7-8］將襯砌結(jié)構(gòu)分塊并建立相互聯(lián)系，以蒙特卡羅-隨機(jī)有限元法為指導(dǎo)，研究了當(dāng)襯砌某塊結(jié)構(gòu)失效后對(duì)整體結(jié)構(gòu)可靠度的影響，提出了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)失效指標(biāo)及可靠概率的確定方法。

總之，以往的研究通常只涉及圍巖應(yīng)力分布與可靠性的定性分析，很少考慮到初期支護(hù)形態(tài)的變化，從而極限承載能力與穩(wěn)定性也發(fā)生變化的問(wèn)題。因此，探究隧道超欠挖情況下異形支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征將是一個(gè)重要課題。

1 隧道異形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)自動(dòng)化建模方法的構(gòu)建

1.1 隧道超欠挖信息的獲取

超欠挖廣泛存在于隧道施工中，不僅影響隧道施工效率、增加工程造價(jià)，還會(huì)改變圍巖的受力特征、影響圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定［9］。因此，隧道開(kāi)挖后，需進(jìn)行超欠挖情況測(cè)量。測(cè)量隧道開(kāi)挖輪廓的常用掃描方法有兩種：一種是基于激光點(diǎn)云的隧道超欠挖檢測(cè)［10］；另一種是放樣人員挑取突出部位進(jìn)行局部測(cè)試?；诩す恻c(diǎn)云的隧道超欠挖檢測(cè)方法，采用地面激光掃描儀進(jìn)行隧道整體激光掃描，利用隧道激光點(diǎn)云進(jìn)行隧道的超欠挖檢測(cè)。通過(guò)利用隧道設(shè)計(jì)中線與隧道實(shí)測(cè)中線之間相對(duì)穩(wěn)定的位置關(guān)系，以及隧道斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，進(jìn)行算法設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，自動(dòng)進(jìn)行隧道的超欠挖檢測(cè)。將基于激光點(diǎn)云的隧道超欠挖檢測(cè)系統(tǒng)采集的超欠挖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，獲取的數(shù)據(jù)為具體有效的超欠挖部位坐標(biāo)點(diǎn)，便可通過(guò)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ansys 命令流進(jìn)行數(shù)值建模，該模型便是考慮了超欠挖的實(shí)際初期支護(hù)結(jié)構(gòu)幾何模型。

1.2 自動(dòng)化建模ANSYS實(shí)現(xiàn)

將激光點(diǎn)云獲取的隧道超欠挖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后導(dǎo)入Ansys 命令流進(jìn)行數(shù)值建模。掃描系統(tǒng)以1 m 為一個(gè)掃描循環(huán)，即掃描設(shè)備將沿隧道進(jìn)尺方進(jìn)行四次環(huán)向掃描為一個(gè)循環(huán)。一個(gè)掃描循環(huán)的數(shù)據(jù)為一組數(shù)據(jù)，通過(guò)多組數(shù)據(jù)的收集歸類(lèi)，實(shí)現(xiàn)隧道整體的建模及數(shù)值分析。建模的具體步驟如下：

（1）點(diǎn)數(shù)據(jù)的錄入及編碼。定義關(guān)鍵點(diǎn)單元，由生成體的網(wǎng)格劃分轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)單元，進(jìn)行加載等操作。按照編號(hào)順序通過(guò)命令流將坐標(biāo)數(shù)據(jù)錄入，獲得并設(shè)為關(guān)鍵點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)。通過(guò)定義關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的不規(guī)則六面體建模。

（2）模型建立。通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)由下向上建模。由關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行體的生成，并通過(guò)不斷疊加生成，最終建立模型。最終獲取第一個(gè)由兩個(gè)六面體單元組合而成的，包含超欠挖信息的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)體模塊，如圖1所示。

圖1 第一個(gè)含超欠挖信息的初期支護(hù)模塊Fig.1 The first initial support module with over and under excavation information

圖2 一個(gè)掃描循環(huán)的初期支護(hù)底部模塊編碼Fig.2 Coding of the bottom module of the initial support in the first scan cycle

（3）隧道開(kāi)挖及初期支護(hù)一個(gè)循環(huán)的模型，將通過(guò)上述命令自動(dòng)建立，并將模塊自動(dòng)累加。首先建立如圖3 所示單次環(huán)向掃描完成后的環(huán)向模塊，經(jīng)過(guò)四次掃描完成一個(gè)循環(huán)后，最終獲取一個(gè)掃描循環(huán)的初期支護(hù)異形結(jié)構(gòu)模型（圖4）。

（4）網(wǎng)格劃分及屬性定義。分別在隧道異形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模塊相應(yīng)位置定義不同的材料和幾何常數(shù)，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義不同參數(shù)區(qū)域如圖5所示。網(wǎng)格劃分完成后，如圖6所示。

圖3 單次環(huán)向掃描完成后的累積模塊Fig.3 Cumulative module after single round scan

圖4 一個(gè)掃描循環(huán)獲取的初期支護(hù)變異結(jié)構(gòu)模型Fig.4 A variant structure model of initial support obtained by scanning cycle

圖5 單元屬性定義圖Fig.5 Unit attribute definition diagram

圖6 模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Model meshing

（5）創(chuàng)建彈簧單元。首先定義彈簧外側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)，將所定義的關(guān)鍵點(diǎn)與所建初期支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)，使用L，P1，P2命令，創(chuàng)建連線。劃分所創(chuàng)建的線，并定義其單元屬性為Combin14 彈簧單元，并定義劃分為一份，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建彈簧單元。

（6）施加約束。分別于結(jié)構(gòu)的縱向前后兩個(gè)面施加Z方向約束，對(duì)底板施加全面約束。

圖7 彈簧單元Fig.7 Spring element

圖8 結(jié)構(gòu)約束Fig.8 Structural constraints

圖9 彈簧約束Fig.9 Spring constraints

（7）施加荷載。結(jié)構(gòu)承受主動(dòng)荷載及來(lái)自圍巖結(jié)構(gòu)的彈性抗力，在施加荷載時(shí)使用命令流循環(huán)對(duì)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)施加這兩部分力。按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）［10］對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載進(jìn)行折減，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)縱向前后兩個(gè)面與其前后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，再次對(duì)其荷載進(jìn)行折減。

（8）求解。完成（1）～（7）中的所有操作，使用求解命令可完成求解。并可查看結(jié)構(gòu)變形及受力等情況。

2 隧道異形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)實(shí)例

模擬基于實(shí)際某高鐵隧道工程，隧道圍巖等級(jí)為Ⅳ和Ⅴ級(jí)，主要模型參數(shù)如下：隧道埋深30 m；內(nèi)徑為6.86 m；縱向長(zhǎng)度為1 m；標(biāo)準(zhǔn)斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)噴混凝土厚度為0.20 m。

將基于激光點(diǎn)云的隧道超欠挖檢測(cè)系統(tǒng)采集的超欠挖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，獲取的數(shù)據(jù)為具體有效的超欠挖部位坐標(biāo)點(diǎn)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ansys 命令流進(jìn)行數(shù)值建模，得到拱頂、邊墻超挖的模型，由于篇幅有限只展示拱頂超挖的模型圖，如圖10所示。

圖10 異形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)自動(dòng)化建模結(jié)果Fig.10 Automation modeling result of special shaped initial supporting structures

采用ANSYS15.0 三維立體數(shù)值模擬，分別模擬Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下隧道邊墻（左側(cè)）超挖、拱頂超挖以及無(wú)超欠挖（標(biāo)準(zhǔn)斷面）這6種工況，如表1所示。

圖11 異形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各分析關(guān)鍵點(diǎn)示意Fig.11 Indication of key points in analysis of specialshaped initial supporting structures

表1 異形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算工況Table 1 Numerical simulation of special-shaped initial support structure

2.1 模型建立

2.1.1 支護(hù)參數(shù)與作用荷載

（1） 支護(hù)參數(shù)支護(hù)結(jié)構(gòu)采取噴射混凝土：h=22 cm；?6 鋼筋網(wǎng)：@20×20 cm；φ22 砂漿錨桿：@120×120 cm，L=3.50 m；工18型鋼拱架：間距1 m。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［12］等資料取如表2 所示的計(jì)算參數(shù)。其中，對(duì)于鋼拱架的模擬采用剛度等效法。

表2 隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬材料參數(shù)Table 2 Material parameters for numerical simulation of tunnel initial support structure

（2）Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖荷載計(jì)算

根據(jù)相關(guān)隧道勘察報(bào)告，選取Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)如表3所示。

表3 各級(jí)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)Table 3 Physical and mechanical indicators of surrounding rocks at all levels

2.1.2 單元與約束

噴射混凝土和型鋼混凝土均采用solid45 號(hào)單元模擬，圍巖與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用采用地層彈簧combin14單元模擬?？v向兩側(cè)面約束Z方向，底板和彈簧末端約束X、Y、Z三個(gè)方向。

2.2 模擬結(jié)果

Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下，標(biāo)準(zhǔn)斷面、存在左側(cè)超挖及拱頂超挖情況下的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模型的三維應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖12 支護(hù)結(jié)構(gòu)縱向變異數(shù)值模擬結(jié)果-第一主力（Ⅴ級(jí)圍巖）Fig.12 Numerical simulation results of longitudinal variation of support structure-first main force（V-grade surrounding rock）

2.2.1 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性分析

根據(jù)ANSYS 數(shù)值模擬結(jié)果云圖，提取數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 各工況下結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵值Table 4 Key stress values of structures under different working conditions

結(jié)合數(shù)值模擬云圖以及表4 不同變異形態(tài)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形數(shù)值結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：不論結(jié)構(gòu)施作于IV 級(jí)圍巖或V 級(jí)圍巖，其周邊收斂最大部位發(fā)生在拱肩處，由拱肩向兩側(cè)逐漸減??；拱頂沉降最大部位發(fā)生在拱腰處，由拱腰向兩側(cè)逐漸減小，同時(shí)超挖產(chǎn)生的位置不同也將對(duì)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生一定影響。異形斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的X、Y方向的位移均比標(biāo)準(zhǔn)斷面小。因此可作初步判定，若超欠挖情況不嚴(yán)重，只要處理得當(dāng)，將不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響。

2.2.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制分析

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全控制指標(biāo)目前主要有兩拱腳處位移累計(jì)值、位移相對(duì)值、拱頂下沉值、拱頂相對(duì)下沉值。

根據(jù)ANSYS 數(shù)值模擬結(jié)果云圖，提取數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 各工況下隧道周邊位移相對(duì)變化情況Table 5 Relative variation of surrounding displacement of tunnel under different working conditions

由表格可知，異形斷面的兩拱腳處位移累計(jì)值與拱頂下沉值均小于標(biāo)準(zhǔn)斷面值。其中，邊墻左側(cè)超挖將會(huì)極大地減小兩拱腳位移累計(jì)值。因此可初步判定，左側(cè)邊墻的適當(dāng)超挖將有利于初期支護(hù)的穩(wěn)定。Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下，位移相對(duì)值滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.2.3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力分析

將超挖部分各取三個(gè)控制點(diǎn)，即左側(cè)邊墻超挖范圍內(nèi)取三個(gè)控制點(diǎn)：起點(diǎn)A、中點(diǎn)B、終點(diǎn)C；隧道拱頂超挖范圍內(nèi)亦取三個(gè)控制點(diǎn)：起點(diǎn)D、中點(diǎn)E、終點(diǎn)F（圖11）。分別提取各點(diǎn)的軸力值、彎矩值，計(jì)算其極限承載力，進(jìn)而求得安全系數(shù)，求取結(jié)果如表6所示。

表6 標(biāo)準(zhǔn)斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)的安全系數(shù)（Ⅳ級(jí)圍巖）Table 6 Safety factors of key points in initial support structure of standard section（grade IV surrounding rock）

根據(jù)極限承載力結(jié)果，可知：①各種工況下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各控制點(diǎn)安全系數(shù)都大于規(guī)范值，滿(mǎn)足要求；②隧道超挖，拱腳的應(yīng)力增大幅度最大，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，主意原因系變異斷面的拱腳約束處承載面積比標(biāo)準(zhǔn)斷面??；③邊墻超挖，其異形支護(hù)結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)的安全系數(shù)相比標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)略微增大，因此可判定其有利于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；④拱頂超挖，其異形支護(hù)結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)的安全系數(shù)相比標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)有所減小，因此可判定其不利于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；⑤標(biāo)準(zhǔn)斷面拱腳處支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和變異斷面拱頂處支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系最小，可作為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力控制點(diǎn)。

表7 標(biāo)準(zhǔn)斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)的安全系數(shù)（Ⅴ級(jí)圍巖）Table 7 Safety factors of key points in initial support structure of standard section（V-grade surrounding rock）

表8 變異斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)的安全系數(shù)（Ⅳ級(jí)圍巖）Table 8 Safety factor of key points of initial support structure with variable section（grade IV surrounding rock）

表9 變異斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)的安全系數(shù)（Ⅴ級(jí)圍巖）Table 9 Safety factors of key points of initial support structure with variable cross-section（V-grade surrounding rock）

圖13 變異與標(biāo)準(zhǔn)初支結(jié)構(gòu)安全系數(shù)對(duì)比圖Fig.13 Comparisons of variation and safety coefficient of standard initial support structures

2.2.4 隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

結(jié)合激光點(diǎn)云的隧道超欠挖檢測(cè)系統(tǒng)采集的超欠挖數(shù)據(jù)以及ANSYS 建立的異形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模型，在隧道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降變形監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖14所示。

圖14 異形支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值Fig.14 Numerical calculation results and measured values of crown settlement of special support structure

監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：

由對(duì)比結(jié)果可知，隧道拱頂沉降實(shí)測(cè)值普遍大于計(jì)算值，這與計(jì)算參數(shù)選取、實(shí)體隧道復(fù)雜的圍巖地質(zhì)條件以及監(jiān)測(cè)誤差有關(guān)，但其變化規(guī)律值得參考。同一圍巖級(jí)別下，標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面的拱頂沉降值介于拱頂超挖與邊墻超挖之間，拱頂超挖沉降值最大，邊墻超挖最小，由此可初步判斷邊墻超挖利于隧道結(jié)構(gòu)安全，這與上一小節(jié)安全系數(shù)分析結(jié)果基本一致。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)異形導(dǎo)致其極限承載力與穩(wěn)定性發(fā)生變化的問(wèn)題，通過(guò)ANSYS 有限元分析軟件對(duì)隧道異形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，初步探究了隧道異形支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，對(duì)隧道施工控制和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)。結(jié)論如下：

（1）研發(fā)了一種基于激光點(diǎn)云的隧道異形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)自動(dòng)化建模方法，該法可實(shí)現(xiàn)包含超欠挖信息的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)化建模。

（2）隧道超挖帶來(lái)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的有增有減，雖無(wú)大量算例，但也證實(shí)了超欠挖對(duì)結(jié)構(gòu)安全的不可忽視的影響?；诒舅憷?，可初步研判：邊墻超挖，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)增大；拱頂超挖，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)減小，初步判定“厚邊墻、薄拱頂”將是支護(hù)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)斷面。

（3）通過(guò)該建模分析方法，針對(duì)隧道每一開(kāi)挖斷面，都可以確定一個(gè)允許變形量和安全系數(shù)，為逐段或逐榀分析評(píng)價(jià)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)、開(kāi)展施工安全管控奠定基礎(chǔ)。