基于ABAQUS隧道開挖中管棚超前支護(hù)效果有限元分析

楊 昊

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著中國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市人口不斷增加，可使用城市空間越來越少，因此對(duì)關(guān)于地下空間的開發(fā)利用以及已有地下結(jié)構(gòu)加固等方面的研究十分必要。而隧道工程作為地下結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善民生、提高城鎮(zhèn)居民幸福指數(shù)等方面扮演著極其重要的角色。

合肥市地鐵口復(fù)雜土質(zhì)環(huán)境的隧道開挖，西安地鐵6號(hào)線區(qū)間隧道淺埋暗挖施工穿越地裂縫場(chǎng)地、福建三明莆炎高速公路布盂隧道工程均采用了管棚超前支護(hù)的施工方法[1-3]。管棚支護(hù)在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用，而對(duì)管棚支護(hù)的研究也極具意義。除施工領(lǐng)域?qū)嶋H測(cè)量分析外，國內(nèi)外眾多學(xué)者也從數(shù)值計(jì)算角度對(duì)管棚超前支護(hù)方法進(jìn)行了分析，岳洪武[4]采用MIDAS/GTS有限元軟件建立了軟弱巖層的有限元模型并分析管棚支護(hù)結(jié)合注漿施工方法的支護(hù)效果。趙文財(cái)[5]等人建立有限元模型分析研究了管棚支護(hù)對(duì)黃土隧道開挖的積極影響。本文利用ABAQUS有限元分析軟件建立了隧道開挖的有限元模型計(jì)算分析了管棚施工的支護(hù)效果，為隧道開挖中管棚超前支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 有限元分析

管棚支護(hù)是把一組鋼管沿著開挖輪廓外已鉆好的孔中打入地層，并與鋼拱架組合形成棚架預(yù)支護(hù)加固體系支撐來自管棚上部的荷載。為分析管棚支護(hù)效果，本節(jié)將建立有限元模型模擬含管棚支護(hù)的隧道初步開挖結(jié)果。有限元分析所涉及的管棚支護(hù)方法具有以下特點(diǎn)。為簡(jiǎn)化有限元計(jì)算[6-11]，模型采用半徑120mm的鋼管，厚度為20mm，角度為1°，單根長(zhǎng)度5m，沿拱架布置一周，共計(jì)24根，沿隧道深度每隔5m布置一個(gè)。隧道半徑為4m，埋深10m，加固巖土層厚0.5m，主要物理力學(xué)參數(shù)如表1。

物理力學(xué)參數(shù) 表1

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

在模型中，隧道半徑為4m，圍巖高為20m，寬為16m，注漿巖層厚0.5m，鋼管半徑為0.12m，厚度為0.02m，拱架厚度為0.3m，沿隧道深度為5m。圍巖及注漿巖層采用實(shí)體C3D8R單元，鋼拱架采用殼單元S4R，鋼管采用T3D2桁架單元，加固巖層與圍巖之間接觸定義為硬接觸，切向摩擦系數(shù)為0.8，圍巖與棚架之間接觸定義為嵌入。模型中主要含圍巖、加固巖層、管棚結(jié)構(gòu)。管棚單元和注漿巖層單元分別如圖1、圖2所示。同時(shí)建立不含棚架支護(hù)的有限元模型，與上述模型區(qū)別在于其僅有圍巖、注漿巖層單元而不含管棚單元。

圖1 管棚單元

圖2 注漿巖層單元

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

圖3～圖6為有限元計(jì)算結(jié)果相關(guān)云圖。對(duì)比應(yīng)力云圖可知，棚架支護(hù)可有效降低隧道周邊注漿巖層的應(yīng)力，降低率可達(dá)31.5%。同時(shí)管棚支護(hù)降低了隧道周邊注漿巖層的應(yīng)力集中，較不含管棚結(jié)構(gòu)的隧道而言，含管棚支護(hù)的隧道，其周邊巖層受力更加均勻。

圖3 不含管棚支護(hù)模型Y向應(yīng)力云圖

為準(zhǔn)確表征位移沉降，反映棚架支護(hù)效果，定義Δ為注漿巖層頂端與底端節(jié)點(diǎn)位移差，Δ0為不含棚架節(jié)點(diǎn)位移差，Δ1為含棚架節(jié)點(diǎn)位移差。調(diào)用節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力峰值計(jì)算如下：

雖然棚架結(jié)構(gòu)會(huì)增加隧道重量，導(dǎo)致隧道整體下沉，但在工程實(shí)踐中，通常會(huì)對(duì)隧道下部巖土進(jìn)行夯實(shí)等工序，從而降低隧道的整體沉降。對(duì)比節(jié)點(diǎn)位移差可知棚架支護(hù)可有效控制隧道變形，防止隧道垮塌。

圖4 不含管棚支護(hù)模型位移云圖

圖5 含管棚支護(hù)模型Y向應(yīng)力云圖

圖6 含管棚支護(hù)模型位移云圖

不同的地質(zhì)條件，管棚支護(hù)效果也不相同，本文在上述研究的基礎(chǔ)上對(duì)四種不同材料參數(shù)的巖土隧道[12]開挖隧道建立有限元模型，材料參數(shù)如表2，是否含有棚架支護(hù)的兩種隧道位移差δ=Δ1?Δ0，無棚架支護(hù)與棚架支護(hù)注漿巖層內(nèi)最大應(yīng)力比值如圖7所示。

圖7 兩種隧道應(yīng)力關(guān)系與變形關(guān)系

材料參數(shù)表 表2

由圖7可得，隧道圍巖彈性模量大小對(duì)管棚支護(hù)效果影響十分明顯。當(dāng)巖土彈性模量為15MPa時(shí)，棚架支護(hù)效果明顯，隧道變形量差值即圖7所示的位移差值可高達(dá)37.54mm，加固巖層最大應(yīng)力比值F0MX/F1MX可達(dá)17.2，管棚支護(hù)極大地降低了注漿巖層區(qū)域的應(yīng)力集中，減小了隧道變形量。但隨著巖土彈性模量的增加，管棚支護(hù)的作用效果迅速降低，當(dāng)巖土彈性模量為150GPa時(shí)，位移差值僅為4.2mm，應(yīng)力比值為1.1，管棚支護(hù)的作用效果不明顯。

3 結(jié)論

本文通過建立有限元模型分析了管棚支護(hù)對(duì)不同隧道初步開挖的影響結(jié)果，主要結(jié)論如下：

①超前管棚支護(hù)的施工工藝能有效地阻止隧道變形，保證隧道完整，由應(yīng)力云圖可以看出隧道中管棚及鋼拱架單元受力較大，管棚結(jié)構(gòu)能起到明顯的承重效果；

②注漿巖層在隧道開挖過程中扮演著重要的承重作用，但僅僅有注漿巖層難以實(shí)現(xiàn)較為優(yōu)異的支撐效果，注漿巖層搭配棚架支護(hù)，能有效緩解巖層的應(yīng)力集中，減小隧道變形；

③巖土力學(xué)參數(shù)不同，棚架對(duì)其內(nèi)的隧道支護(hù)影響不同，當(dāng)巖土的彈性模量較小時(shí)，管棚結(jié)構(gòu)可以起到明顯的支護(hù)效果，管棚及注漿巖層的利用也更加充分，隨著巖土彈性模量的增加，這種積極影響被削弱。