基于Flac3D的臨臨高速魯山隧道數(shù)值仿真與位移分析

【摘 要】基于公路隧道的研究，利用Flac3D軟件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。在建立隧道開(kāi)挖模型后，通過(guò)對(duì)隧道掘進(jìn)過(guò)程的模擬，可以分析出襯砌以及圍巖上的應(yīng)力與位移，有助于預(yù)測(cè)開(kāi)挖狀態(tài)、在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變的變化來(lái)幫助找出可能存在的問(wèn)題，同時(shí)可以為施工提供部分理論依據(jù)及參考，也為工程建設(shè)的安全提供了更近一步的保障。

【關(guān)鍵詞】隧道； 數(shù)值模擬； 新奧法； 復(fù)合式襯砌

【中圖分類號(hào)】U455.48【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

近些年來(lái)，交通運(yùn)輸在我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)中占據(jù)著十分重要的位置，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。在道路交通中有公路、橋梁和隧道等形式。其中隧道是關(guān)鍵組成部分。并且隧道也大量出現(xiàn)在公路、礦業(yè)、鐵路、水利工程、市政工程、國(guó)防安全等領(lǐng)域。對(duì)于隧道圍巖穩(wěn)定性的研究中，數(shù)值模擬是一種常用的方法；谷拴成等［1］等利用數(shù)值模擬，對(duì)臺(tái)階法和CRD法進(jìn)行模擬分析，研究了兩種施工方法下的圍巖變形規(guī)律。陳云騰、孫振華［2］，用ABAQUS軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，深入研究了各種施工方式對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。柳越文［3］對(duì)賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）弄拉隧道、伏龍隧道的錨桿布置方式進(jìn)行分析，并對(duì)Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖下采用不同系統(tǒng)錨桿使用方式進(jìn)行模擬計(jì)算，研究了隧道圍巖不同錨桿參數(shù)下的穩(wěn)定性。關(guān)玲［4］采用ANSYS分析了臺(tái)階法和全斷面開(kāi)挖法兩種開(kāi)挖方式對(duì)高速公路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，得出了臺(tái)階法比全斷面法對(duì)隧道圍巖擾動(dòng)較小的結(jié)論。邵珠山等［5］等采用ABAQUS，對(duì)隧道開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了大跨度軟巖隧道圍巖的穩(wěn)定性影響因素。王輝［6］以ABAQUS為平臺(tái)，借助Python語(yǔ)言編程，提出一種針對(duì)淺埋隧道埋深及坡度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的敏感性分析方法，為淺埋隧道的設(shè)計(jì)及施工提供了一定的指導(dǎo)。

本文是以臨臨高速魯山隧道為工程依托，利用了有限元軟件Flac3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，基于模擬分析的結(jié)果，預(yù)測(cè)開(kāi)挖過(guò)程中的種種問(wèn)題，為施工提供了一些理論依據(jù)，為建筑工程提供了良好的保障。

1 工程概況

臨淄至臨沂高速公路工程LLKCSJ-1標(biāo)段魯山隧道工程位于淄博市博山區(qū)池上鎮(zhèn)店子村東南側(cè)約1 200 m處，該隧道為分離式隧道，隧道左線軸線起止樁號(hào)為ZK76+423～ZK79+870，長(zhǎng)3 447.0 m，隧道右線軸線起止樁號(hào)為K76+441～K79+883，長(zhǎng)3 442.0 m，擬建隧道屬雙向六車道特長(zhǎng)隧道（表1、圖1）。

根據(jù)本次工程項(xiàng)目的情況，目前擬采用分離式（單洞）隧道的施工開(kāi)挖方式。根據(jù)巖體的穩(wěn)定性、隧道跨度等條件，分離式隧道（單洞）的開(kāi)挖方法可采用全斷面法、臺(tái)階法二種方法。

2 應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)的隧道應(yīng)力、模擬分析

2.1 模型的建立

現(xiàn)確定盾構(gòu)開(kāi)挖隧道所建模型的邊界尺寸，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)30 m為隧道圍巖的影響區(qū)，每個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)取0.5 m，所以最終模型的高為30 m、寬為30 m、縱向長(zhǎng)度為30 m（圖2）。

2.2 分析計(jì)算結(jié)果

IV級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖、兩臺(tái)階法開(kāi)挖，在IV級(jí)圍巖條件下，使用全斷面開(kāi)挖，可得到隧道豎直方向應(yīng)力分布如圖3所示。當(dāng)使用兩臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，可以得到隧道豎直方向應(yīng)力分布如圖4所示。全斷面法開(kāi)挖水平應(yīng)力云圖如圖5所示；臺(tái)階法開(kāi)挖水平應(yīng)力云圖如圖6所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，可以知道在隧道及隧道圍巖內(nèi)哪些部分是塑性區(qū)、在模擬過(guò)程中出現(xiàn)的塑性區(qū)以及當(dāng)前存在的塑性區(qū)。分析這些塑性區(qū)，可以為隧道的支護(hù)提供數(shù)據(jù)參考并確保施工順利進(jìn)行。根據(jù)圖7、圖8可知，當(dāng)采用全斷面法開(kāi)挖時(shí)，由于一次開(kāi)挖成型，開(kāi)挖的斷面較大，在隧道周圍的圍巖中，尤其是拱腳和直墻底角部分會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，塑性區(qū)面積較大，對(duì)于施工是較為不利的。當(dāng)采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，由于開(kāi)挖斷面減小會(huì)減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象，利于圍巖的穩(wěn)定。

通過(guò)繪制輪廓豎向位移云圖，得到圖9、圖10。可以發(fā)現(xiàn)采用兩臺(tái)階法的拱頂和隧道底板的豎向位移要略小于全斷面法開(kāi)挖的拱頂和隧道底板的豎向位移，這說(shuō)明采用臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)于控制拱頂沉降與底板隆起有更好的效果，有利于圍巖穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)比圖11與圖12，可以得出臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)于側(cè)向圍巖的穩(wěn)定效果要略好于全斷面法。

綜上所述，在圍巖條件較好時(shí)可以采用全斷面法，保證開(kāi)挖效率，施工復(fù)雜程度較??；采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，可以較好地控制圍巖變形，但是工序較全斷面法復(fù)雜。在施工時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行開(kāi)挖方式的選擇。

V級(jí)圍巖兩臺(tái)階法開(kāi)挖、三臺(tái)階法開(kāi)挖： 在V級(jí)圍巖條件下，使用兩臺(tái)階法開(kāi)挖，可得到隧道豎直方向應(yīng)力分布如圖13所示。當(dāng)使用三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，可以得到隧道豎直方向應(yīng)力分布如圖14所示。兩臺(tái)階法開(kāi)挖水平應(yīng)力云圖如圖15所示；三臺(tái)階法開(kāi)挖水平應(yīng)力云圖如圖16所示。

根據(jù)圖17、圖18可知，當(dāng)采用兩臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，在隧道周圍的圍巖中產(chǎn)生的塑性區(qū)較小，圍巖穩(wěn)定性會(huì)好一些。當(dāng)采用三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，雖然一次開(kāi)挖的巖體體積較小，但開(kāi)挖會(huì)產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，說(shuō)明當(dāng)采用此方法開(kāi)挖時(shí)要注意周圍巖體的穩(wěn)定性［7］。

通過(guò)繪制輪廓豎向位移云圖，得到圖19、圖20。可以發(fā)現(xiàn)采用三臺(tái)階法開(kāi)挖的拱頂和隧道底板的豎向位移約為采用兩臺(tái)階法開(kāi)挖的拱頂和隧道底板的豎向位移的1/2，這說(shuō)明采用三臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)于控制拱頂沉降與底板隆起有更好的效果，有利于圍巖穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)比圖21與圖22，可以得出三臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)于側(cè)向圍巖收斂的控制效果要好于兩臺(tái)階法開(kāi)挖。

圖23至圖26分別是在兩臺(tái)階法和三臺(tái)階法施工的條件下對(duì)于拱頂以及側(cè)壁的位移監(jiān)測(cè)曲線［8］?？梢愿又庇^地看出三臺(tái)階法對(duì)于控制隧道收斂變形的良好效果，其豎向位移控制在了2.6左右，整體位移范圍大幅度減少。

綜上所述，在該V級(jí)圍巖條件下進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，為減小隧道整體的位移變形量，最好使用三臺(tái)階法開(kāi)挖。但在施工開(kāi)挖時(shí)需要注意及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)［9］，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的危險(xiǎn)，及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖方案。

3 結(jié)論與討論

本文擬建了一條公路隧道，確定了其施工方式為新奧法，然后利用Flac3D軟件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，確定其開(kāi)挖方式為全斷面和臺(tái)階法，在建立隧道開(kāi)挖模型后，通過(guò)對(duì)隧道掘進(jìn)過(guò)程的模擬，可以分析出襯砌以及圍巖上的應(yīng)力與位移，可以得到結(jié)論：

（1）全斷面法開(kāi)挖時(shí)，在拱腳和直墻底角部分會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，塑性區(qū)面積較大，對(duì)于施工是較為不利的。當(dāng)采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，由于開(kāi)挖斷面減小會(huì)減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象，利于圍巖的穩(wěn)定。

（2）采用臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)于控制拱頂沉降與底板隆起有更好的效果，有利于圍巖穩(wěn)定。

（3）采用三臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)于控制拱頂沉降與底板隆起有更好的效果，有利于圍巖穩(wěn)定。

（4）三臺(tái)階法對(duì)于控制隧道收斂變形的良好效果。

參考文獻(xiàn)

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［3］ 柳越文.公路隧道圍巖錨桿支護(hù)優(yōu)化研究［J］.西部交通科技，2021（12）：85-90.

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［8］ Yafei Liu，Songan Liu.FLAC3D Simulation Analysis of Excavation and Supporting Structure of Deep Foundation Pit［J］.International Journal of Earth Sciences and Engineering，2016，9（5）.

［9］ Dong Liang Guo，De Shen Zhao. Analysis Based on FLAC3D of Surface Subsidence Caused by a Double-Tube Parallel Tunnel Excavation［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，2659.

［作者簡(jiǎn)介］朱國(guó)政（1976—），男，專科，工程師，從事工程管理工作；呂貴賓（1976—），男，本科，高級(jí)工程師，從事路橋施工技術(shù)工作。