基于全真模擬的隧道超前管棚三維有限元分析研究

【摘要】以往利用改變預(yù)加固區(qū)的參數(shù)來(lái)進(jìn)行超前管棚預(yù)支護(hù)的數(shù)值模擬研究，未對(duì)超前管棚進(jìn)行全真模擬，因此未能獲得管棚超前支護(hù)在隧道開(kāi)施工過(guò)程中的力學(xué)行為?；谌婺M思維，對(duì)隧道超前管棚進(jìn)行了三維有限元分析研究，深入研究了超前管棚在隧道開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程中的力學(xué)行為特征，為超前管棚的數(shù)值模擬計(jì)算提供新思路，也為超前管棚預(yù)支護(hù)的設(shè)計(jì)及施工提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】超前管棚； 全真模擬； 三維有限元； 力學(xué)行為特征

【中圖分類號(hào)】U455.49A

0 引言

三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算在已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛地運(yùn)用，尤其是土木工程領(lǐng)域，三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算在橋梁結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)等的受力分析計(jì)算中發(fā)揮了巨大的作用［1］ ，為工程設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐和可靠的受力分析依據(jù)［2-3］ 。

與橋梁結(jié)構(gòu)相比，隧道結(jié)構(gòu)的受力更為復(fù)雜，隧道開(kāi)挖后的圍巖壓力是由圍巖本身和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同來(lái)承載的，由于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，隧道周邊圍巖的地質(zhì)環(huán)境對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算起著決定性作用。圍巖不僅對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，同時(shí)其本身也作為一種承載體。隧道結(jié)構(gòu)受力分析數(shù)值模擬計(jì)算中，由于隧道結(jié)構(gòu)上的荷載受到施工方法和施工時(shí)間的影響，其荷載具有模糊性和不確定性［4］ 。加之支護(hù)結(jié)構(gòu)因多種輔助工法導(dǎo)致支護(hù)體系構(gòu)成的復(fù)雜性，使得計(jì)算結(jié)果存在多解性［5］ 。因此，隧道結(jié)構(gòu)的三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算有待更為深入的研究。

文章基于等效理論，對(duì)隧道超前管棚進(jìn)行了三維有限元數(shù)值全真模擬計(jì)算分析，深入研究了超前管棚在隧道開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程中的力學(xué)行為特征。

1 超前管棚的力學(xué)模擬及參數(shù)選定

在以往的有限元模擬分析中，為簡(jiǎn)化模型，通常利用改變預(yù)加固區(qū)的參數(shù)來(lái)進(jìn)行管棚支護(hù)的模擬，雖然同樣可以獲得圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的一些受力特征，但由于管棚沒(méi)有全真模擬，無(wú)法從計(jì)算結(jié)果中分析得到管棚在隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中的力學(xué)行為。為獲得管棚在隧道開(kāi)挖中的詳細(xì)信息，研究管棚在隧道開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程中的力學(xué)行為特征，結(jié)合管棚支護(hù)的梁理論和拱殼理論，本文在計(jì)算分析中采和梁?jiǎn)卧獙?duì)管棚進(jìn)行全真模擬。注漿管棚的計(jì)算參數(shù)應(yīng)充分考慮充填砂漿的作用。由于注漿導(dǎo)管在完成向巖隙內(nèi)注漿后還應(yīng)用砂漿將鋼管內(nèi)部充填密實(shí)以增加鋼管的剛度，所以，注漿導(dǎo)管的彈性模量和重度應(yīng)是鋼管和砂漿共同組合成的實(shí)心綜合管體的彈性模量和重度。

1.1 等效彈模的確定

1.2 等效重度的確定

2 超前管棚在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的全真模擬分析計(jì)算

2.1 本構(gòu)關(guān)系

由于本次計(jì)算分析模擬的實(shí)體較多（如圍巖，支護(hù)，錨桿，鋼支撐、超前管棚等），基于分析的重點(diǎn)不同，對(duì)不同的實(shí)體采用了不同的本構(gòu)關(guān)系，圍巖采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，噴混凝土采用理想彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.2 建立計(jì)算模型

根據(jù)上述模擬分析，圍巖采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，其中注漿加固區(qū)采用改變材料參數(shù)得以實(shí)現(xiàn)。錨桿和注漿導(dǎo)管采用pile單元模擬，噴射混凝土和二次襯砌均采用實(shí)體單元模擬。在考慮計(jì)算邊界效應(yīng)后，建立有限元地層-結(jié)構(gòu)模型及支護(hù)體系各單元網(wǎng)格。如圖1～圖4所示。

3 超前管棚在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的力學(xué)行為特征

為了保證分析結(jié)論的準(zhǔn)確性和有效性，考慮到邊界效應(yīng)的影響，研究考察的對(duì)象應(yīng)在模型中部提取，以消除邊界效應(yīng)的影響。此處對(duì)超前注漿管棚的力學(xué)行為研究，主要針對(duì)管棚支護(hù)的梁效應(yīng)，只考察注漿導(dǎo)管的縱向彎矩。

3.1 超前管棚在隧道開(kāi)挖前后的縱向彎矩對(duì)比分析

針對(duì)管棚支護(hù)的梁效應(yīng)，只考察注漿導(dǎo)管的縱向彎矩。分析時(shí)選取拱部的管棚單元作為考察對(duì)象，提取拱部單根導(dǎo)管上的彎矩，分析管棚在開(kāi)挖前、后的受力特征。提取彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6，彎矩最大值對(duì)比見(jiàn)表1。

計(jì)算分析說(shuō)明：超前管棚在發(fā)揮其超前支護(hù)作用的過(guò)程中具有明顯的梁效應(yīng)。

3.2 隧道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中管棚的力學(xué)行為

由于長(zhǎng)管棚鋼管較長(zhǎng)，能全面地反映管棚在隧道開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程中的力學(xué)行為及變化特征。此處提取隧道開(kāi)挖和支護(hù)各步距后管棚的縱向彎矩分布（圖7）。并提取各開(kāi)挖和支護(hù)步距后管棚鋼管的最大彎矩值見(jiàn)表2。

經(jīng)過(guò)上述對(duì)比分析可得出如下結(jié)論：（1）隧道開(kāi)挖后鋼管承受了明顯的彎矩（彎矩最大值為351.9 N·m）；（2）隧道支護(hù)后與開(kāi)挖后支護(hù)前的最大彎矩相比，在第一步距、第三步距和第四步距均減小了，而第二步距增大了。其中第二、三步距支護(hù)前后的彎矩最大值變化相對(duì)其它兩步距要大些；

（3）從第一步距至第四步距開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程中鋼管所受彎矩最大值總體變化不大，彎矩的分布情況也基本不變。

模擬計(jì)算分析表明：管棚在隧道開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程中鋼管相當(dāng)于縱梁，很好地發(fā)揮了長(zhǎng)梁效應(yīng)；施工中各工序?qū)芘锏氖芰Χ加胁煌挠绊?，且這種影響復(fù)雜多變；由于管棚嵌入于圍巖體內(nèi)，與圍巖體共同受力和變形，所以管棚發(fā)揮的梁效應(yīng)并不是簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)支梁或靜定梁的梁效應(yīng)，而是更接近于彈性地基梁模式發(fā)揮梁效應(yīng)，在隧道開(kāi)挖前就已與被支護(hù)的巖體共同受力，隧道開(kāi)挖第一步距后，管棚承受的荷載顯著增加，并承受了大部份荷載，而在后續(xù)各步距中，管棚受力變化不大，甚至在隧道完成支護(hù)后，管棚受力還有“回彈”減小的趨勢(shì)，這充分說(shuō)明了管棚超起到了明顯的超前預(yù)加固作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)超前管棚預(yù)支護(hù)的三維有限元模擬去除了以往采用等效加固的經(jīng)驗(yàn)束縛，對(duì)超前管棚進(jìn)行了三維有限元全真模擬分析，有效地獲得了超前管棚在隧道開(kāi)挖及支護(hù)全過(guò)程中的力學(xué)行為特征，為超前管棚的數(shù)值模擬計(jì)算提供新思路，也為超前管棚預(yù)支護(hù)的設(shè)計(jì)及施工提供參考和借鑒。

超前管棚在預(yù)支護(hù)中充分發(fā)揮了梁效應(yīng)，但由于其嵌入圍巖體內(nèi)，發(fā)揮的又不是簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)支梁或靜定梁作用，而是接近于彈性地基梁的梁效應(yīng)。與注漿小導(dǎo)管相比，超前長(zhǎng)管棚發(fā)揮的梁效應(yīng)比注漿加固效應(yīng)更為明顯，其更適用于隧道穿越軟弱破碎地段的長(zhǎng)距離預(yù)加固。

參考文獻(xiàn)

［1］ 朱國(guó)保.軟弱破碎圍巖隧道中管棚超前預(yù)支護(hù)技術(shù)研究［D］. 成都： 西南交通大學(xué)， 2007.

［2］ 郭新慶. 黃土軟巖圍巖下隧道開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)分析［J］.國(guó)防交通工程與技術(shù)，2023（5）： 61-64+80.

［3］ 段玉武. 隧道穿越巖體破碎帶超前支護(hù)施工技術(shù)［J］.國(guó)防交通工程與技術(shù)，2023（1）： 58-60+40.

［4］ 陳志堅(jiān). 大跨度淺埋連拱隧道施工過(guò)程中的數(shù)值模擬研究［J］.工程技術(shù)研究，2022（4）： 21-24.

［5］ 劉文武. 基于數(shù)值模擬的黃土地區(qū)南山堡隧道進(jìn)洞支護(hù)方案優(yōu)化［J］.鐵道建筑技術(shù)，2021（11）： 152-157.