特大跨度隧道施工过程中位移及应力变化数值模拟

特大跨度隧道施工过程中位移及应力变化数值模拟

于学荣

深圳市深水水务咨询有限公司广东深圳518000

摘要：控制隧道应力及变形是特大跨度隧道施工中的关键技术问题，如何在施工中把应力及变形控制在规范允许范围内，已成为特大跨度隧道施工工法选择的首要前提，签于此，本文拟对围岩等级为Ⅳ级和Ⅴ级的特大跨度隧道，采用双侧壁导坑施工工法，应用Ansys及Flac3d建立数值模型，观测隧道分部开挖过程中，隧道围岩指定点的应力及位移变化，通过对观测数据的分析及计算，了解隧道在双侧壁导坑法开挖过程中，围岩应力与变形变化趋势，对保障施工安全及加快施工进度均具有十分重要的意义。

关键词：特大跨度隧道，双侧壁导坑法，有限元数值分析，应力，位移

0.前言

由于特大跨度隧道与普通隧道相比，具有跨度大、扁平率低的特点，致使隧道围岩受力及变形更加复杂，如何在施工中把围岩应力及应变控制在有效范围内，已成为隧道开挖工法[1]选择的首要前提，随着数值模拟在隧道开挖中的应用，现已在含水疏松砂岩地层使用冻结法施工[2]，通过工艺、技术、设备等创新，解决衬砌混凝土温度及体型控制，表观质量及大坡度大型台车运行安全等技术难题[3]，如何建立隧道数值模型，通过对隧道围岩位移场的分析，选择合适的施工工法[4]，如何把隧道施工工法与衬砌方法有效的结合[5]，保证水利隧道施工安全等方面都取得了有效的应用，本文结合某特大跨度隧道，采用双侧壁导坑施工工法，进行数值模拟分部开挖中，在混凝土衬砌条件下，研究应力与应变的变化规律，望对特大跨度隧道施工具有一定的参考价值。

1.工程概况

某隧道净宽约为17.75m，净高约为5.0m，内部轮廓最大跨度为约为19m，按公路隧道标准，属于超大跨度隧道。隧道所处区域地震活动频率较弱，以微、小震为主，中、强震极少。围岩岩性主要由粉质粘土、碎石、长石组成，同时结合现场区域地层岩性的划分，综合各相关参数判定该围岩级别主要为Ⅳ级和Ⅴ级。

2.数值模拟分析

2.1结构建模

考虑到ansys与flac3d数值模型各自的特点，前处理采用ansys10.0对围岩进行有限元网格划分，后处理采取flac3d进行受力变形分析。根据本工程地质特性，建立有限元数值分析模型，断面宽度取18.3m，高度取12.0m,有限元单元网格采用二维等参四边形单元，屈服条件依据摩尔-库伦破坏准则。隧道左右两侧围岩岩体的宽度均选用3倍洞径的距离，以作为有限元分析的范围。拟定模型的长度选取25m，约束其前后、左右水平位移，围岩顶端为自由面，模型底部进行竖向约束。鉴于我国已建成隧道的相关经验，如表1所示，本文采用双侧壁导坑法进行数值模拟分析。

2.2结构开挖及其支护

双侧壁导坑法开挖顺序如图1所示，在每分区开挖完成后，再进行衬砌与支护。具体施工过程如下所示：(1)围岩初始应力状态计算，(2)开挖1分区，再进行衬砌和支护，(3)开挖2分区，再进行衬砌和支护，(4)开挖3分区，再进行衬砌和支护，(5)开挖4分区，再进行衬砌和支护，(6)开挖5分区，再进行衬砌和支护，(7)开挖6分区，（8）开挖7分区。

图1双侧壁导坑法分区开挖施工顺序

为了更精准的分析围岩关键控制点的位移状态，只采用壳体外加混凝土进行简单的支护，以减少对原围岩变形的影响。其壳体弹性模量10.5e9N/L2,泊松比为0.25，密度2500m/L3,厚度0.5m。

2.3数值模拟分析

选取6分区开挖到6m、12m、15m作为观测截面，选取观测点的截面在0m、9m、18m三个位置。其观测点坐标如表2所示。其中1、2、3点位于拱顶，4、5、6位于拱底，7、8、9、10、11、12位于拱腰，13到18位于拱脚。

图2双侧壁导坑法在ansys中模型图图3双侧壁导坑法在flac3d中模型

从图4中可观察出，拱顶位移范围在1.2333×10-3m-1.0000×10-3m之间，拱底位移范围在1.25×10-3m-1.4346×10-3m之间，方向沿z轴向上。根据《公路隧道施工规范》，对于Ⅳ级围岩，隧道允许相对位移在0.1%到0.3%之间，满足规范要求。

从图5中可观察出，应力沿z轴有明显的分层，从上到下依次减少。在隧道的拱顶及拱底，沿z轴主应力变化明显，数值在2.5×105N/m2-1.1698×104N/m2之间，而在拱腰及拱角的应力在2.2471×10N/m2-2.0×106N/m2之间。

从图6中可观察出，受隧道开挖的影响，隧道拱顶与拱底位移区域与图4比有所增大，拱顶区域位移范围在1.6784×10-3m-1.500×10-3m之间，位移方向向下。拱底位移变化区间在2.0×10-3m-2.0356×10-3m之间，位移方向向上。在围岩的其他区域，位移没有明显的变化。

与图5相比，图7有明显变化，在隧道拱顶与拱底出现了两个z轴向拉应力区，其数值范围在0N/m2-5.8060×104N/m2之间，z轴主应力影响区域范围在图5的基础上有所扩大。拱腰与拱脚z向主应力范围也有所增大，其范围在2.2932×106N/-2.2500×106N/m2之间。

图8开挖18m时z向位移网格图图9开挖18m时z向主应力网格图

图8在图6的基础上，其拱顶与拱底的位移区域在进一步扩大，其位移变化范围在1.8371×10-3m-1.500×10-3m之间，位移方向仍然沿着z轴的负向。其拱底的位移也有所增大，其数值在2.000×10-3m-2.1824×10-3m之间。而在隧道周围其他区域，位移值始终都保持在5.000×10-4m，方向沿着z轴负向。

图9在图7的基础上，拱顶与拱底的拉应力区域进一步扩大，拱顶拉应力数值在0N/m2-6.1580×104N/m2之间，拱底拉应力数值在0N/m2-6.1580×104N/m2之间，在图9中出现压应力最大值在拱腰与拱角，其数值范围在2.3929×106N/m2-2.2500×106N/m2之间。

图10为观测点1、2、3随时间步位移变化图，1×104时步之内为初始地应力的释放过程，其中位移最大值出现在0.5×104时步，3个观测点位移都为1.22×10-2m，方向竖直向下。在随后隧道开挖及支护过程中，观测点1、2、3都是在时间步8×104出现了位移最大值，其值分别为0.23×10-2m、0.19×10-2m、0.05×10-2m，方向均为竖直向下。

图11观测点4、5、6随时间步位移变化图

3.结论

通过上述分析得到如下结论：

（1）通过数值模拟分析，围岩应力最大区域主要集中于隧道的拱腰及拱脚，应变主要集中于拱顶，在围岩开挖前或开挖过程中，应加强对该区域的支护；

（2）完成初期支护后，随着隧道的继续开挖，初期支护在围岩压力作用下，支护效果有所下降，为保障隧道整体稳定及安全性，必须对隧道围岩进行二次衬砌；

（3）通过对该隧道开挖过程进行数值模拟，分析应力及应变在开挖过程中变化规律，对隧道实际施工提供理论依据；

（4）建议进一步论证二次衬砌的形式、强度、时间点等，为实际实施提供理论依据；

（5）数值模拟的相关参数过于理想化，实际地层变化复杂，需要结合工程实际优化相关数值模拟参数，才能获得更准确的理论依据。

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