ABAQUS在浅埋大断面隧道围岩稳定性分析中的应用

刘坤伦

云南省建设投资控股集团有限公司国际工程部 云南 昆明 650500

摘要：在隧道掘进过程中，围岩的稳定性与否直接影响施工安全与进度，尤其是浅埋大断面隧道。本文以万象至万荣高速公路老中友谊隧道为例，应用ABAQUS根据隧道围岩地质情况及勘察设计资料，确定了岩体材料与初期支护构件的本构模型，建立了隧道开挖支护后模型，基于杨氏衰减法模拟围岩及支护结构在后续施工期间的应力分布及支护变化位移情况，通过与开挖支护后现场监控量测实测数据曲线图对比，验证了ABAQUS仿真模型在隧道围岩稳定性分析中的有效性。

关键字：浅埋大断面隧道；围岩稳定性；ABAQUS模型；监控量测

0 引言

隧道工程属于隐蔽施工,常常面临非常复杂的地质环境,隧道开挖支护后应及时做好监测，保障隧道施工安全。李新志等^[5]为研究隧道地表沉降变化特征，应用三维连续介质快速拉格朗日元模拟隧道的施工过程，所得结果与现场监测具有较好的拟合性；周丁恒等^[7]研究表明采用不同施工工序，对支护体系力学结构影响较大，合理的施工工序是支护体系稳定性的关键。

本文针对老中友谊双向四车道隧道围岩开挖支护后稳定性问题，运用ABAQUS对隧道开挖支护后围岩应力场变化进行数值模拟，进而优化隧道开挖后支护参数，结合现场监控量测，通过模拟信息与实测量测曲线进行对比分析，对隧道围岩稳定性进行安全综合性评估。

1 工程概况

本文万象至万荣高速公路老中友谊隧道，隧道建筑限界净宽：0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75=10.25m；净高：5.0m。选取的模拟分析地段隧道围岩主要为碎石状结构，软弱夹层发育，夹粉质粘土；地下水类型主要为基岩裂隙水，岩体破碎，围岩完整性差，围岩自稳能力弱，开挖前应做好超前支护，若支护不及时或强度不足，易产生塌方。

2 ABAQUS隧道模型的建立

2.1 岩体材料与支护材料的本构模型

ABAQUS数值模拟软件基于其强大的非线性求解功能，被广大用户逐渐推崇通用有限元软件。

2.1.1锚杆、衬砌材料的线弹性本构模型

胡克定律，各向同性的线弹性模型的本构关系可以表示为：

（1）

2.1.2岩体材料的理想弹塑性本构模型

强度准则为：

（2）

屈服面方程为：

（3）

2.2 参数选取

根据老中友谊隧道右幅K64+020断面进行ABAQUS数值模拟分析，隧道模型的尺寸设定为120m（X，水平坐标），80m（Y，竖向坐标），埋深直接选取30m。根据初始隧道设计方案，对初期支护参数等级进行优化，设计锚杆为2.5m长的砂浆锚杆,模拟选取3m；二次衬砌为钢筋混凝土衬砌，设计厚度为40cm,模拟选取厚度为50cm。假设岩体、衬砌、锚杆是均匀各向同性材料，其中岩体、锚杆、衬砌支护的物理力学参数

2.3 模型建立

隧道开挖支护模型如图1所示。

2.4 应力分析

2.4.1 地应力平衡

ABAQUS提供了多种地应力平衡方法，在本次地应力平衡分析中采用其中的一种，使岩体的初始位移为0（或者无限接近0）。效果图如图2所示，竖向位移（U2）数量级为10^-14，已经非常接近0，满足模拟要求。

图1

图2

2.4.2 围岩应力分析

隧道的开挖采用杨氏模量衰减法，利用ABAQUS中温度场定义实现，关键字“*TEMPERATURE”。逐步对上中下台阶岩体进行模量衰减，衰减率为60%（E=120MPa），隧道开挖支护全过程的应力变化如图3、图4、图5所示，可以看出在隧道开挖过程中出现应力集中，而这些位置也是现场施工中需要特别注意的。

图3

图4

图5

2.4.3 锚杆应力分析

隧道开挖支护的施工，锚杆的应力不断增大，说明了锚杆很好地参与了衬砌与围岩的承载作用，使得围岩、锚杆、衬砌支护体系的完整性更好，支护体系承受荷载的能力也更强。如图6

图6

2.4.4 衬砌应力分析

由于隧道围岩地质条件差，自稳能力极弱。随着开挖的进行，衬砌也必须要紧跟，以防岩体出现过大变形，导致岩体的自承能力得不到发挥，从而使衬砌结构承受过大的压力，甚至遭到破坏，失去其支护性能。衬砌与围岩的接触采用关键字“*TIE”实现，接触方式为节点对接触。这也与实际相对应。如图7、8所示

图7 开挖支护完成后衬砌支护的最大主应力云图

图8 开挖支护完成后衬砌支护的最小主应力云图

2.5 围岩位移分析

2.5.1 隧道拱顶下沉位移分析

随着隧道开挖的进行，拱顶会出现下沉，而洞底则会凸起，通过ABAQUS软件得出在终了状态下的隧道的竖向位移状况，拱顶出现了负的位移，也就是出现了下沉，而洞底围岩体则有凸起的趋势，说明数值模拟还是比较符合实际情况的。如图9、10所示。

图9

图10

2.5.2 隧道周边收敛位移分析

在隧道的开挖进程中，隧道周边的围岩会向洞内收敛，而通过数值分析，同样也表明隧道左侧的土体呈现正位移，而右侧土体呈现负位移，这也是符合实际情况的。隧道开挖支护完成后如图11、 12所示。

图11 开挖支护完成后隧道的U1云图

图12 拱腰(左、右)水平位移-时间曲线图

3 监控量测

隧道洞周围岩体会有向隧道内部收敛的趋势，所以对隧道的位移分析也是至关重要的。

3.1 拱顶下沉监测和周边收敛监测

图13、图14为K64+020断面现场监控量测拱顶下沉和周边收敛曲线图。从两图中可以得出：符合理论上隧道围岩变形规律。

现场监控量测和优化支护参数对比后，ABAQUS数值模拟可以清晰的看出，两者得出的隧道变形的基本规律是一致的；在优化支护参数之后，支护一定程度上遏制了隧道围岩体的变形，这是符合实际情况的，这也表明了ABAQUS数值模拟得出的结果是可靠的，具有一定的参考性。

图13 K64+020断面拱顶下沉曲线图

图14 K64+020断面周边收敛曲线图

4 结论

本文研究了万象至万荣老中友谊隧道开挖后支护参数优化设计方案，利用ABAQUS软件模拟隧道现场开挖支护施工，通过数据进行对比分析，综合评估隧道的稳定性。得到如下结论：

（1）ABAQUS拥有非常丰富的材料本构模型，可以对隧道围岩体的物理力学特性进行相似的模拟；

（2）ABAQUS模拟隧道的开挖支护比较容易实现，基本上可以实现可视化操作，应力分析中锚杆起到了很好的锚固作用，有利于围岩自承作用的发挥，相对于其他有限元软件有着一定的优势；

（3）通过对比分析可得，由ABAQUS数值模拟的位移与时间曲线（图10、图12）和现场监控量测曲线图（图13、图14）的变化规律是基本一致的。通过ABAQUS数值模拟得出的隧道拱顶下沉（U2=28.3mm）和周边收敛值(U1=18.5mm)较现场实测值(U2=45.7mm，U1=27.8mm)有一定的减小，这也说明支护参数的优化起到了作用，一定程度上阻止了围岩的变形，这与理论计算和现场实际情况是相呼应的，也说明了ABAQUS数值分析是可靠的，具有一定的参考性。

利用ABAQUS进行隧道数值模拟的优点，但同时也存在一定的缺陷。例如，在进行隧道模拟时，如果各个部件的网格划分耦合状况不好，那么可能造成计算的不收敛；再如在建立比较复杂的隧道模型时，ABAQUS自带的CAE前处理功能就显得比较麻烦，需要由其他的前处理软件先建立好模型，然后再导入到ABAQUS进行分析计算。总体来说，在广大专业人士的共同努力下，ABAQUS在隧道工程的应用拥有非常光明前景。

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