隧道开挖施工过程的有限元动态模拟研究

华 薇

(苏州市交通设计研究院有限责任公司,江苏苏州215007)

近十多年来，我国高等级公路建设取得了突飞猛进的发展，伴随而来的是公路隧道的建设也取得了超常规快速发展，但由于以前工程建设少，相关研究积累少，对公路隧道开挖前后围岩应力分布的时空特征认识不清，从而导致围岩压力计算在很多情况下不准确，进而引起衬砌结构设计、隧道施工的失误，最终导致重大经济损失。

有限元法是岩土力学中应用较为广泛的数值方法，用有限元进行动态数值模拟，克服了试验现场监控耗费时间、资金以及人力的浪费，系统直观的对公路隧道开挖后围岩应力分布和变形进行分析，对于工程实践能够起到指导作用。

1 隧道开挖数值模拟过程的建立

1.1 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS/CAE来建立有限元模型。ABAQUS/CAE是一个具有交互作用的图形模块，是ABAQUS进行有限元分析的前后处理模块，它将所分析结构的几何形状生成为网格区域,使模拟过程快速而又容易完成。ABAQUS/CAE模块先将图形形状、材料和截面特性输入，再对单元进行网格剖分，施加载荷和边界条件，一旦模型完成,就生成了一个ABAQUS输入文件——.inp文件。尽管一个简单分析可直接应用ABAQUS字符输入文件,但通常的作法是由ABAQUS/Pre或者其他前处理软件把问题的模型图形化,然后再进行分析。

所建CAE模型与有限元模型见图1和图2。

图1 隧道CAE模型

图2 隧道有限元模型

1.2 数值模型的边界条件及荷载处理

(1)巷道问题符合平面应变问题。本文的数值计算均作为平面应变问题来处理。

(2)为消除边界效应，模型取足够大的尺寸，隧道处于模型的中心。隧道开挖的影响范围一般为隧道直径的3～5倍。因此本模型的尺寸取隧道直径的5倍，隧道位于正中央。

(3)根据隧道理论,在自重应力条件下，模型的左右边界施加水平方向的约束,在模型的底部施加水平和垂直方向的约束。

2 施工过程的有限元动态模拟

2.1 计算模型参数

以四车道V级围岩用台阶法开挖方式为例介绍分析过程，具体围岩及支护结构的参数参见表1。

表1 各材料参数

2.2 施工过程网格化模拟

上下台阶法的施工过程的单元网格图如图3～图6。

图3 上台阶开挖单元网格

图4 上台阶初期支护单元网格

图5 下台阶开挖单元网格

图6 下台阶支护单元网格

2.3 动态应力场分析

按照施工步骤进行计算模拟,得出开挖以及进行衬砌支护施工过程中隧道围岩初始状态遭到破坏后的应力图。如图7～图10为不同开挖步骤下的第一主应力云图。从图中可以看出,当上台阶开挖后,在拱部中央区域和开挖面的底部以及左右肩部围岩中出现应力集中现象,随着锚杆和衬砌等支护措施的完成,拱顶部的应力由0.079 4 MPa降低到0.051 0 MPa,拱底部的最大应力由0.399 MPa降低到0.251 MPa,应力集中现象得到缓解,而左右肩部应力集中现象也得到明显的缓解；当下部台阶开挖完成后,拱两侧和底部应力集中现象又趋于明显，并且拱顶和拱顶的应力开始增大。当最终的支护措施完成后,从图中可以看出,应力集中现象已经明显改善。

图7 上台阶开挖后的第一主应力云图

图8 初期支护后的第一主应力云图

图9 下台阶开挖后的第一主应力

图10 下台阶开挖支护后的第一主应力

2.4 位移场计算结果分析

图11～图14为各施工步骤相应的围岩位移场的分布情况。可以看出,每次开挖位移都会变化,但是总的曲线图没有太大改变。每次支护以后,位移场影响范围会相应减小,而再次开挖,位移场又会增大。表2为隧道在不同施工工序下围岩顶部,底部以及左右侧最大位移值。可以看出,断面上台阶开挖后且不做支护顶部位移达到28.01 mm,对开挖部分马上进行初期支护后顶部下沉量只有20.03 mm,减小了近8 mm；下台阶开挖后不打支护时顶部位移继续增加到24.09 mm,当开挖后马上做支护,顶部位移只有21.33 mm。洞室开挖断面的收敛情况同样可从表中看出随着工序的继续,底部以及测边的位移量也和顶部有着基本相同的变化趋势。因此及时的初期支护能够大大阻碍围岩的变形,防止围岩的坍塌。

图11 上台阶开挖后的竖向位移云图

图12 初期支护后的竖向位移云图

图13 下台阶开挖后的竖向位移云图

图14 下台阶开挖支护后的竖向位移云图

3 结论

本文以四车道五级围岩、开挖方式为上下台阶法开挖法 为例进行了实际开挖过程的动态模拟,并对计算结果进行了分析比较。有限元分析的优势就是可以方便的任意改变参数,大大节省了时间和工作量。通过有限元模型的计算,主要得出以下结论:

(1)开挖后,在围岩拱部中央区域和开挖面的底部产生较大的应力，而左右肩部由于几何形状原因出现了应力集中现象。

(2)开挖结束后,围岩中的应力将重新分布,支护降低了岩体中的应力,较大程度上缓解了应力集中问题。

(3 每次开挖，围岩将产生一定的变形，并且随着开挖的进行会逐渐增大，但是总的位移趋势是相同的，而支护能够大大的阻碍围岩的变形。

[1] JTJ 026-90公路隧道设计规范[S]

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