談分離式偏壓隧道施工過(guò)程仿真

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摘要：文章主要介紹基于地層-結(jié)構(gòu)模型的施工過(guò)程數(shù)值模擬來(lái)驗(yàn)算其初期支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)是否合理，并滿足設(shè)計(jì)要求以及合理的施工順序和圍巖加固措施。數(shù)值模擬結(jié)果表明，優(yōu)先開(kāi)挖埋深較小一側(cè)隧道是比較合理的，回填加固條件下，隨著隧道的施工其圍巖是穩(wěn)定的。

關(guān)鍵詞：CRD法；偏壓隧道；有限元

文章主要介紹采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行高速公路分離式偏壓隧道施工過(guò)程仿真分析，其主要內(nèi)容為：高速公路分離式偏壓隧道設(shè)計(jì)與施工概述；施工過(guò)程仿真分析；施工順序確定；圍巖穩(wěn)定性分析及其輔助措施；初期支護(hù)系數(shù)評(píng)價(jià)。針對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定施工順序以及保證施工的安全進(jìn)行。在具體計(jì)算中，所用到的單元主要為實(shí)體單元（Plane42）和梁?jiǎn)卧˙eam3）。在具體的模擬過(guò)程中，錨桿就不具體采用桿單元來(lái)模擬了，采用簡(jiǎn)化方法，將超前加固和錨桿一起用提高圍巖參數(shù)的方法來(lái)模擬。

1設(shè)計(jì)概述

本隧道所處的地質(zhì)條件比較差，從洞口的Ⅴ級(jí)到洞中Ⅲ級(jí)圍巖，特別是Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)圍巖的自穩(wěn)定性較弱，因此初期支護(hù)的設(shè)計(jì)要求較高。其隧道的埋深為20~100，埋深30m以下部分為Ⅴ級(jí)圍巖，長(zhǎng)100m；埋深50m以下為Ⅳ級(jí)圍巖，長(zhǎng)400m；埋深50m以上的為Ⅲ級(jí)圍巖，長(zhǎng)1000m。進(jìn)出口地形為偏壓狀，其偏壓坡度為30度，埋深最小的隧道一側(cè)的埋深為10m，而較大側(cè)的埋深為28m。

2計(jì)算方法與計(jì)算參數(shù)

隧道隧道斷面寬10.554m，高8.86m，左洞埋深10.50m，右洞距左洞19.50m，埋深27.8459，Ⅴ級(jí)圍巖。初次襯砌為C20混凝土，厚度為0.25m；二次襯砌為C30混凝土，厚度為0.50m；錨桿采用直徑0.25m，長(zhǎng)度3.5m@1.0m，鋼筋網(wǎng)取直徑8mm，間距25×25cm2布置；初期支護(hù)采用14#工字鋼，間距1.0m。橫向計(jì)算范圍，：自隧道左洞中心左側(cè)44.706m至右洞中心右側(cè)44.706m；豎向計(jì)算范圍：隧道拱部以上取30.50m，仰拱以下取20m。邊界條件：底部豎向約束，左右邊界橫向約束。本次計(jì)算中采用了兩種單元：用于模擬圍巖的實(shí)體單元（Plane42）；用于模擬噴射混凝土和鋼拱架的梁?jiǎn)卧˙eam3）。由于鋼拱架在隧道開(kāi)挖后對(duì)圍巖起到了很好的支護(hù)作用，故本次計(jì)算在取Beam3單元的幾何常數(shù)時(shí)，計(jì)入了鋼拱架在彎曲剛度方面的貢獻(xiàn)。計(jì)算中圍巖材料的屈服準(zhǔn)則采用D-P準(zhǔn)則。文章應(yīng)用ANSYS有限元軟件，采用釋放荷載法，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬過(guò)程：?jiǎn)?dòng)ANSYS程序→材料、實(shí)常數(shù)和單元類型定義→建立幾何模型→創(chuàng)建網(wǎng)格類型（工程上較規(guī)則位置網(wǎng)格大小取1m，不規(guī)則處應(yīng)適當(dāng)細(xì)化網(wǎng)格）→加載與自重應(yīng)力求解；以先開(kāi)挖左洞為例，加載與自重應(yīng)力求解→選擇左上部分開(kāi)挖土體周圍的一圈單元求解節(jié)點(diǎn)力F→重啟求解器→選擇左洞左上部分土體單元給予“死屬性”，“殺死”所有梁?jiǎn)卧鷮⒅八霉?jié)點(diǎn)力施加-0.8F→求解（模擬開(kāi)挖后未加支護(hù)情況的圍巖位移）→重啟→選擇左洞左上部分土體單元給予“死屬性”，“殺死”所有梁?jiǎn)卧鷮⒅八霉?jié)點(diǎn)力施加-0.3F→求解（模擬開(kāi)挖后施加支護(hù)情況的圍巖位移）。同理開(kāi)挖左下部分土體，應(yīng)當(dāng)注意已支護(hù)完成面臨空處鋼拱架（Beam3）單元荷載完全釋放（即施加0于該單元節(jié)點(diǎn)上），最后開(kāi)挖完成當(dāng)拆除中間四根臨時(shí)支護(hù)，釋放洞周荷載。

3不同施工順序受力及位移情況

隨著開(kāi)挖順序的進(jìn)行，圍巖豎向位移增加；但是，所增加的量不多。但先右后左的豎向位移要偏大。開(kāi)挖順序的進(jìn)行，圍巖豎向應(yīng)力總體上是增加的；在先左后右的開(kāi)挖順序條件下，先施工左隧道時(shí)，圍巖的豎向應(yīng)力的增加不多，為0.01MPa左右，而施工右隧道時(shí)，圍巖的豎向應(yīng)力的增加比較大，為0.6MPa左右；在先右洞再左洞的開(kāi)挖順序的條件下，先施工右隧道時(shí)，圍巖的豎向應(yīng)力的增加大約為0.7MPa，而施工左隧道時(shí)，圍巖的豎向應(yīng)力幾乎沒(méi)有增加；這說(shuō)明，在地形偏壓的條件下，施工埋深小一側(cè)的隧道對(duì)圍巖應(yīng)力的影響不大，而施工埋深較大一側(cè)的隧道對(duì)圍巖應(yīng)力的影響比較大；總體上來(lái)說(shuō)，先左洞后右洞的開(kāi)挖順序條件下的圍巖豎向應(yīng)力要偏小。

4施工順序確定

在地形偏壓的條件下，隨著開(kāi)挖的順序不同，其圍巖的變形也是不同的，這是由于地形的偏壓導(dǎo)致了圍巖初始地應(yīng)力的不對(duì)稱，這樣兩種地應(yīng)力的疊加才出現(xiàn)了以上情況。具體說(shuō)就是在先左洞再右洞的開(kāi)挖順序條件下的圍巖豎向應(yīng)力在兩種不對(duì)稱應(yīng)力情況下的疊加有減的作用，而在先右再左洞的開(kāi)挖順序條件下的圍巖豎向應(yīng)力在兩種不對(duì)稱應(yīng)力情況下的疊加有加的作用。所以說(shuō)明，從圍巖豎向應(yīng)力的角度講，應(yīng)優(yōu)先采用先左洞后右洞的施工順序。

5圍巖穩(wěn)定性分析及其輔助措施

本節(jié)主要從圍巖應(yīng)力和位移，以及洞周收斂位移等方面，分析在先左洞后右洞的施工順序條件下，采用埋深較小一側(cè)的回填加固措施和不采用回填加固措施這兩種工況對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。在采用回填土加固措施與否兩種不同的工況條件下，隨著開(kāi)挖順序的變化可以看出：（1）在自重應(yīng)力場(chǎng)條件下，由于地形的偏壓導(dǎo)致初始位移場(chǎng)也是不對(duì)稱的，其地形的豎向位移場(chǎng)形狀為左下偏U形，有回填條件下和未回填條件下圍巖的初始位移場(chǎng)的形狀總體上是相同的。（2）隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，總體上其圍巖的位移場(chǎng)形狀都是水平方向?yàn)橛疑掀玌形，而豎直方向?yàn)樽笙缕玌形，但是在隧道的正上方則具有V形，V形的頂點(diǎn)指向隧道中心。（3）由每一步開(kāi)挖情況下的位移數(shù)值大小比較可以看出，在采用回填土加固的條件下，其圍巖的位移比未加固的要小，說(shuō)明對(duì)于地形偏壓的隧道，采用在較低一側(cè)的土體回填來(lái)加固圍巖，從而可以減少隧道施工中圍巖位移。巖應(yīng)力和位移以及洞周收斂位移等方面可以看出，在先左洞載右洞的施工順序條件下，采用埋深較小一側(cè)的回填加固措施對(duì)圍巖穩(wěn)定性有所提高，特別是可以大大改善施工中的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，從而減小因地形原始偏壓帶來(lái)的應(yīng)力和位移的不對(duì)稱。同時(shí)，在采用回填加固條件下，隨著隧道的施工其圍巖是穩(wěn)定的。

參考文獻(xiàn)

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作者：吳文龍 單位：重慶交通大學(xué)