盾构法开挖梅岭隧道施工过程数值模拟分析

陈 艳，张定邦

(1桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004;2湖北理工学院土木建筑工程学院，湖北黄石435003)

近年来，随着技术的不断创新和经济的发展，公路隧道的修建已朝着越修越长、越修越宽、技术越来越难的方向发展。对于盾构隧道开挖引起的地层位移和地表沉降，其作用机理非常复杂。但随着科技的发展，特别是计算机技术以及相关岩土工程模拟软件的出现，人们越来越重视用数值模拟技术［1］来研究隧道开挖引起的地层位移和地表沉降。

1 工程概况

梅岭隧道位于江西省大余县与广东省南雄市交界处，隧道长4 080 m，最大埋深320 m，是韶赣高速公路的重要构筑物，隧道主要穿越寒武系板岩夹、碳质板岩和震旦系板岩，地质构造较复杂，经历多次构造运动，断裂、褶皱发育良好。本文选取的地层结构简单，表层为碎石土，下层分别由震旦系碳质板岩和砂质板岩组成［2］。

2 模型建立

模型物理参数表如表1所示。

表1 模型物理参数表

2.1 模型计算范围及网格划分

本文研究的隧道模型外径6 m，内径5.4 m，埋深12 m，土层计算厚度取41 m，计算宽度取63 m，计算长度取60 m［3］。

边界条件:通过选择X 轴(X=31.5，X=－31.5 面)、Y 轴(Y=－26 面)、Z 轴(Z=0，Z=－60 面)上的节点，在左右、前后4 侧土体均施加水平约束，底部土体面施加竖向约束，使土体只能在Y 方向上变形，再施加竖直方向的重力，设定以向上为正方向。边界条件和初始应力场模拟图如图1所示。

图1 边界条件和初始应力场模拟图

本文分析先建立平面内模型，采用Mesh200进行平面内的单元划分，将划分好的平面模型沿隧道轴线进行拉伸，再采用Solid45 单元划分体，得到隧道及其所在地层的三维实体模型，共有12 243 个节点和1 868 个区域。三维有限元网格图如图2所示。

图2 三维有限元网格图

3 施工过程模拟

本文中施工过程［4］的开挖分为13 步，每一步的开挖长度相等。每一步开挖又分为2个计算步:第一计算步模拟开挖、施加注浆压力，第二计算步模拟管片衬砌和注浆层硬化。在每步的第一计算步中，在设定好的时间步、坐标的条件下，杀死包括核心图、管片层、注浆层在内的土体单元，在选择的撑子面施加压力，求解。第二计算步在第一步求解完成，返回上一菜单后，先杀死核心土单元，然后改变管片和注浆层的材料参数，在面上施加压力，取消注浆压力，求解所有元素。

4 模拟数据分析

4.1 地层位移分析

地层沉降主要受地层扰动土的固结及地层沉降损失的影响，地层固结沉降是由于孔隙水压力的消散;地层损失则是由于施工对土体的扰动造成的。

本文分析的地层位移是相对位移，如图3～8所示。

图3 第1 步开挖引起的地层位移(m)

图4 第4 步开挖引起的地层位移(m)

图5 第8 步开挖引起的地层位移(m)

图6 隧道贯通后引起的地层位移(m)

图7 开挖步引起的地层位移沉降(m)

图8 开挖步引起的地层位移隆起(m)

由图7 可知，随着开挖的进行，地层位移下沉的最大值出现在隧道的拱顶，在前12 个开挖步中，沉降值在第3 步、第7 步略有增大，其他步都有略微减小，总体看比较平缓，但当到13步时，沉降值有明显增大，其拱顶产生的最大下沉量约为6.2 cm。由图8 可知，随着开挖的进行，地层位移隆起位移最大值在仰拱处，从开挖的第1 步到第4 步，隆起值有显著的增大，从第5 步开始，隆起值略有下降，直到第13 步时，隆起值略有增大。该隧道的隆起值在第4 步后，总体上变化不大，几乎稳定在一个数值上，其仰拱处产生的最大隆起值约为5.8 cm。

图9 第1 步开挖引起的地表沉降(m)

4.2 地表沉降分析

地表沉降［5－6］指的是因开挖引起开挖面围岩的岩松弛。本文分析的地表沉降云图如图9～12所示。

图10 第5 步开挖引起的地表沉降(m)

图11 第8 步开挖引起的地表沉降(m)

图12 隧道贯通后引起的地表沉降(m)

由图12 可知，隧道贯通后引起的地表沉降变化很大，形成了新的格局，地表沉降的最大值不再是在原点附近，而是发生在开挖的最后一步所在区域，且该区域范围较大，当然，原点处仍有较大的沉降，形成了沉降的区域两头大中间小，最大沉降值约为3.2 cm，最大隆起值约为0.17 cm。

开挖步引起的表层位移沉降如图13所示。由图13 可知，随着开挖的进行，表层位移沉降值从第1 步到第5 步逐步增大，到第6 步时开始略有下降，到第13 步时，表层位移沉降值又有大幅度的增大。在整个开挖过程中，第1 步开挖引起的表层位移沉降值最小约为1 cm，第13 步开挖引起的表层位移沉降值最大约为3.5 cm。

开挖步引起的表层位移隆起如图14所示。由图14 可知，随着开挖的进行，表层位移隆起值从第1 步到第12 步一直趋于上升的趋势，第1 步到第4 步表层位移隆起值增加比较明显;到了第13 步略有下降。在整个开挖过程中，第1 步开挖引起的表层位移隆起值最小约为0.04 cm，第12步开挖引起的表层位移沉降值最大约为0.2 cm。

图13 开挖步引起的表层位移沉降(m)

图14 开挖步引起的表层位移隆起(m)

4.3 管片结构应力分析

隧道最基本的结构单元是管片，管片在正常使用阶段承受的荷载能力与施工阶段相比有较大差异。由实际工程经验可知，管片在施工过程中更容易开裂，因此非常有必要研究施工过程中管片的受力情况。

图15 第2 步开挖后管片衬砌应力(Pa)

读入不同计算步可得出各个开挖步结束时的管片衬砌等效Mises 应力云图，如图15～20所示。

图16 第5 步开挖后管片衬砌应力(Pa)

图17 第7 步开挖后管片衬砌应力(Pa)

图18 第11 步开挖后管片衬砌应力(Pa)

图19 开挖步开后管片衬砌应力的最小值(Pa)

图20 开挖步开挖后管片衬砌应力的最大值(Pa)

由图15～20 可知，管片的应力云图的形状在开挖过程中逐步形成塔状递减波形，在图18 中，管片顶上2 片黄色区域的间隔变大，最大应力位置几乎没有改变，最小应力也仍出现在开挖的顶端。

由图19 可知，随着开挖的进行，管片衬砌应力最小值从第1 步到第2 步明显增大，从第3 开挖步到第13 开挖步，其应力值逐渐减小。在整个开挖过程中，第1 步的管片最小衬砌应力最小，约为61.248 kPa;第2 步的管片最小衬砌应力最大，约为78.498 kPa。由图20 可知，随着开挖的进行，管片衬砌应力最大值从第1 开挖步到第5 开挖步明显增大，从第6 开挖步到第9 开挖步，其应力值略有减小，从第10 开挖步到第13开挖步又略有增大。在整个开挖过程中，第1 步的管片最大衬砌应力最小，约为670 kPa;第5 步的管片最大衬砌应力最大，约为1 200 kPa。

5 结论

1)开挖过程中，地层位移的隆起值先增大，当增大到5.8 mm 时趋于稳定。地层位移沉降和隆起的最大值分别出现在隧道的拱顶和仰拱处。

2)开挖过程中，表层位移沉降值在开挖前几步逐步增大并趋于稳定，到最后一步时表层位移沉降值又有大幅度的增大;而地表沉降的隆起值一直处于增长的趋势，呈半抛物线状。地表沉降的最大值出现在模型的边界开挖面上。

3)随着开挖的进行，管片衬砌应力的最小值先增大后减小，数值波动范围不大;而管片衬砌应力最大值则先显著增大后趋于稳定，且出现在管片的中间两侧。

［1］李黎明.ANSYS 有限元分析实用教程［M］.北京:清华大学出版社，2005:2－3.

［2］刘大伟.梅岭隧道瓦斯成因及超前地质预报［J］.科技传播，2011(6):232－233.

［3］赖永标，胡仁喜，黄书珍.土木工程有限元分析典型范例［M］.北京:电子工业出版社，2007:107－162.

［4］季广丰.软土地层中盾构推进数值模拟［D］.浙江:浙江大学，2004.

［5］葛卫娜.地铁隧道开挖对地表影响的有限元分析［D］.北京:北京交通大学，2006.

［6］袁杰.盾构施工引起地表和土层形变的有限元分析与试验研究［D］.天津:天津大学，2006.