电力隧道浅埋暗挖法施工地层变形二维数值模拟分析

黄方泉 张光碧 姚良学 朱迪生

（1.四川大学水利水电学院 四川 成都 610065；2.成都市政工程设计研究院 四川 成都 610015）

地层变形的预测方法主要有经验公式法、模型试验法和理论方法，其中理论方法一般包括解析法和数值法。由于数值法具有能够较好的模拟复杂的边界条件、岩土介质的特性和动态模拟实际的施工过程等特点，因而在模拟复杂的地下工程中得到了广泛的应用。本文即采用数值法对双庆路电力隧道浅埋暗挖法施工地层变形进行模拟分析。

1 工程概述

双庆路电力隧道工程位于成都市，该隧道在00+00～01+80段采用浅埋暗挖法进行施工。本片区所处地貌为岷江水系成都平原II级阶地，场地地形起伏较小。由上至下地层依次为第四系全新统人工填土层、第四系上更新统冲洪积层及白垩系上统灌口组泥岩地层，其中第四系上更新统冲洪积层为粘土、粉质粘土和卵石，卵石层顶板埋藏深度7.3m～10.7m。该隧道埋深约9.0m～16.0m，开挖范围以上覆盖层主要为第四系全新统人工填土层，开挖断面范围以第四系上更新统冲洪积层为主，粘土、粉质粘土和卵石层为隧道持力层。开挖方式采用上下台阶预留核心土的开挖方式，并配以小导管注浆的超前加固措施及挂双层钢筋网、设格栅钢拱架及喷射砼等支护措施。

2 地层变形的二维有限元数值模拟

引起地层变形的因素很多，本文仅就隧道的断面形式、开挖方法及预加固措施对地层变形的影响进行研究。

2.1 基本假设与参数的选取

（1）在建立模型前做了以下基本假设：

①地层为均质、连续、各向同性的介质；②岩土体及加固区材料采用D-P材料本构模型，不考虑体积的膨胀，混凝土材料为线弹性材料；③由于为城市浅埋软弱围岩隧道，岩土体较破碎，故本次初始应力场只考虑自重应力场，不考虑构造应力的影响；④不考虑地下水的影响；⑤模拟时只考虑初期支护的作用，二次衬砌仅作为安全储备，模拟时不予考虑；⑥只考虑重力作用，不考虑地面荷载及建筑物的影响。

（2）材料参数及单元的选取

双庆路电力隧道为Ⅴ级围岩，以第四系上更新统冲洪积层为主。在ANSYS中，土体材料采用D-P准则进行模拟。采用4节点，Plane42二维实体单元模拟隧道围岩，求解平面应变问题前需将其默认的平面应力单元修改为平面应变单元，采用二维弹性梁单元Beam3来模拟初期支护的混凝土。参照实际工程资料并结合《公路隧道设计规范》(JTG D70－2004)选择材料的参数，见表1。

2.2 边界条件和模型尺寸的确立

本次模拟隧道左右边界均取5倍的洞室跨度，下边界取5倍的洞高，由于埋置深度为9.0m，故上边界取至地表。洞室跨度方向取40.0m，高度方向取39.0m，最终建模尺寸为40.0m×39.0m（宽×高）。对于建立的模型，左右边界施加X方向的约束，下边界施加Y方向的约束，上边界选至地面，不施加约束。

2.3 断面形式对隧道地层的影响分析

本文运用ANSYS就矩形、直墙拱形、椭圆形和圆形这四种断面形状开挖对隧道地层变形的影响进行模拟分析[1]～[3]。其计算结果及分析如下。

以上四种断面形式的隧道关键位置的位移和应力见表2。

结合表2，从受力和位移的角度考虑，最优的断面依次为圆形、椭圆形、直墙拱形、矩形。但在满足相同净空的条件下，圆形断面隧道施工成本较高。双庆路电力隧道属于浅埋暗挖隧道，地层的应力相对较小，主要考虑断面形式对变形产生的影响。本电力隧道的尺寸为3.74m×5.22m（宽×高），属跨度小而高度大的小断面隧道，而椭圆形隧道一般用于跨度相对较大的大断面隧道。直墙拱形断面隧道施工起来相对较简单，施工速度较快，对控制地层的沉降有利，下文的模拟即采用直墙拱形断面形式进行研究。软弱围岩隧道施工时，拱顶要做一定的预加固措施。

2.4 预注浆超前支护对隧道地层沉降的影响分析

双庆路电力隧道为浅埋软弱围岩隧道，开挖前沿拱顶和上断面环向施作L=2.5m，φ32超前小导管，环向间距300mm，仰角5°～8°，浆液采用水泥浆。用ANSYS进行数值模拟时拟在拱顶和上半断面范围形成了厚度为2.5m的加固区。

在ANSYS中，对于超前小导管注浆预支护措施的模拟是通过提高加固区围岩的材料参数实现的。在相同的埋置深度、初始地层条件和开挖方法下，通过以下几种工况模拟隧道预加固措施对地层沉降的影响[4]～[5]：①工况一：不进行注浆超前支护；②工况二：注浆后按提高隧道围岩加固区参数10%考虑；③工况三：注浆后按提高隧道围岩加固区参数20%考虑；④工况四：注浆后按提高隧道围岩加固区参数30%考虑。其计算结果及分析如下：

（1）预注浆超前支护对拱顶沉降的影响

由数值模拟计算知：隧道开挖完成时，四种工况下产生的最大地层沉降均发生在开挖隧道的拱顶部位，位移分别为19.007mm、17.452mm、16.660mm、16.423mm，拱顶位移由工况一减小到工况四，分别降低了9.0%、4.53%、1.59%，地层沉降变化速率呈逐渐减小的趋势。由上分析知，当加固区围岩参数提高到20%时，再通过提高预注浆的强度改善加固区土体的性质，对于减小拱顶的沉降效果已不明显。

（2）预注浆超前支护对地表沉降的影响

选取地表一系列点为观测点，读取隧道开挖时地表观测点的地表沉降值，如图 1。

图1 预注浆超前支护对地表沉降的影响

图2 开挖方法对地表沉降的影响

表1 有限元计算的物理力学参数

表2 不同断面形式隧道关键点位移与应力比较

表3 不同开挖方法地层沉降表

由图1知，四种工况下产生的最大地表沉降均发生在开挖隧道中轴线的正上方，变化规律基本符合Peck公式描述的正态曲线形式，且其值由X=0至X=+20m（-20m）逐渐减小，并关于Y轴对称。四种工况下最大地表沉降量分别为6.82mm、6.15mm、5.90mm、5.81mm，地表沉降量由工况一减小到工况四，分别降低了8.48%、4.06%、1.53%，地表沉降变化速率呈逐渐减小的趋势。地表最大沉降的变化趋势跟拱顶沉降类似，当加固区围岩参数提高到20%时，再通过提高预注浆的强度改善加固区土体的性质，对于减小地表沉降的效果已不明显。

由此可见，单纯通过提高超前支护注浆的材料强度来控制地层的变形是不合理的。

2.5 不同开挖方法对浅埋暗挖隧道地层变形数值模拟

浅埋暗挖常用的施工方法有：全断面法、上下台阶法和上下台阶预留核心土法[6]～[8]。对三种施工方法采用相同的埋置深度和围岩参数，注浆后按照提高隧道围岩加固区参数10%考虑，三种施工方法分别对应工况一、工况二和工况三。其计算结果及分析如下：

（1）开挖方法对拱顶沉降的影响

由数值模拟计算知，竖向最大沉降量发生在拱顶部位。各开挖方法产生的拱顶沉降见表3。

由表3知，全断面法开挖产生的沉降量最大，上下台阶法次之，上下台阶预留核心土法产生的沉降量最小。对工况二、三而言：最大沉降主要发生在上台阶开挖阶段，开挖的总沉降量分别为全断面法开挖的88%、83%。

（2）开挖方法对地表沉降的影响

选取地表一系列点为观测点，读取隧道开挖时地表观测点的地表沉降值，如图2。

由图2知，三种工况下产生的最大地表沉降均发生在隧道中轴线的正上方，变化规律基本符合Peck公式描述的正态曲线形式，且其值由X=0至X=+20m（-20m）逐渐减小，并关于Y轴对称。三种工况下最大地表沉降量分别为 6.15mm、5.26mm、4.81mm，跟拱顶沉降的规律类似，全断面法开挖引起的地表沉降最大，上下台阶法次之，上下台阶预留核心土法最小。

3 结语

（1）本文结合双庆路电力隧道工程，利用ANSYS对隧道的断面形式、预加固措施、开挖方法等因素对地层变形影响进行了数值模拟分析，为类似隧道工程设计施工提供了一定的参考。

（2）在相同的施工条件下，从对变形的影响分析，最优的断面形式依次为圆形、椭圆形、直墙拱形、矩形。直墙拱形断面隧道施工对控制地层的沉降有利。

（3）提高注浆区围岩参数能够降低拱顶和地表的沉降量，但超过一定限度后，对于减小拱顶和地表的沉降效果已不明显。

（4）上下台阶预留核心土法开挖引起的拱顶和地表沉降较小，表明施工时将较大的断面划分成小的断面，且每步通过支护措施，均成环封闭，有益于减小地层的沉降。陕西水利

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