关虎冲隧道施工过程数值模拟与分析

张王杰

(中铁二十局集团， 陕西 渭南市 714000)

0 前 言

隧道施工由于其复杂的工程地质状况和诸多未知的因素，其安全性向来备受关注。由于隧道开挖过程难以用室内试验来模拟，因此，数值模拟手段成为研究隧道施工的重要方法。国内外在对隧道施工过程进行数值模拟方面取得了丰富的成果，充分证明了数值模拟手段的有效性。王文正等人[1]采用“施加虚拟支撑力逐步释放法”来模拟隧道开挖过程中应力的逐步释放，并通过ANSYS软件完全实现对隧道和地下结构等施工过程的数值模拟。霍润科等人[2]模拟了隧道的动态开挖过程，分析了开挖过程中围岩应力和应变的变化规律，并对施工过程中位移量较大及应力集中现象比较明显的部位进行了重点研究。彭璟等人[3]用有限元法针对三台阶和上下台阶法进行了分析，得出了上下台阶法围岩变形和塑性区分布比三台阶法小，三台阶法锚杆轴力、初期支护及二衬应力则比上下台阶法小的结论。夏才初等人[4]实测了相思岭隧道的中墙应力，并与有限元法计算结果进行比较，指导了现场施工。胡岩松[5]采用ANSYS软件对隧道施工全过程进行了数值模拟。本文针对某高速公路隧道的施工过程，应用有限元方法进行了数值模拟，研究了隧道开挖过程中的围岩变形状况。

1 工程概况

本文的研究对象关虎冲隧道位于湖南省境内的溆怀高速公路第10合同段，其左线线路里程为ZK125+090～ZK130+010，全长4918.0 m；右线线路里程为YK125+070～YK130+040，全长4970.0 m。隧道区地貌类型为中低山地貌，区内山顶最大高程为717.8 m，最低高程150.0 m。 隧道区内，冲沟中为冲洪积层，山坡及岗丘上为第四系残坡积层，下伏基岩为石炭系化学岩及震旦系寒武系浅变质岩和未变质的化学沉积岩及少量碎屑岩。隧道穿越多座山体，沿线剥蚀、切割强烈，山体陡峭，冲沟呈狭长得“V”字形，沿线山顶与紧邻冲沟高差一般为200～350 m。场地地下水主要为岩溶水和基岩裂隙水。岩溶水主要分布在石炭系白云质灰岩、白云岩灰岩等可溶岩分布区。隧道主要穿越III～V级围岩，应用新奥法原理施工，采用复合式衬砌。初期衬砌包括：拱顶和边墙部分采用梅花形布置药卷锚杆，单层钢筋网，喷射混凝土，格栅钢拱架；二次衬砌采用模筑混凝土。

2 数值模拟分析

有限元技术作为一种应用广泛的科学计算方法，已经成为解决复杂工程实际问题的重要手段。尽管隧道的洞型和施工工序均较为复杂，应用有限元计算分析仍不失为一种十分理想的方法。本文采用有限元方法作为数值模拟手段，选用了杆单元模拟锚杆，二维弹性梁单元模拟支护，二维实体结构单元模拟围岩及开挖的土体。各材料参数见表1，计算模型见图1和图2。

2.1 应力状态的模拟

在模拟隧道施工中，初始应力的模拟是十分重要的。本文在初始应力模拟时，只考虑岩土体的自重应力，忽视其构造应力。隧道开挖过程中，由于应力释放的时间效应和施工工序的先后，地应力的释放是一个逐步的过程。然而，每一步操作(开挖、支护)时，应力释放多少是很难确定的。本例按照一般经验，假定隧道开挖及施加初期衬砌时应力释放60%，施加二次衬砌时释放完全。

表1 关虎冲隧道材料属性表

图1 划分网格之后的有限元模型

图2 隧道衬砌支护模型

2.2 模拟结果

隧道各施工步骤后的位移云图见图3～图8。

图3 上台阶开挖后水平方向位移云图

2.3 数值模拟结果分析

根据有限元计算结果，可以得到表2～表4所示的隧道变形数据：

图4 上台阶开挖后竖直方向位移云图

图5 下台阶开挖后水平方向位移云图

图6 下台阶开挖后竖直方向位移云图

图7 施作二次衬砌后水平方向位移云图

(1) 拱顶沉降。根据现场监控量测结果，实际开挖拱顶沉降的最终值为6.37 mm，与数值模拟的结果6.17 mm比较接近。然而，考虑到地下水和构造应力的影响，后续使用过程中车辆振动荷载的影响以及结构的老化，地震等不利因素的影响，应适当加强该区的支护，以提高安全性，确保后续使用过程中不会因为这些不利因素引起的拱顶进一步沉降而使隧道不安全。

图8 施作二次衬砌后竖直方向位移云图

施工步初始/mm上台阶开挖/mm下台阶开挖/mm施加二衬/mm绝对位移22.2826.6227.1228.45相对位移04.344.846.17

注：相对位移是指相对初始位移的值。

(2)周边收敛位移。由收敛值可以看出，在开挖上台阶时，不仅没有收敛，反而扩张了，且根据现场监控量测结果，最终收敛值为7.06 mm，比有限元模拟结果得出的1.20 mm要大很多。这应该是由于本文对初始应力的模拟上的缺陷引起的。本研究中由于没有实际地应力量测数据，因此，初始地应力是只考虑自重应力的结果，并没计入构造应力。而实际上，构造应力，尤其是水平向的构造应力对隧道变形的影响是很大的。因此，在以后做数值模拟时，初始应力的模拟应尽量使用现场实际量测值。

表3 周边收敛计算结果

注：收敛值是指图2中的A-A测线的收敛值

(3) 仰拱隆起量。由表4可以看出，不管是上台阶开挖还是下台阶开挖，都对隧道仰拱部位(虽然仰拱还未施加)产生了一定的变形影响。在施加仰拱后可以计算出，相对于下台阶开挖后的位置，三个监控点处的仰拱隆起量分别为：1号点：0.32 mm；2号点：0.22 mm；3号点：0.17 mm。这比实际监控量测结果(分别为1.24，1.06，1.43 mm)略小，因此在施工时应特别注意观察仰拱的隆起状态，并根据现场状况采取相应的防范措施。

表4 仰拱隆起量计算结果

注：监测点是指图2中的仰拱隆起监测点。

3 结 论

本文针对湖南溆怀高速公路关虎冲隧道工程施工过程进行了数值模拟研究，着重分析了隧道开挖过程中的围岩位移变形状态，得到了每个施工步骤后的拱顶沉降、周边收敛、以及仰拱隆起量的数据，并与后期实际监测结果进行了对比分析。分析结果表明，拱顶沉降和仰拱隆起量的模拟计算结果与实测值较接近，但是周边收敛的数值计算结果和实测结果存在一定的差异。这主要是由于本研究中初始地应力只考虑自重应力，并没有计入构造应力所造成的。因此，在隧道施工过程的数值模拟中，初始应力场应尽量采用现场实际量测值。

参考文献：

[1]王文正，夏永旭，胡庆安.公路隧道施工过程的数值模拟及ANSYS实现[J].西部交通科技，2007(4):1-4.

[2]霍润科，于振振，岳齐贤.隧道台阶法施工的数值模拟与分析[J].水利与建筑工程学报，2011,09(1):6-9.

[3]彭 璟，刘彤彤，张为民.台阶法施工隧道结构受力性状有限元分析[J].路基工程，2009(5):121-122.

[4]夏才初，刘金磊.相思岭连拱隧道中墙应力研究[J].岩石力学与工程学报，2000,19(z1):1115-1119.

[5]胡岩松.ANSYS模拟隧道施工过程应用[J].山西建筑，2010,36(3):341-342.