隧道开挖进尺对衬砌结构的影响研究

卢妙坍

（重庆交通大学 桥梁与隧道工程 重庆 400074）

隧道开挖进尺对衬砌结构的影响研究

卢妙坍

（重庆交通大学 桥梁与隧道工程 重庆 400074）

本文利用大型有限元软件ANSYS对隧道合理的开挖进尺进行三维数值模拟，得出不同开挖进尺对有衬砌和无衬砌情况下隧道围岩与支护结构的位移、应力的变化规律，据此合理确定隧道的开挖进尺，充分发挥围岩的自承能力，优化隧道的施工设计，降低建设成本。

ANSYS，三维数值模拟，有限元法，开挖进尺，

隧道在实际掘进过程中，围岩的应力重分布和复杂的围岩地质结构都会给施工带来不利的影响。因此，在隧道工程施工前，弄清楚工程掘进的过程中隧道结构和围岩的位移、应力、应变对于安全施工至关重要。计算机三维数值模拟隧道开挖能够快速、直观地了解开挖过程中可能出现的各种不利因素，据此建立合理的施工方案。

汪易森，李小群[1]采用三维弹塑性有限元，模拟计算洞室群的施工过程，得出了开挖过程应力，位移和屈服范围的变化规律优化了整体设计；惠丽萍，王良[2]探讨了浅埋暗挖土质隧道开挖进尺的优化，得出开挖进尺与地表沉降有关。但是这些方法事先无法了解隧道施工过程中围岩-支护体系的力学动态，如拱顶下沉、内空收敛、围岩与支护结构的受力等这样一些可以用来评定隧道稳定的重要资料和数据，故提出的设计方案的可靠性就有相当的局限。笔者根据工程实例建模分析以地层结构法为基础，运用有限元分析软件ANSYS模拟隧道施工实际开挖支护的力学状态，分析围岩各测点的位移，确定合理的开挖进尺，及时优化施工工艺，指导隧道施工。

1.工程概况

如图1-1为我国某高速铁路隧道的衬砌断面型式，具体尺寸见图。已知条件：隧道埋深50m，Ⅳ级围岩参数为重度γ为22kN/m3，变形模量E为1.3GPa，泊松比为0.35，内摩擦角27°，粘聚力c为0.20MPa；初期支护参数为喷射混凝土厚度28cm，混凝土标号C25，弹性模量为23GPa，泊松比为0.2，采用I20b钢架加强，间距为0.6m，弹性模量为210GPa

2.数值模拟过程

由于电脑计算能力有限，取隧道长度为60m，分15个开挖步，开挖隧道，每步进尺 4m。检测 30米处的拱顶下沉、周边收敛和掌子面挤出位移。衬砌采用SHELL181，截面宽度0.65m，弹性模量2.23GPa，泊松比0.2，密度2600KN/m3。围岩采用 SOLID45，弹性模量 1.3 GPa，泊松比 0.33，密度2200KN/m3，黏聚力0.2MPa，内摩擦角27°。

图1 隧道三维模型网格Fig.1 Grid of tunnel three-dimensional model

3.开挖步分析

自重作用下，先杀死衬砌单元，得模型在自重作用下变形、位移和内力；之后以4米/步是我开挖速度进行模拟，分别得出每个开挖步对应的开挖进尺的变形、位移和内力图以及未开挖部分的切片力。

4.测点数据分析

4.1 拱顶位移分析

根据计算，分别记录每一开挖步拱顶处的位移，并作出拱顶位移随开挖步的坐标图如下：

图2 有衬砌结构拱顶下沉位移Fig.2 Vault settlement displacement of lining structure

图3 无衬砌结构拱顶下沉位移Fig.3 Vault subsidence displacement without lining structure

随着开挖进尺的增大，距离监测点距离较近时位移逐渐增大，到达监测点时位移达到最大；有无衬砌时的拱顶位移趋势时一样的；对比分析可知，在有衬砌结构的隧道中其拱顶下沉位移大小比无衬砌的隧道小，较合理的开挖进尺为8m。

4.2 周边收敛位移分析

根据计算，分别记录每一开挖步拱顶处的位移，并作出周边收敛位移随开挖步的坐标图如下：

图4 有衬砌结构周边收敛位移Fig.4 Peripheral convergence displacement of lining structure

图5 无衬砌结构周边收敛位移Fig.5 Peripheral convergence displacement without lining structure

随着开挖进尺的增大，距离监测点距离较近时位移逐渐增大，到达监测点时周边位移达到最大；有无衬砌时的周边收敛位移趋势时一样的；对比分析可知，在有衬砌结构的隧道中其周边收敛位移大小比无衬砌的隧道大，其较为合理的开挖进尺为8m。

4.3 掌子面挤出位移分析

根据计算，分别记录每一开挖步拱顶处的位移，并作出掌子面挤出位移随开挖步的坐标图如下：

图6 有衬砌结构掌子面挤出位移Fig.6 Concrete lining of tunnel face extrusion displacement

图7 无衬砌结构掌子面挤出位移Fig.7 No lining structure of tunnel face extrusion displacement

随着开挖进尺的增大，距离监测点距离较近时位移逐渐增大，到达监测点时掌子面挤出位移达到最大；有无衬砌时的掌子面挤出位移趋势时一样的；对比分析可知，在有衬砌结构的隧道中其掌子面挤出位移大小比无衬砌的隧道小，其较为合理的开挖进尺为8m。

5.结论

从计算结果可以看出，随着开挖的进行，隧道结构检测点C的Y向位移随着离测点距离减小而增大，当开挖测点时发生最大拱顶下沉位移，有衬砌结构沉降量约为 7.46mm，无衬砌结构沉降量约为 7.86mm；随着开挖的进行，隧道结构检测点AB的X向位移随着离测点距离减小而增大，当开挖测点时发生最大周边收敛位移，有衬砌结构收敛值约为 3.62mm，无衬砌结构收敛值约为 3.94mm；随着开挖的进行，隧道结构检测点O的Z向位移随着离测点距离减小而增大，当开挖测点时发生最大掌子面挤出位移，有衬砌结构位移约为 0.342mm，无衬砌结构位移约为0.432mm；

由上述结果可知，该隧道较为合理的开挖进尺为8米。

[1]汪易森,李小群.地下洞室群围岩弹塑性有限元分析及施工优化[J].水力发电. 2001，(6): 35-38

[2]惠丽萍,王良.浅埋暗挖土质隧道开挖进尺的理论[S]. 铁道标准设计. 1995 (11): 25-2

In this paper reasonable tunnel excavation footage for 3D simulation has done using large-scale finite element analysis software ANSYS. We come to the change regularity, the lining and unlined cases, that different excavation footage on stress and displacement of surrounding rock and supporting structure of tunnel. Accordingly to determine reasonable tunnel excavation, give full play to the bearing capacity of surrounding rock, optimizing the construction design of the tunnel and reduce construction cost.

ANSYS, 3-D numerical simulation, Finite element method, Footage of excavation

TU 43；O344

A

1007-6344（2016）07-0047-02