MIDAS在隧道施工中的应用

尚瑨

摘 要：为了验证二次加强支护方法在隧道围岩级别较差段的支护效果，采用有限元软件建立二维数值模型，对初次支护与二次加强支护后隧道的竖向变形、支护结构中的轴力和弯矩进行对比分析。结果表明：简单的添加初次支护，隧道围岩的变形、支护结构中的轴力和弯矩较大，这支护结构安全系数不满足规范要求；二次加强支护后隧道围岩变形得到很好控制，支护结构中的轴力和弯矩大幅度减小，拱顶位移减小了7mm，仰拱位移减小7mm，支护结构中最大轴力减小了0.8MPa，最大弯矩减小了6kN·m，且分布趋于均匀，支护结构安全系数均满足规范要求。证明了二次加强支护方法的可行性以及必要性，对隧道施工起到了一定的指导意义。

关键词：隧道；MIDAS；数值模拟；二次加强支护

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.098

1 引言

随着我国的经济高速发展，公路建设在快速的更新和发展，随之而来的隧道工程也在发生日新月异的变化，各种各样的隧道也出现在我们的面前。由于隧道工程本身具有复杂性、不确定性以及高风险性等多重特点，使得隧道工程的发展面临很大挑战。大量研究成果和施工实例表明，开挖必然会引起围岩应力重新分布，导致围岩损伤破坏，影响隧道稳定性。特别是隧道洞口段，一般埋深较浅而且往往有偏压，岩体的承载能力极地，稳定性较差，如果选择的开挖、支护方法不合理，局部围岩的坍塌是不可避免的且围岩的破坏还可能从局部影响到整体隧道的稳定性。

文献均采用数值模拟方法模拟隧道开挖与支护，模拟结果说明支护对隧道的稳定性很重要，给施工提供一定的参考价值。本文采用MIDAS大型有限元软件建立隧道数值模型，模拟研究添加初期支护与二次加强支护后隧道稳定性对比研究。结果表明，强化支护方法的重要性和二次加强支护的合理、必要性。该方法可以很好准确的预测围岩变化规律，反映真实的围岩变化特性，有利于隧道的稳定性。

2 工程背景及MIDAS建模

2.1 工程概况

某隧道工程DK171+072～DK171+128段由于受断层影响，岩体节理裂隙发育，岩石风化严重，工程地质条件较差。单洞建筑界限10.25m（净宽）、5m（净高）该段分布有地下水，隧道开挖时，掌子面可出现滴水-渗水现象，局部可能出现漏水现场。根据地表及掌子面调查，确定围岩物理力学参数如表1所示。

针对该段性质较差的围岩工程，常规支护手段难以保证隧道支护结构的稳定与施工过程中的安全性，因此准备采用二次加强支护的手段进行支护。二次加强支护方法即在隧道开挖结束后立即采用C25喷射混凝土及18#工字钢梁进行初次支护，待初次支护稳定后再重复同样的支护手段进行第二次加强支护，从而使隧道开挖后能够稳定成型。为了验证这种支护方法的支护效果，采用MIDAS软件对隧道围岩及开挖支护过程进行模拟。

2.2 数值模拟

模拟的范围为隧道左右两侧各取70m，隧道顶板向上去70m，隧道底板向下取30m，边界范围满足圣维南原理。模型采用地层-结构计算模型，屈服准则采用莫尔-库仑准则，围岩物理力学参数根据表1进行选取.

3 MIDAS模拟结果及分析

隧道开挖后，分别施加初次支护和二次加强支护，两次支护完成后计算得到隧道竖直方向的位移云图如图1所示。由图1可知，两次支护后隧道沿竖直正方向和负方向的最大变形分别发生在隧道仰拱和拱顶位置，即隧道产生了底部隆起和拱顶下沉现象。在初次支护后，隧道仰拱凸起和拱顶下沉量分别为2.53cm和4.05cm。二次加强支护后，隧道仰拱凸起和拱顶下沉量分别达到了2.75cm和4.88cm。可以看出初次支护施加完成后产生的变形量比较大，而二次加强支护完成后隧道变形得到明显控制，说明二次加强支护完成后隧道的轮廓可以基本成型。

初次支护和二次加强支护后支护结构中的如表2内力所示，支護结构稳定的控制位置在拱顶、拱腰、拱脚和仰拱几个位置。

通过对比初次支护后与二次加强支护后支护结构中的轴力与弯矩值可以发现，支护结构中轴力和弯矩值均有明显的减小，而且轴力与弯矩的最大值与最小值的差值也在减小。首先，初次支护后，支护结构中轴力与弯矩的最大值分别为2797kN和36.5kN·m，二次加强支护后，支护结构中轴力与弯矩的最大值分别为1570kN和26.3kN·m，即二次加强支护施加后支护结构中的轴力与弯矩分别变为施加前的56.13%和72.05%。其次，初次支护后，支护结构中轴力和弯矩的最大值分别是其最小值的1.65倍和3.07倍；二次加强支护后，支护结构中轴力和弯矩的最大值分别是其最小值的1.63倍和2.48倍。由此可知，相比于初次支护后，在隧道二次加强支护后，支护结构中的轴力和弯矩均发生了比较明显的减小；同时，整个支护结构中轴力与弯矩的最大值与最小值的差值减小，即二次加强支护后支护结构中的内力变得更加均匀，有利于隧道结构的稳定性。

4 结论

（1）初期支护对围岩的竖向位移和水平位移起到一定的控制作用，但是二次加强支护后则能进一步控制隧道变形，有利于隧道结构的稳定性。

（2）二次加强支护可以大大减小支护结构中的轴力和弯矩值，同时使整个结构中的轴力和弯矩的最大、最小差值减小，更趋近于均匀，有利于隧道稳定性。

（3）二次加强支护后隧道支护结构中各部位的安全系数均满足规范要求，说明二次加强支护的必要性，也说明了分层加强支护这种支护方式的合理可行性。

参考文献

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