有限元分析在隧洞塌腔处理中的应用

樊一平

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

在隧洞开挖过程中，经常发生灾害性事故，这会大大影响工期及工程费用， 甚至会危害到施工人员的生命安全。 隧洞塌腔是比较常见的一种隧洞施工事故，本文基于实际工程，通过有限元分析围岩的变形及隧洞支护过程中各部位应力的变化， 验证实际工程中支护措施的合理性。

1 研究背景

新疆某输水工程，全长148km，输水流量65m3/s，其中140km为无压隧洞段，主洞隧洞段主要分为钻爆施工段和TBM施工段。 主洞段全线设11条施工支洞，其中2#施工支洞设在主洞桩号13+500处，该支洞与主洞相交处为TBM1-1与TBM1-2之间的TBM检修洞段，该支洞长度1729m，综合坡度约12%，最大埋深200m，衬砌后洞型为城门洞型，主要作为施工机械、车辆的施工通行使用，同时也为主洞施工段排水、通气、出渣等提供通道， 主洞建成后作为主洞补气通道进行保留。 2#支洞穿越岩层岩石基本为黑云母石英片岩，支洞穿越围岩类别有Ⅲ、Ⅳ类，主要以Ⅲ类为主。

在现场施工过程中，2#支洞开挖至桩号1+235～1+240处时，边、拱顶出现塌腔，顶拱形成了高度3.6～6.3m的塌腔，塌腔体积大致250m3，塌腔最高处在1+240桩号处，塌腔高度6.3m，最大塌腔位置如图1。 根据现场地质人员查看，此段围岩较为破碎，为Ⅳ类围岩。

图1 桩号1+240处塌腔示意图

图2 隧洞断面结构

桩号1+235～1+240处隧洞埋深约120m， 隧洞形状城门洞型， 衬砌后断面尺寸为底宽7.0m， 高度6.8m， 隧洞支结方式为一次支护+二次衬砌的形式，其中一次支护措施为边墙、 顶拱施加厚度20cm的C25挂网喷护混凝土， 同时架立I16工字钢拱架，边墙、顶拱打设3.0m长φ25砂浆锚杆，锚杆间距1.2m，二次衬砌为厚度40cm的C30钢筋混凝土。 隧洞断面结构如图2。

2 隧洞塌腔的影响因素

2.1 施工影响

输水工程2#支洞穿越岩层岩石以黑云母石英片岩为主，穿越围岩类别有Ⅲ、Ⅳ类，主要以Ⅲ类为主。围岩等级较低， 因此在隧洞开挖过程中要尽量避免过多扰动围岩，保护围岩自身承载力，同时要实时支护，让其与围岩共同承载，增强隧洞的稳定性。

2.2 支护影响

支护反力与围岩变形之间存在一定关系： 隧洞开挖初始，围岩发生变形，若此时支护则造成支护反力过大，破坏围岩结构；若支护不及时则会造成围岩发生坍塌。因此在隧洞开挖过程中，要使围岩在保持稳定情况下充分释放应力， 当其应力释放至较小时便可进行支护。

3 修复措施

本次输水工程围岩等级较低，隧洞施工工艺不完善可能会造成洞顶开裂引起下沉，甚至造成塌腔问题，开挖后短时间或变形量小时，初期支护与地层共同承受形变压力，若支护不及时或支护后变形量过大，岩体松动后会使得荷载加大，由初期支护完全被动地承受松动压力。 因此，必须保证初期支护的强度和刚度，及时支护，控制变形。同时需要使用喷射混凝土对塌腔部位岩面进行封闭，防止已揭露的围岩进一步风化、掉块；塌腔部位应采用加密钢拱架进行加强支护，拱架之间加强连接，及时喷射混凝土封闭钢拱架，使其形成整体，待混凝土具有强度后采用相同标号细石混凝土进行分层回填，随后进行回填灌浆；根据现场围岩情况，还需要增加φ25随机锚杆。

4 有限元模拟设计

为了验证此塌腔处理措施是否合理， 是否会对原设计一次、二次支护措施产生不利影响，根据隧洞塌腔受力情况，选取断面为1+240处塌腔高度最大处断面进行有限元模拟计算。

本次数值模拟中回填混凝土、喷护混凝土及二次衬砌混凝土结构采用弹性介质以二维实体单元模拟， 围岩采用弹塑性Mohr—Coulomb准则模拟其屈服状态，拱架采用弹性介质以梁单元模拟，锚杆采用弹性介质以杆单元模拟。 左右垂直边界采用水平向约束，底部边界采用水平及垂直向约束。 计算模型网格如图3。

图3 计算模型网格图

5 计算参数选取

计算断面围岩参数根据前期勘探资料如表1，喷护混凝土、 衬砌混凝土和回填混凝土计算参数按规范规定混凝土参数进行选取，锚杆及I16工字钢拱架参数按钢材进行选取，支护混凝土及锚杆、拱架计算参数如表2。

表1 围岩计算参数

表2 支护措施计算参数

6 计算结果

6.1 围岩变形分析

在隧洞塌腔的过程中首先计算出围岩初始变形量，模拟隧洞塌腔，计算得到围岩变形云图如图4，围岩变形最大的位置为塌腔顶部围岩， 其变形量最大可达0.35cm。 从图4可看出，深层围岩变形量比浅层围岩变形量较小且趋于稳定状态； 经过喷射护混凝土、打锚杆及支拱架之后，可见一次支护围岩变形量集中在0.17～0.29cm之间， 二次衬砌围岩变形量集中在0.087～0.14cm之间，塌腔部位填充混凝土后，可见围岩变形量有明显减小，基本稳定在0.05cm以下，此时围岩变形量达到有效控制。

图4 围岩变形云图

因此， 通过及时支护围岩可有效控制其变形，且根据有限元分析可看出，不同的支护方式可使围岩变形量达到最大优化，使隧洞塌腔问题得到有效解决。

6.2 应力分析

从喷射混凝土应力云图可看出， 喷射混凝土后隧洞顶部比两侧喷射混凝土应力大， 应力由隧洞顶部向两侧逐渐递增， 直至隧洞拱肩部位达最大应力2.8MPa，此压应力小于规范规定的C25混凝土抗压强度设计值，并且隧洞两侧应力分布均匀，在边墙中部可见明显的应力集中现象， 但此时应力与顶部相比小很多，最小仅1.944kPa。 隧洞顶部与左右边墙交接部位应力值存在明显差异， 左半边墙应力值明显大于右半边墙，这与现场实际情况相符，这是因为实际工程中隧洞左边围岩相较于右边围岩等级较高，在岩性强度不同情况下，喷射等量混凝土，可见其承受应力也达到不同效果。

图5 计算应力云图

从I16工字钢拱架应力云图中可看出，I16工字钢拱架最大应力21.95MPa；观察锚杆应力云图，可以发现锚杆最大应力64.36MPa， 并且最大应力小于规范规定的三级钢允许抗压、抗拉强度设计值，这说明此时塌腔区域锚杆承担了部分承载力的作用， 并且根据锚杆应力图所示，锚杆应力呈现对称分布；二衬混凝土最大应力1.02MPa，最大应力小于规范所规定的C30混凝土抗压强度设计值。

根据应力有限元分析， 隧洞顶板处承受应力较大，因此容易造成隧洞塌腔事故。 通过喷射混凝土、采用加密钢拱架、打入锚杆等措施，可将其承受应力能力大幅度增加，从2.8MPa增至64.36MPa，这对塌腔安全问题的正确处理提供了宝贵的参考依据。

7 结语

（1）根据计算，塌腔处理后一次、二次衬砌的应力值均在规范允许强度设计值以内， 说明所采取的塌腔处理措施是合适的。

（2）计算时塌腔回填材料参数选用的是C25混凝土参数，已对钢支撑及喷护混凝土产生较大压应力，建议塌腔回填时采用密度较小且能保证强度的材料。

（3）为了减少塌腔回填材料对于一次支护措施的不利影响，应该保证回填质量，为塌腔回填材料与岩壁之间提供足够的摩擦力及黏结力， 一定要保证后期回填灌浆质量。