隧道异形初期支护结构自动化建模及安全评价

陈 江 刘敏捷

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳，550081）

0 引 言

由于工程地质、施工条件以及管理因素造成了隧道超欠挖，从而导致初期支护结构与设计结构不符，即初支“异形结构”，最终造成结构极限承载能力、运行变形量的变化。同时，超欠挖还会改变围岩的受力特征、影响围岩的稳定［1］。

对于由于超欠挖导致的初期支护异形结构，王明年等［2-3］采用理论解析结合自适应有限元的方法，分析了超挖对隧道应力状态的影响，发现当超挖存在时，对应力集中有较大影响，欠挖存在时，对支护结构有一定影响，经统计分析初步揭示了变异系数与不同衬砌厚度间的关系［4］。吴剑、杨建宏［5-6］则通过地质雷达等设备对隧道衬砌结构扫描获取的数据，获取了隧道支护结构厚度分布规律，通过数值分析等方法，获取了衬砌结构的变异系数值及其可靠度的分析函数，作为施工安全性的评价基础。施成华、彭立敏等［7-8］将衬砌结构分块并建立相互联系，以蒙特卡罗-随机有限元法为指导，研究了当衬砌某块结构失效后对整体结构可靠度的影响，提出了隧道支护结构失效指标及可靠概率的确定方法。

总之，以往的研究通常只涉及围岩应力分布与可靠性的定性分析，很少考虑到初期支护形态的变化，从而极限承载能力与稳定性也发生变化的问题。因此，探究隧道超欠挖情况下异形支护结构的力学特征将是一个重要课题。

1 隧道异形初期支护结构自动化建模方法的构建

1.1 隧道超欠挖信息的获取

超欠挖广泛存在于隧道施工中，不仅影响隧道施工效率、增加工程造价，还会改变围岩的受力特征、影响围岩与支护结构的稳定［9］。因此，隧道开挖后，需进行超欠挖情况测量。测量隧道开挖轮廓的常用扫描方法有两种：一种是基于激光点云的隧道超欠挖检测［10］；另一种是放样人员挑取突出部位进行局部测试。基于激光点云的隧道超欠挖检测方法，采用地面激光扫描仪进行隧道整体激光扫描，利用隧道激光点云进行隧道的超欠挖检测。通过利用隧道设计中线与隧道实测中线之间相对稳定的位置关系，以及隧道断面结构设计图，进行算法设计与计算机程序实现，自动进行隧道的超欠挖检测。将基于激光点云的隧道超欠挖检测系统采集的超欠挖数据进行处理后，获取的数据为具体有效的超欠挖部位坐标点，便可通过将数据导入Ansys 命令流进行数值建模，该模型便是考虑了超欠挖的实际初期支护结构几何模型。

1.2 自动化建模ANSYS实现

将激光点云获取的隧道超欠挖数据进行处理，然后导入Ansys 命令流进行数值建模。扫描系统以1 m 为一个扫描循环，即扫描设备将沿隧道进尺方进行四次环向扫描为一个循环。一个扫描循环的数据为一组数据，通过多组数据的收集归类，实现隧道整体的建模及数值分析。建模的具体步骤如下：

（1）点数据的录入及编码。定义关键点单元，由生成体的网格划分转化为节点单元，进行加载等操作。按照编号顺序通过命令流将坐标数据录入，获得并设为关键点及节点。通过定义关键点坐标，实现隧道初期支护结构的不规则六面体建模。

（2）模型建立。通过关键点由下向上建模。由关键点进行体的生成，并通过不断叠加生成，最终建立模型。最终获取第一个由两个六面体单元组合而成的，包含超欠挖信息的初期支护结构体模块，如图1所示。

图1 第一个含超欠挖信息的初期支护模块Fig.1 The first initial support module with over and under excavation information

图2 一个扫描循环的初期支护底部模块编码Fig.2 Coding of the bottom module of the initial support in the first scan cycle

（3）隧道开挖及初期支护一个循环的模型，将通过上述命令自动建立，并将模块自动累加。首先建立如图3 所示单次环向扫描完成后的环向模块，经过四次扫描完成一个循环后，最终获取一个扫描循环的初期支护异形结构模型（图4）。

（4）网格划分及属性定义。分别在隧道异形初期支护结构模块相应位置定义不同的材料和几何常数，同时进行网格划分，定义不同参数区域如图5所示。网格划分完成后，如图6所示。

图3 单次环向扫描完成后的累积模块Fig.3 Cumulative module after single round scan

图4 一个扫描循环获取的初期支护变异结构模型Fig.4 A variant structure model of initial support obtained by scanning cycle

图5 单元属性定义图Fig.5 Unit attribute definition diagram

图6 模型网格划分Fig.6 Model meshing

（5）创建弹簧单元。首先定义弹簧外侧关键点，将所定义的关键点与所建初期支护结构外侧关键点，使用L，P1，P2命令，创建连线。划分所创建的线，并定义其单元属性为Combin14 弹簧单元，并定义划分为一份，实现关键点创建弹簧单元。

（6）施加约束。分别于结构的纵向前后两个面施加Z方向约束，对底板施加全面约束。

图7 弹簧单元Fig.7 Spring element

图8 结构约束Fig.8 Structural constraints

图9 弹簧约束Fig.9 Spring constraints

（7）施加荷载。结构承受主动荷载及来自围岩结构的弹性抗力，在施加荷载时使用命令流循环对结构节点施加这两部分力。按照《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）［10］对初期支护结构承受荷载进行折减，同时考虑结构纵向前后两个面与其前后初期支护结构之间的联系，再次对其荷载进行折减。

（8）求解。完成（1）～（7）中的所有操作，使用求解命令可完成求解。并可查看结构变形及受力等情况。

2 隧道异形初期支护结构安全评价实例

模拟基于实际某高铁隧道工程，隧道围岩等级为Ⅳ和Ⅴ级，主要模型参数如下：隧道埋深30 m；内径为6.86 m；纵向长度为1 m；标准断面初期支护结构喷混凝土厚度为0.20 m。

将基于激光点云的隧道超欠挖检测系统采集的超欠挖数据进行处理后，获取的数据为具体有效的超欠挖部位坐标点，再将数据导入Ansys 命令流进行数值建模，得到拱顶、边墙超挖的模型，由于篇幅有限只展示拱顶超挖的模型图，如图10所示。

图10 异形初期支护结构自动化建模结果Fig.10 Automation modeling result of special shaped initial supporting structures

采用ANSYS15.0 三维立体数值模拟，分别模拟Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下隧道边墙（左侧）超挖、拱顶超挖以及无超欠挖（标准断面）这6种工况，如表1所示。

图11 异形初期支护结构各分析关键点示意Fig.11 Indication of key points in analysis of specialshaped initial supporting structures

表1 异形初期支护结构数值模拟计算工况Table 1 Numerical simulation of special-shaped initial support structure

2.1 模型建立

2.1.1 支护参数与作用荷载

（1） 支护参数支护结构采取喷射混凝土：h=22 cm；ϕ6 钢筋网：@20×20 cm；φ22 砂浆锚杆：@120×120 cm，L=3.50 m；工18型钢拱架：间距1 m。

根据《公路隧道设计规范》［11］《铁路隧道设计规范》［12］等资料取如表2 所示的计算参数。其中，对于钢拱架的模拟采用刚度等效法。

表2 隧道初期支护结构数值模拟材料参数Table 2 Material parameters for numerical simulation of tunnel initial support structure

（2）Ⅳ、Ⅴ级围岩荷载计算

根据相关隧道勘察报告，选取Ⅳ、Ⅴ级围岩物理力学指标如表3所示。

表3 各级围岩物理力学指标Table 3 Physical and mechanical indicators of surrounding rocks at all levels

2.1.2 单元与约束

喷射混凝土和型钢混凝土均采用solid45 号单元模拟，围岩与初期支护结构相互作用采用地层弹簧combin14单元模拟。纵向两侧面约束Z方向，底板和弹簧末端约束X、Y、Z三个方向。

2.2 模拟结果

Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，标准断面、存在左侧超挖及拱顶超挖情况下的初期支护结构模型的三维应力云图如图12所示。

图12 支护结构纵向变异数值模拟结果-第一主力（Ⅴ级围岩）Fig.12 Numerical simulation results of longitudinal variation of support structure-first main force（V-grade surrounding rock）

2.2.1 初期支护结构的适应性分析

根据ANSYS 数值模拟结果云图，提取数据如表4所示。

表4 各工况下结构受力关键值Table 4 Key stress values of structures under different working conditions

结合数值模拟云图以及表4 不同变异形态初期支护结构变形数值结果，可以发现：不论结构施作于IV 级围岩或V 级围岩，其周边收敛最大部位发生在拱肩处，由拱肩向两侧逐渐减小；拱顶沉降最大部位发生在拱腰处，由拱腰向两侧逐渐减小，同时超挖产生的位置不同也将对结构变形产生一定影响。异形断面初期支护结构的X、Y方向的位移均比标准断面小。因此可作初步判定，若超欠挖情况不严重，只要处理得当，将不会对结构变形产生影响。

2.2.2 初期支护结构的变形控制分析

初期支护结构的安全控制指标目前主要有两拱脚处位移累计值、位移相对值、拱顶下沉值、拱顶相对下沉值。

根据ANSYS 数值模拟结果云图，提取数据如表5所示。

表5 各工况下隧道周边位移相对变化情况Table 5 Relative variation of surrounding displacement of tunnel under different working conditions

由表格可知，异形断面的两拱脚处位移累计值与拱顶下沉值均小于标准断面值。其中，边墙左侧超挖将会极大地减小两拱脚位移累计值。因此可初步判定，左侧边墙的适当超挖将有利于初期支护的稳定。Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，位移相对值满足规范要求。

2.2.3 初期支护结构的承载力分析

将超挖部分各取三个控制点，即左侧边墙超挖范围内取三个控制点：起点A、中点B、终点C；隧道拱顶超挖范围内亦取三个控制点：起点D、中点E、终点F（图11）。分别提取各点的轴力值、弯矩值，计算其极限承载力，进而求得安全系数，求取结果如表6所示。

表6 标准断面初期支护结构各关键点的安全系数（Ⅳ级围岩）Table 6 Safety factors of key points in initial support structure of standard section（grade IV surrounding rock）

根据极限承载力结果，可知：①各种工况下初期支护结构各控制点安全系数都大于规范值，满足要求；②隧道超挖，拱脚的应力增大幅度最大，应力集中现象更为明显，主意原因系变异断面的拱脚约束处承载面积比标准断面小；③边墙超挖，其异形支护结构控制点的安全系数相比标准结构略微增大，因此可判定其有利于初期支护结构的稳定；④拱顶超挖，其异形支护结构控制点的安全系数相比标准结构有所减小，因此可判定其不利于初期支护结构的稳定；⑤标准断面拱脚处支护结构安全系数和变异断面拱顶处支护结构安全系最小，可作为初期支护结构承载能力控制点。

表7 标准断面初期支护结构各关键点的安全系数（Ⅴ级围岩）Table 7 Safety factors of key points in initial support structure of standard section（V-grade surrounding rock）

表8 变异断面初期支护结构各关键点的安全系数（Ⅳ级围岩）Table 8 Safety factor of key points of initial support structure with variable section（grade IV surrounding rock）

表9 变异断面初期支护结构各关键点的安全系数（Ⅴ级围岩）Table 9 Safety factors of key points of initial support structure with variable cross-section（V-grade surrounding rock）

图13 变异与标准初支结构安全系数对比图Fig.13 Comparisons of variation and safety coefficient of standard initial support structures

2.2.4 隧道初期支护结构变形现场监测

结合激光点云的隧道超欠挖检测系统采集的超欠挖数据以及ANSYS 建立的异形初期支护结构模型，在隧道现场进行初期支护结构拱顶沉降变形监测，结果如图14所示。

图14 异形支护结构拱顶沉降数值计算结果与实测值Fig.14 Numerical calculation results and measured values of crown settlement of special support structure

监测结果如下：

由对比结果可知，隧道拱顶沉降实测值普遍大于计算值，这与计算参数选取、实体隧道复杂的围岩地质条件以及监测误差有关，但其变化规律值得参考。同一围岩级别下，标准隧道断面的拱顶沉降值介于拱顶超挖与边墙超挖之间，拱顶超挖沉降值最大，边墙超挖最小，由此可初步判断边墙超挖利于隧道结构安全，这与上一小节安全系数分析结果基本一致。

3 结 论

本文针对初期支护结构异形导致其极限承载力与稳定性发生变化的问题，通过ANSYS 有限元分析软件对隧道异形初期支护结构进行数值模拟，初步探究了隧道异形支护结构的力学特征，对隧道施工控制和支护结构的安全性评价提供了理论依据。结论如下：

（1）研发了一种基于激光点云的隧道异形初期支护结构自动化建模方法，该法可实现包含超欠挖信息的初期支护结构精准化建模。

（2）隧道超挖带来支护结构安全系数的有增有减，虽无大量算例，但也证实了超欠挖对结构安全的不可忽视的影响。基于本算例，可初步研判：边墙超挖，结构安全系数增大；拱顶超挖，结构安全系数减小，初步判定“厚边墙、薄拱顶”将是支护结构的最优断面。

（3）通过该建模分析方法，针对隧道每一开挖断面，都可以确定一个允许变形量和安全系数，为逐段或逐榀分析评价初期支护结构、开展施工安全管控奠定基础。