隧洞开挖施工的数值模拟研究

赵首创

(费县许家崖水库管理中心，山东 临沂 273400)

1 概 述

随着我国西部大开发和丝绸之路的开展，越来越多的隧洞工程应运而生，对此学者们针对隧洞工程进行了大量的研究。安永林等[1]依托珠海某隧洞工程，研究了两种不同的施工工序对隧洞的影响，研究结果表明不同的施工工序条件下，隧洞危险区不同，应当合理选择施工工序，以保证隧洞的施工安全。叶逢春等[2]利用数值模拟对盾构隧洞施工的安全性进行了评估，评估结果表明隧洞的变形若控制在合理范围内，隧洞的安全性能够得到保证。吴悦等[3]通过数值模拟对可液化地层的隧洞进行了研究，研究结果表明衬砌厚度越小，衬砌的上浮位移越小，同时应当加强交界处的衬砌接头。陈春玲等[4]利用FLAC3D对不同直径、距离条件下的隧洞围岩进行了数值模拟研究，研究结果表明拱顶沉降与溶洞范围呈线性规律。张君宝等[5]利用数值模拟软件，模拟全断面法、CRD法和三台阶法对隧洞围岩的影响，研究结果表明三台阶开挖法为隧洞标准段的最优开挖工法。李顺群等[6]利用数值模拟，研究了基坑开挖对隧洞变形的影响，研究结果表明基坑开挖对隧洞变形的影响在可控范围内，满足工程稳定性要求。李晓菡等[7]利用MIDAS-NX软件对既有地铁隧洞施工进行了研究，研究结果表明路基回填高度应当控制在0.5～1.57 m范围内，可满足隧洞施工的要求。左广洲[8]结合隧洞运营过程中排水问题，提出了复合排水技术，并通过数值模拟对此技术进行了研究，研究结果表明复合排水技术能够解决隧洞运营排水问题，且该技术还有待进一步优化完善。翟永勇等[9]利用数值模拟软件，研究深基坑施工对临近隧洞的内力和变形的影响，研究结果表明严格按照基坑施工章程，可保证基坑施工不对临近隧洞造成不良影响。

以上研究均未考虑开挖对隧洞周围岩土体位移的影响，也未考虑隧洞二衬受力的影响。因此，本文结合实际隧洞工程，对隧洞周围岩土体进行地勘调查，利用MIDAS GTS数值模拟软件对隧洞开挖进行全过程的模拟还原，通过模拟结果对隧洞开挖的影响和效果进行评估。

2 工程概况

某隧洞工程位于我国西部地区，经过地勘调查可知，该隧洞位于河道一侧，隧洞周围从上至下岩土体分别为泥灰层风化土、泥灰层和灰层(图1)，隧址区地面高程520～1 020 m，相对高差最大约562 m，隧洞埋深180～550 m(图2)，岩土体的物理力学参数见表1。

图1 隧洞二维平面图(单位：m)

图2 隧洞隧址

表1 岩土体力学性质

3 数值模拟

3.1 模型的建立

利用MIDAS GTS数值模拟软件进行隧洞开挖的数值模拟研究，经过试算，选择隧洞的宽×高为92 m×69 m。试算结果表明，超过该边界1 m，隧洞应力和应变不超过0.01%，因此可认为该边界的选择是合理的。

隧洞采用CD法进行开挖，隧洞拱顶左右两边分别采用4和7根锚杆进行支护。见图3。

图3 数值模拟平面图

选择二维平面对隧洞开挖进行研究，初支混凝土为弹性材料，弹性模量为2.1×104MPa，容重为24.5 kN/m3，泊松比为0.21；二衬混凝土为弹性材料，弹性模量为3.2×104MPa，容重为25.6 kN/m3，泊松比为0.19；锚杆为弹性材料，弹性模量为2.2×105MPa，容重为78.6 kN/m3，泊松比为0.16。风化土、泥灰层和灰层选择实体单位，锚杆选择植入式桁架，内支撑选择板单元。

数值模拟共计5 942个单元、3 202个节点，数值模拟计算至隧洞稳定时停止。

3.2 模型的计算

第一阶段建立泥灰风化土层、泥灰层和灰层，并根据表1的数据进行赋值，设置边界自动约束，最后对岩土体进行清零。第二阶段为开挖阶段，按照CD施工法的次序，将隧洞部分岩体进行钝化，同时在钝化区域添加锚杆、初支混凝土或二衬混凝土。第三阶段依次将二衬混凝土进行赋值。经过以上3个阶段后，方可对隧洞模型进行计算。

3.3 模拟结果

3.3.1 变形分析

隧洞整体位移和竖向位移见图4和图5。

图4 隧洞整体位移(单位：m)

图5 隧洞竖向位移(单位：m)

由图4可知，隧洞的整体位移61.7%几乎位移为0，接近30%岩土体的位移集中于隧洞开挖部位，最大位移位于拱顶处，该位移不超过1 mm，且所占隧洞比率也不超过4%，说明隧洞开挖并没有对周围岩土体的位移造成较大的影响。

由图5可知，隧洞的竖向位移53.7%几乎位移为0，接近25%岩土体的竖向位移集中于隧洞开挖部位，最大位移位于拱顶和拱脚处，该位移不超过1 mm，且所占隧洞比率也不超过5%，说明隧洞开挖后也没有对周围岩土体的竖向位移造成较大的影响。

由图4和图5可知，隧洞开挖的整体位移和竖向位移均控制1 mm范围以内，没有对周围岩土体造成不良影响，满足隧洞工程稳定性要求。同时隧洞拱脚处因为位移较大，属于施工和管理的重点，应当加以重视。

3.3.2 支护结构变形分析

衬砌所受的弯矩见图6。

图6 二衬所受的弯矩(单位：kN·m)

由图6可知，二衬所受的弯矩最大处位于拱脚处，接近拱脚处次之，数值最大为88 kN·m，该区域仅占整个二衬的2.5%，弯矩受力较大处位于拱底，即仰拱处。由此可知，仰拱所受弯矩最为明显，应当被考虑成防护的重点。拱顶处所受弯矩不超过57 kN·m，满足工程稳定性的要求。

3.3.3 数值模拟总结

1) 隧洞的整体位移和竖向位移均控制在合理范围内，说明隧洞的开挖施工是合理的，并没有对周围岩土体的位移造成不良影响。

2) 二衬所受弯矩主要集中于仰拱处，拱顶所受弯矩较小，且受力较均匀。

由以上两点可知，隧洞开挖施工是合理的，满足工程稳定性的要求。

4 结 论

本文利用MIDAS数值模拟技术，对四川省巴中市某隧洞开挖进行了研究，结论如下：

1) 隧洞整体位移和竖向位移均控制在合理范围内，不会对周围岩土体的位移造成不良影响。

2) 隧洞二衬弯矩仰拱处最大，但均不超过工程允许的数值；拱顶处弯矩较小且受力较均匀，未出现应力集中的现象。

3) 研究隧洞断面属于常规断面，没有对隧洞的特殊断面进行研究。