基于ABAQUS的临临高速二狼山隧道初期支护数值分析

游录昌，李 涛

（山东省路桥集团有限公司,山东 济南 250014）

1 引言

多年来,随着我国经济的蓬勃发展,我国的高速公路的建设日新月异。由于山岭区地质条件多变,导致公路隧道工程施工技术复杂、施工工序繁多。总体而言,我国公路隧道建设发展速度迅猛,但起步较晚,经验不足,因此我国公路隧道设计与施工水平还有待提高。

很多学者对隧道计算模型的研究和应用做了大量工作。尹蓉蓉[1]通过考虑应力拱效应从而建立一种新的荷载-结构法计算模型,改善了荷载结构法模型模拟结果偏离实际的问题；刘海京等[2]基于地层结构法建立了包含纵向裂缝的隧道计算模型,并对含有裂缝的衬砌结构进了安全性评价。这些研究对隧道计算的准确性提供了理论依据,并为隧道初期支护的方法选择奠定了基础,但是对于隧道初期支护参数的优化还需要进一步的研究。

本文以二狼山公路隧道开挖支护为研究对象,利用ABAQUS有限元分析[3]软件,通过数值模拟分析该隧道Ⅴ级围岩段在两种不同支护方案下的拱顶下沉、水平收敛等围岩变形特性,并基于模拟结果,判断最优的锚杆间距和钢拱架间距方案,以达到在考虑施工安全及支护成本的前提下对该隧道初期支护参数进行优化的目的。通过分析数值模拟结果,也可判断在开挖过程中的不利位置,以便在进行隧道设计和施工时加以监测和预防。

2 依托工程概况

临淄至临沂高速公路工程LLKCSJ-1标段二狼山隧道工程位于淄博市博山区池上镇赵庄村西南侧约500 m处,该隧道为分离式隧道,隧道左线轴线起止桩号为ZK72+688～ZK73+190,长502.0 m,隧道右线轴线起止桩号为K72+695～K73+170,长475.0 m,拟建隧道属双向六车道中隧道。隧道选址区水文地质条件比较简单,海拔高程366.1524.1 m,相对高差约158 m,最大埋深约96.0 m,整体较陡；隧道选址区揭露和出露地层都是第四系残坡积层以及混合岩花岗片麻岩地层。二狼山隧道Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩段分布长度分别为235 m、465 m、267 m。

3 初期支护体系设计

我国隧道施工方法主要有TMB法、新奥法和盾构法等,在地层情况较为复杂多变、隧道结构形式复杂等情况下,新奥法相对于盾构、TMB法来说经济性较好,在我国长期被广泛应用。本区间隧道采用新奥法进行施工,充分发挥围岩的自承能力,最大程度减少对围岩的扰动。开挖后,以喷射混凝土、锚杆、钢筋网以及钢拱架作为初期支护手段,具体的开挖、支护顺序见图1。

图1 台阶法开挖、支护步骤示意图

初期支护的施工应在爆破、安全检查及量测、出渣等工作完成后进行。施工过程按照如下步骤进行：

（1）初喷C25混凝土,初喷厚度Ⅴ级围岩段取130 mm；Ⅳ级围岩段取120 mm；Ⅲ级围岩段取80 mm。

（2）安装钢筋网,Ⅴ级围岩段取200 mm×200 mm；Ⅳ级围岩段取220 mm×220 mm；Ⅲ级围岩段取250 mm×250 mm。

（3）安装钢拱架,沿隧道纵向间距Ⅴ级围岩段取60 cm；Ⅳ级围岩段取100 cm。

（4）打锚杆孔,安装锚杆,安装顺序为先顶后帮。其中Ⅴ级围岩段锚杆长度取4.0 m,纵向间距取0.8 m；Ⅳ级围岩段锚杆长度取3.8 m,纵向间距取0.9 m；Ⅲ级围岩段锚杆长度取3.0 m,纵向间距取1.2 m。

（5）复喷C25 混凝土,复喷厚度Ⅴ级围岩段取150 mm；Ⅳ级围岩段取130 mm；Ⅲ级围岩段取70 mm。

4 隧道初期支护参数优化分析

4.1 模型参数的选取

本专题以洞口Ⅴ级围岩浅埋段（K72+695,埋深20 m）为例,二狼山单洞三车道隧道结构设计的参数如下：锚杆采用Φ25 mm中空注浆锚杆,长度为4 m,环向间距为1.2 m,纵向间距为0.8 m；钢拱架型号为I20 b,间距0.6 m；喷射混凝土采用C25混凝土,厚度为280 mm,内置250 mm×250 mm钢筋网；二次衬砌为模筑混凝土结构,厚50 cm。围岩岩体物理力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

4.2 建立有限元模型

根据圣维南原理,隧道开挖以后洞室周唯岩体发生应力重分布,从而对隧道开挖洞室周围一定范围内产生影响,对于距离洞室比较远的围岩影响可忽略不计,故本专题设计建立的模型边界处的位移为零,根据规定[4],隧道数值模型水平、竖直方向尺寸一般取3～5倍洞跨距离,因此建立模型整体尺寸为100 m×60 m×30 m,除上边界以外,其他边界均设置法向约束,下边界除法向约束外其他两个方向均设置约束。本专题围岩部分选用摩尔库伦本构模型,衬砌部分选用弹性体,运用生死单元法,一个循环进尺为3 m,对隧道分成十次进行全断面开挖,初期支护参数见表2,隧道模型网格见图2。

表2 支护结构力学参数

图2 隧道模型网格

4.3 支护参数优化

第一种优化思路保持锚杆长度和混凝土厚度不变,改变锚杆间距和钢拱架间距；第二种优化思路保持锚杆长度、锚杆间距和钢拱架间距不变,改变混凝土厚度。针对这两种思路,给出了以下五种方案,包括优化前（方案1）和优化后（方案2～方案5）,具体支护参数优化表见表3。方便起见,将钢拱架和喷射混凝土的力学参数根据面积占比取一个平均数,钢拱架和喷射混凝土组成的衬砌模型网格见图3。

表3 五种方案对应的支护参数

图3 钢拱架及喷射混凝土混合支护图

4.4 围岩变形位移

（1）思路一

在该研究断面上提取优化前和优化后的相同特征监测点,比较方案1和方案2的拱顶下沉、周边收敛和锚杆的位移量,分别得到两种方案下的衬砌位移矢量云图和锚杆位移矢量云图,见图4～图7。

图4 方案1衬砌位移矢量云图

图6 方案1锚杆位移矢量云图

图7 方案2锚杆位移矢量云图

由图5～图8可知：同一初期支护断面上,支护参数经过优化后,相比优化前,同一位置处的位移（拱顶下沉、周边收敛、锚杆位移）变化虽然不明显,但都有不同程度的增大。

图5 方案2衬砌位移矢量云图

（2）思路二

同样的,在该研究断面上提取优化前和优化后的相同特征监测点,比较方案1和方案3～方案5的拱顶下沉和周边收敛的位移量,改变衬砌厚度,得到方案3～方案5下的衬砌位移矢量云图,见图8～图10。

图8 方案3衬砌位移矢量云图

图9 方案4衬砌位移矢量云图

图10 方案5衬砌位移矢量云图

由图可知：同一初期支护断面上,支护参数经过优化,及衬砌厚度逐渐减小后,相比优化前,同一位置处的拱顶下沉、周边收敛都有不同程度的增大,增幅同支护参数优化的强弱密切相关。

4.5 结果分析

从数值模拟结果来看,隧道开挖前周围岩体在自重应力作用下,位移的数量级非常小,故模型的建立比较成功,围岩初始状态位移矢量云图见图11。隧道开挖完成后,模型边缘处矢量位移很小,可以忽略不计,说明隧道模型尺寸合理,很好地避免了边界效应,隧道开挖后在衬砌作用下围岩位移矢量云图及剖面图见图12和图13。

图11 围岩初始状态位移矢量云图

图12 围岩位移矢量云图

图13 围岩位移矢量云图剖面图

综上分析,支护参数经过优化后,虽然初期支护及围岩变形位移比优化前有所增大,但变形都在可控范围内,符合相关规范要求,且支护材料的支护能力得到了更加高效的发挥。在确保施工安全的同时,可节约工程造价。因此,二狼山单洞三车道公路隧道初期支护的优化方案可行。

5 结论与讨论

本文依托二狼山隧道的工程概况,并基于数值模拟对该隧道的初期支护参数进行了优化。优化过程提供了两种思路并给了五种方案,最后综合结果分析,优化后虽然初期支护及围岩变形位移比优化前有所增大,但变形都在可控范围内,符合相关规范要求,且支护材料的支护能力得到了更加高效的发挥。在保证施工安全的同时,更好地节约了成本,使工程更加经济合理。

1）从数值模拟结果来看,隧道开挖前周围岩体在自重应力作用下,位移的数量级非常小,故模型的建立比较成功。

2）隧道开挖完成后,模型边缘处呈深蓝色,即矢量位移很小,可以忽略不计,说明隧道模型尺寸合理,很好地避免了边界效应。