公路隧道施工中的弹塑性数值模拟.doc

软弱围岩隧道施工中的弹塑性数值模拟陈瑛（单位，中铁十一局一公司 襄樊）摘要： 以乔庄隧道的软弱围岩段实体建模，应用有限元程序对其施工全过程进行二维弹塑性数值模拟，得到了初期支护和二次衬砌等支护构件的受力和围岩位移收敛状况。另外，现场实际量测拱顶下沉和拱腰水平收敛值以及支护受力与计算数据的相互比较表明，两者变化规律吻合较好。说明采用现场动态监控量测与有限元仿真模拟相结合的方法可为隧道衬砌设计和施工的安全可靠性提供科学依据和技术指导。关键词: 公路隧道；软弱围岩；动态监测；有限元模拟中图分类号：U456 文献标识码：Elastoplastic Numerical Calculating in Soft surrounding rock section During Construction processChen ying (, Xiang fan 邮编, China)Abstract: The tunnel in soft surrounding rock was modeled based on Qiaozhuang Tunnel, and two-dimensional elastoplastic numerical simulation is conducted for construction process. The convergence deformations of surrounding rocks, the stresses of initial and secondary lining are obtained. In addition, comparison of arch crown settlement, horizontal convergence of haunch and stress of lining between in-situ testing data and computing ones shows that the variation laws fit preferably. These results shows that not only the in-situ dynamic measurements but also the analysis of FEM be important for successful construction of the tunnel under soft surrounding rock mass. Key words：Highway tunnel; soft surrounding rock mass; dynamic monitoring; FEM simulation0 引言 以新奥法修建的公路隧道中，隧道浅埋软弱段具有埋深浅、围岩稳定性差和受力复杂的特点，施工中稍有不慎就会造成围岩的过大变形而导致失稳。因此，对于隧道浅埋软弱段围岩在施工中的沉降及位移变化规律的研究非常重要1-4。而目前对此研究的方法有以下3种：现场量测方法；模型试验方法；数值模拟方法。3 种方法各有利弊，互为补充。本文以数值模拟为主，对隧道施工全过程进行模拟，同时结合现场实测数据对计算结果进行对比，以检验、分析结果的合理性。1 工程地质概况乔庄隧道为单向分离式单向行车双车道隧道，隧道净宽10.25m，净高5.0m。左线隧道长1970m,右线隧道长1920m，是济邵高速公路的重点控制工程之一。隧道通过侵蚀剥蚀低山丘陵区，地形起伏较大，最大相对高差约130m，山体走向近东西向。上部覆盖层为黄土状亚粘土，局部出露新第三系洛阳组未胶结砾岩和三叠系二马营组粉砂质泥岩。隧道洞身段主要为弱风化砂岩和泥质粉砂岩互层，两端洞口附近为强风化砂岩和泥质粉砂岩，且埋深较浅。总体而言，隧道围岩强度较低，遇水易软化，节理裂隙发育，自稳能力差。根据设计文件提供的围岩分类情况，除洞口地段定为V级围岩外，其余都为IV级围岩。在该隧道左线的ZK42+665附近,地表处于一个大的冲沟范围内，地形呈左高右低走势，存在偏压现象。该断面附近洞段岩性主要为泥岩和泥质粉砂岩互层，岩体呈典型的块碎石状镶嵌结构，受地质构造影响严重，节理裂隙普遍发育，同时隧道内有大量的地下水渗入，施工中时有掉块现象，围岩稳定性较差，该断面在隧道软弱围岩段中具有典型代表性。2 隧道监控量测为了深入了解复杂地质条件下隧道开挖过程中应力重分布的变化特征以及对洞室稳定性的影响，更好地运用量测数据指导设计及施工，在该隧道区段除了进行隧道拱顶下沉和净空收敛等常规的监控量测外，还在ZK42+665处进行了多项应力的现场测试，这些测试项目包括钢拱架应力测量，喷射混凝土层应力量测及二次衬砌量测等。2.1 量测方案根据设计资料，ZK42+665附近洞段为IV级围岩，其支护设计参数为：初期支护采用25先锚后灌式注浆锚杆（间距为1.01.0m，梅花形布置，锚杆长3.0m）、14号工字钢（间距1.00m）、R6钢筋焊接网（间距1515cm）、200mm厚C25喷射混凝土；二次衬砌为350mm厚C25混凝土。采用JSS30型收敛计和水准仪分别进行洞内净空收敛和拱顶下沉的量测；采用XJH-2型振弦式混凝土应变计和XJD-2(B)型钢板应变计分别进行喷射混凝土层和钢拱架应力量测及二次衬砌应力量测，各测点与量测元件的布置图见图1。 （a） 监控量测点布置图 （b）应变计布置详图图1测点与量测元件的布置图Fig.1 Distribution of measuring points2.2 量测结果与分析2.2.1量测结果ZK42+665断面位移收敛时间曲线见图2、喷射混凝土、钢拱架及二次衬砌混凝土的应力时间曲线分别见图3-图5。 图2 初期支护位移与时间的关系曲线 图3 喷射混凝土应力时间曲线Fig.2 Displacement-time curve of initial lining Fig.3 Stress - time curve of sprayed coatings 图4 钢拱架应力时间曲线 图5 二次衬砌混凝土应力时间曲线Fig4 Stress - time curve of steel bow member Fig 5 Stress - time curve of secondary lining2.2.2结果分析 从图2图5可以看出：（1）拱顶下沉和水平收敛曲线可分为3个阶段：第一阶段，急剧变形阶段，此阶段变形在开挖及初期支护后7左右，变形速率较大,其当日变形速率0.5/；第二阶段，缓慢变形阶段，此阶段变形速率开始减缓，在30之内，其当日变形速率0.2/(水平收敛)和0.15/(拱顶下沉)；第三阶段，稳定变形阶段，此阶段在开挖及初期支护35d之后，当日变形速率趋于零，变形逐渐稳定。 （2）喷射混凝土层所受应力均为压应力，且喷射混凝土层应力前期增长较快，7d就达到7.36MPa，随后混凝土应力开始缓慢增长，到15天后基本趋于稳定。稳定后左侧拱腰的应力最大其最终量测值为7.77 MPa，右侧拱脚的应力次之，其最终量测值为7.39MPa，拱顶的应力相对较小，其最终量测值为5.97MPa。说明喷射混凝土对围岩有较好的加固作用，提高了围岩的自身稳定性。（3）钢拱架应力前期增长也较快，7d就达到112.86MP。可见钢拱架承担了较大的围岩初始释放压力，能有效地约束围岩早期的快速变形，在初期支护中起到较大的作用。30天左右钢拱架应力趋于稳定，稳定后的钢拱架，拱腰和拱脚部受力较大，顶部受力相对较小，在施工中应适宜加设锁脚锚杆以改善型钢支护的受力状态。同时钢拱架以承受轴向压力为主，且所受弯矩量值不大，说明钢拱架仍属承压构件，符合隧道支护结构以承压为主的要求。2 数值模拟计算2.1 有限元模型的建立为保证计算的准确性，整体建模严格按照施工图纸，计算模型边界范围为：隧道横向取100m(大于5倍洞径)，竖直向上取至地表(最小40m，最大60m),竖直向下取40m(4倍洞径)。隧道围岩按匀质弹塑性材料考虑，采用 DruckerPrager准则。围岩采用4节点平面实体单元，锚杆采用2节点平面杆单元，初期支护和二次衬砌采用2节点平面梁单元6-9。初期支护采用等效方法计算，将钢拱架的弹性模量折算给与它相邻的混凝土，具体为：折算后混凝土弹模=原混凝土弹模+(钢拱架面积钢材弹模)混凝土截面积。因锚杆、初期支护和二次衬砌的力学特性远较类围岩好，计算中视为弹性体。为准确求解, 在隧道结构附近采用细密单元。计算模型的边界条件为：两侧边界节点采用水平方向约束，底部边界节点采用竖直方向约束。因隧道埋深较浅，故计算时按自重应力场考虑。计算模型如图6所示，其岩体及支护材料物理力学参数见表1。表1 岩体及支护材料物理力学参数Table 1 Physical mechanics parameters of rock and lining材料弹性模量E/GPa泊松比容重/(kNm-3)粘聚力c/MPa内摩擦角/()围岩锚杆初期支护二次衬砌1.821025230.350.30.20.2187725250.425 （a）整体模型 （b）初期支护 （c）二次衬砌 图6 计算模型Fig.6 Numerical computation model2.2 开挖模拟隧道开挖采用有限元程序提供的单元“生”、“死”功能进行模拟，通过分次杀死单元和分次激活单元模拟隧道的分步开挖及锚杆、初期支护和二次衬砌的施工过程。计算时依据现场量测位移分别在不同阶段选取不同的地应力释放系数，以反映不同施工阶段的变化10。其具体开挖步骤为：形成自重地应力场上断面开挖，释放载荷 30%上断面初期支护，释放载荷 60%下半断面开挖，释放载荷30%下断面初期支护，释放载荷 60%全断面施作二次衬砌，释放载荷 10%，整个循环共计6个施工开挖步。2.3 计算结果分析根据计算结果整理，ZK42665断面最终开挖完成后初期支护的轴力和弯矩图如图7、图8示，初期支护阶段隧道的位移云图和等效应力云图见图9、图10。表2比较了初期支护阶段断面位移的实测值和计算值。 图7 初期支护轴力图（单位:N） 图8 初期支护弯矩图（单位: N m）Fig.7 Diagram of initial lining axial force(Unit: N) Fig.8 Diagram of initial lining bending moment(Unit: N m) 图9 初期支护阶段围岩位移云图 （单位:m） 图10 初期支护阶段围岩等效应力云图（单位:Pa）Fig.9 Displacement nephogram of surrounding rock Fig.10 Equivalent stress nephogram of surrounding rockduring initial supporting stage(Unit: m) during initial supporting stage(Unit: Pa) 表2 位移实测值与计算值对比表（单位：mm）Table2 Comparison between calculating results and monitoring data of displacement (unit: mm)量测项目拱顶下沉A-B基线A-C基线B-C基线实测值计算值573891467452387583607747从图7图10及表2可以看出：有限元计算的初期支护和二次衬砌的弯矩图、轴力图的分布和趋势与实测值基本一致，验证了实测资料的正确性。从具体数值上来看，计算值比实测值要大，分析认为主要是现场实测中初期支护没有与围岩紧密接触，使其围岩压力没有完全传递到初期支护上，而计算考虑初期支护完全承受围岩压力。计算结果还表明：初期支护拱腰和拱脚部受力较大，顶部受力相对较小，在施工中适宜加设锁脚锚杆以改善型钢支护的受力状态。同时，仰拱的施作可以很好的改善支护结构的受力性能，在软弱围岩地段，应及时的施作仰拱，使其尽早成为封闭的支护结构。从表3可以看出，各量测项目位移计算值均较实测值大，这可能和施工过程中初期支护没有与围岩紧密接触有关。同时，隧道围岩开挖初期位移速率较大，大部分在安装仪器前已完成，因此，进行结果分析时必须考虑这部分位移。5 结论 （1）现场量测结果表明，初期支护中的钢拱架承担了30%以上的围岩初始释放压力，在初期支护中起到较大的作用。在软弱破碎围岩地段，初期支护应优先考虑采用钢拱架。（2）隧道开挖后，围岩应力释放较快，为了保证洞室的稳定性应及时施作初期支护，同时隧道两侧拱脚处的围岩压应力较大，应当加强辅助措施在施工中的应用，尤其适宜加设锁脚锚杆以改善型钢支护的受力状态；仰拱的施作可以很好的改善支护结构的受力，在软弱破碎围岩地段，应及时施作仰拱。 （3）与一般地段相比较，软弱围岩隧道施工过程中围岩变位及支护受力受各种因素的影响更大。在进行现场监控量测工作时应密切注意各种监控信息的变化，及时进行分析研究找出其内在原因，并及时反馈给施工与监理单位，以便于及时发现问题和解决问题，以免造成重大安全事故。（4）在软弱围岩隧道的施工过程中