陳佳正， 湯 華， 戴永浩

(1 湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院， 湖北 武漢 430060；2 中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

伴隨著大型有限元數(shù)值模擬軟件功能的日漸強大，軟件計算中能更真實地對模型邊界條件及圍巖的力學特性進行模擬，在隧道掘進施工過程中能夠更為精確、細致地進行模擬計算，使得人們更加重視有限元對結(jié)構(gòu)工程的模擬計算，其應用也更為普及和成熟。劉和清[1]結(jié)合軟巖隧道下穿高速公路工程，對隧道支護結(jié)構(gòu)的受力情況進行數(shù)值模擬，通過對支護結(jié)構(gòu)的受力分析，得出上臺階側(cè)壁導洞施工過程中，如何確定支護結(jié)構(gòu)的最不利位置。張頂立等[2]分別對兩、三臺階、雙側(cè)壁等施工法進行三維有限元計算，經(jīng)過分析之后得出雙側(cè)壁施工過程中地面變形最小。譚忠盛、倪魯肅等[3]應用FLAC3D軟件進行了下穿高速公路的結(jié)構(gòu)變形模擬，得出了地表沉降的縱橫向沉降規(guī)律及主要影響因素。潘曉明[4]采用FLAC3D軟件對淺埋大跨度隧道下穿公路在有無行車荷載作用下施工過程進行了數(shù)值模擬，對比分析，結(jié)果表明，有無行車對隧道施工影響不大。胡玉林等[5]依托洺水隧道，借助數(shù)值分析，結(jié)合多個方面，研究隧道掘進施工對上部公路的影響，得出有效減小開挖對既有構(gòu)筑物影響的方法。余曉琳、羅霞[6]結(jié)合隧道工程，采用二維及三維模型對隧道下穿公路進行模擬，研究隧道開挖時的受力、變形及沉降，驗證開挖時支護方案的可行性。朱正國等[7]運用有限元對隧道下穿工程作模擬研究，總結(jié)出有關(guān)沉降的相關(guān)系數(shù)及合理模型。趙繼生[8]結(jié)合實例，數(shù)值模擬隧道地表沉降，得出盾構(gòu)隧道變形呈槽狀且變形不大。劉庭金[9]對下穿工程進行立體動態(tài)研究，研究隧道施工時構(gòu)筑物變形程度，對施工工藝與方法進行驗證。胡獻竹[10]分析隧道開挖時，隧道相應結(jié)構(gòu)的受力變化，并結(jié)合相應工程以應用。

甸頭隧道地處大理到賓川段中的一處公路隧道，寬約17.5 m，中線相隔約29 m。根據(jù)規(guī)定：甸頭隧道截面面積為170 m2，其截面面積大于100 m2的為超大斷面隧道。隧道下穿大西二級公路處，上覆巖土性質(zhì)相對較差，隧道的開挖極易導致圍巖大變形、引起路面沉降過大和開裂、甚至發(fā)生路面坍塌。而隧道淺埋交叉段既有的大西二級公路區(qū)間車流量大，保通要求高，此類安全問題尤為重要。通過大型三維數(shù)值模擬隧道施工時相應參數(shù)，及時給施工提供參考，確保既有公路的有效運行。

1 計算模型

隧道為雙洞雙向隧道，左右幅隧道中線距離28 m，間距大于隧道凈空寬度(17.5 m)的1.5倍。因此，這里左右幅隧道的相互影響很小，僅考慮單幅隧道的開挖影響。由于隧道的寬度接近17 m，隧道下穿的大西二級公路寬度為15 m，為消除邊界效應的影響，建立如圖1所示的三維地質(zhì)模型圖，其中大西公路走向為x方向，垂直于大西公路為y軸。模型的長度(x方向)和寬度(y方向)分別為112 m、45 m，模型下表面取隧道底板以下24 m。

數(shù)值分析時網(wǎng)格剖分如圖1所示，其中隧道部分劃分共約7萬個六面體單元，三維計算模型共有約40萬計算單元。劃分單元在隧道附近劃分密集，以隧道為中心往外圍單元劃分則逐漸稀疏。

圖 1 三維模型有限元網(wǎng)格

數(shù)值計算材料參數(shù)如表1所示。

支護模擬：支護布置如圖2所示，超前管棚和超前小導管均選用六面體實體單元，共劃分6480單元。選用六面體單元來模擬新建隧道的初期支護和二次襯砌，將其切割成19 980個單元；選用兩個節(jié)點的線性模型來模擬新建工程的錨桿，并將其切分為774個單元。

圖 2 支護布置圖

表1 數(shù)值計算材料參數(shù)表

在施工中模型分析的邊界條件均取為：計算模型下部為全部約束，計算模型兩側(cè)定義受法向的約束，地表定義成自由面。施工步驟：根據(jù)現(xiàn)場情況及各方面的綜合考慮，選用三臺階法進行隧道施工。中、上兩部臺階每次掘進進尺2m，上部臺階比中部臺階超前開挖5m，下臺階一次性掘進10m，保持落后中部開挖臺階10m。

2 洞頂位移變化

選取隧道下穿大西公路進口處的隧道拱頂(圖3的點A)為監(jiān)測對象，繪制其隨著隧道掘進過程的位移曲線，其結(jié)果如圖4所示。

圖 3 隧道面監(jiān)測點

圖 4 拱頂沉降圖

從圖4中隧道拱頂沉降曲線可知： 1)隧道掌子面掘進過程中，掌子面的推進呈臺階形，相應的拱頂沉降曲線形態(tài)也呈現(xiàn)臺階形; 2)隧道頂部的沉降變形主要受掌子面后方開挖的影響。當掌子面掘進至監(jiān)測控制斷面時，拱頂變形為0.8cm；當掘進越過監(jiān)測控制平面后，拱頂變形急劇增加。隨掌子面推進，距離監(jiān)測控制面越來越遠后，沉降變緩。最終拱頂沉降達到2.2cm。

選取隧道下穿大西公路進口處的隧道收斂線(圖3的BC)為監(jiān)測對象，繪制其隨著隧道開挖過程的收斂變化，其結(jié)果如圖5所示。

圖 5 隧道收斂圖

從圖5中可以看出：在掌子面的下部臺階開挖時，隧道的凈空收斂緩慢增加；當開始下臺階的開挖時，凈空收斂繼續(xù)急劇增加，由0.32cm增加至1.25cm，后續(xù)的開挖凈空收斂逐漸趨于穩(wěn)定，最終為1.22cm。

垂直與隧道走向的地表變形：選取隧道下穿大西公路進口處的地表(圖6的斷面AA’)為對象，繪制其隨著隧道開挖過程的位移變化，其結(jié)果如圖7所示。

圖 6 監(jiān)測斷面

圖 7 AA’面地表沉降圖

從圖7中可以看出：1) 隧道的開挖導致地表沉降為漏斗形，隧道頂部對應的地表監(jiān)測點的變形最大，朝兩邊沉降變小，符合Peck公式；2) 隧道掘進至監(jiān)測平面時，隧道頂部對應的地表最大沉降為0.6cm；掌子面掘進到距離監(jiān)測斷面30m時，掌子面拱部對應的地表最大沉降為1.55cm。

隧道軸向?qū)牡乇砦灰谱兓哼x取隧道下穿大西公路進口處的地表(圖6的斷面BB’)為對象，繪制掌子面推進的過程中隧道軸向?qū)牡乇砦灰谱兓?圖8)。

圖8 隧道軸向地表沉降圖

從圖8中可以看出：1) 隨著隧道掌子面的掘進，隧道軸向地表縱斷面的位移逐漸增大；2) 當隧道全部貫通后，隧道進口和出口對應的地表最大變形值為1.8cm和1.3cm，沉降斜率為0.01cm/m。

3 圍巖主應力分析

以監(jiān)測斷面AA’和BB’的應力為分析對象，應力分布如圖9和圖10所示。從圖中可以看出：引水隧道開挖后，圍巖基本全部受壓，只有在初襯和圍巖接觸處出現(xiàn)少量受拉部位。壓應力最不利位置分布于隧道的兩腰部，數(shù)值大小為1.32MPa。

(a)拉應力 (b)壓應力圖 9 監(jiān)測面AA’主應力云圖 Pa

(a)拉應力 (b)壓應力 圖10 監(jiān)測面BB’主應力云圖 Pa

塑性區(qū)分布：以監(jiān)測斷面AA’和BB’的塑性部位為分析對象，模擬結(jié)構(gòu)塑性變形圖如圖11所示。從圖中可以看出：隧洞開挖后，圍巖塑性區(qū)主要集中在隧道腰部以下，最大等效塑性應變?yōu)?.0049。

(a)監(jiān)測斷面AA’ (b)監(jiān)測斷面BB’ 圖11 監(jiān)測斷面塑性區(qū)分布圖

初襯受力分析：隧道開挖完畢后 ，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力如圖12所示。從圖中可以看出，襯砌受到的拉應力最不利值為10MPa，壓應力最不利值為27Mpa。拉壓應力均超過C25混凝土的抗壓/抗拉強度的標準值。

(a)拉應力分布

(b)壓應力分布 圖12 襯砌受力分布圖 Pa

4 結(jié)論

為研究當前施工工法和支護方案下隧道圍巖的變形和上方既有公路受影響程度，運用三維有限數(shù)值模擬法開展甸頭隧道下穿高速公路分析，得到結(jié)果如下：

1) 隧道頂部的變形主要受掌子面后方施工的影響，最終拱頂沉降達到2.2cm; 隧道的凈空收斂數(shù)值主要受到掌子面下部臺階施工的影響，最終凈空收斂1.22cm。因此，隧道的施工對于公路的沉降變形影響在可控范圍，且表明該三臺階施工甸頭隧道是可行的；

2) 隧道開挖引起隧道的橫斷面對應的地表沉降為漏斗形，符合peck公式描述的沉降圖形形狀；掌子面掘進所引起隧道軸向?qū)牡乇碜冃尾町愝^小，最終隧道進口和出口對應的地表最大沉降值為1.8cm和1.3cm，沉降斜率為0.01cm/m，表明隧道在進口和出口時，沉降差異不大，且皆符合變形控制要求；

3) 隧道開挖后，隧道圍巖基本全部受壓，僅在初襯和圍巖接觸處出現(xiàn)少量受拉部位；最大的壓應力數(shù)值分布與掌子面的腰部兩側(cè)，為1.32MPa；隧道圍巖結(jié)構(gòu)的塑性部位大部分分布于掌子面兩側(cè)腰部以下位置，最大等效塑性應變?yōu)?.0049，即隧道掘進過程中最不利位置位于隧道兩側(cè)，即對于上部公路影響較??；

4) 隧道開挖后，初襯受力較大。其所受的最大拉應力值10MPa，最大壓應力值27Mpa。拉壓應力均超過C25混凝土的軸心抗拉/抗壓強度標準值，即開挖時要加強對于初襯結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和強化，避免出現(xiàn)拉壓破壞。