黨緒平

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

隨著中國市政交通設施的逐漸完善，城市軌道管理運營里程逐漸增加，在建筑施工過程中，公路隧道建設將成為城市軌道運營管理中不可或缺的一部分，然而在設計高水壓隧道結構時，受到地質水文因素的影響，增加了隧道的開挖難度，為施工進程帶來了施工隱患，因此對隧道結構變形與受力特征的穩(wěn)定性分析成為當前市政施工的重點工程之一，為降低隧道結構變形，提高受力特征的穩(wěn)定性，國內(nèi)學者進行了大量的研究。陳仁朋等[1]提出一種考慮圍護結構變形影響的盾構隧道橫向受力理論計算方法。楊曉華等[2]提出一種基于鋼管混凝土承載原理可快速施工的拼裝型復式支護結構。在模型試驗的基礎上，采用數(shù)值模擬的方法對不同埋深及不同地層條件下復式支護結構的承載性能進行了研究，認為復式支護結構在稍密、中密和密實砂卵石地層中均有良好的效果，在稍密地層中相較于錨噴支護可減少51.22%的地表沉降。代樹林等[3]利用MIDAS 有限元分析軟件建立隧道數(shù)值模型，基于有限元強度折減法結合突變理論，以隧道失穩(wěn)特征點位移和塑性應變數(shù)據(jù)為基礎，通過失穩(wěn)判據(jù)判斷偏壓隧道的穩(wěn)定性情況。汪堅等[4]對杭州某工程地上結構與地下結構合建段進行了研究，利用有限元分析方法探究了地上結構施工對合建地下結構受力變形影響，認為地上結構施工會引起地下結構水平位移在結構寬度方向上呈現(xiàn)先減小、再增大、最后再減小的變化趨勢。鄭剛等[5]使用有限元程序ABAQUS 建立了精細化盾構隧道結構模型，考慮土體滲流場、應力場與隧道結構的耦合相互作用，開展了滲流-應力耦合的三維有限元數(shù)值模擬，分析了侵蝕空腔引起的隧道沉降、錯臺、張開以及管片混凝土塑性應變等，揭示了不同侵蝕空腔發(fā)展方向引起的隧道結構變形模式的差異，并結合侵蝕空腔引起的隧道周圍土壓力分布解釋了產(chǎn)生該差異的原因?；诖?，本文以四川某市政隧道工程為例，通過利用通用軟件ANSYS11.0 建立有限元模型，對隧道的結構變形與受力特征的穩(wěn)定性進行分析與研究，根據(jù)有限元分析的研究結果，可以有效地提供施工的安全性和穩(wěn)定性，解決因富水區(qū)帶來的施工隱患的問題，具有一定的推廣價值。

1 工程概況

本工程為四川省某高速公路隧道項目為研究對象，該項目具有一定的代表性，主要表現(xiàn)在：（1）在該項目的進口處存在貫穿洞身與附近水庫構造裂縫帶，當水壓超過一定極限時，地下水容易滲透到隧道洞身，產(chǎn)生突水事故；（2）隧道的進口處與附近的水庫存在一條貫穿整個洞身和水庫的構造裂縫帶，且隧道的標高為403m，洞底標高為92m，而附近水庫的蓄水位標高在490 和495m 之間，兩者相比，水庫的水壓相對較大。綜上，為確保該項目的開挖和運營的安全性和穩(wěn)定性，需要該工程的設計應選用分離式設計，施工支護采用復合方式。

2 有限元模型建立

2.1 水壓的確認

襯砌外表面等效水壓力荷載Fl：

注漿圈外表面等效水壓力荷載Fg：

式中：r隧道襯砌半徑，單位為m。其中：rl為內(nèi)半徑，r1為外半徑，rg為隧道注漿圈半徑；P為隧道襯砌水壓，單位為MPa，Pl為背后水壓；P1為表面水壓，Pg為隧道注漿圈外表面水壓力。

襯砌背后排出的水壓力Fl為：

式中，Pl值為模型試驗結果。

2.2 工況計算

工況的計算由隧道模擬的各種參數(shù)等組合而成的7 種工況，其中，工況1 ～3 為蛋形斷面，襯砌厚度為0.8m，襯砌材料為C40，工況4 ～7 為圓形斷面，襯砌厚度為1m，襯砌材料為C30-X。如圖1 所示，通過注漿可以減小注漿圈內(nèi)圍巖的滲透系數(shù)，通過襯砌可以降低高水壓段的壓力，其作用為利用注漿圈減壓堵水[6]。

圖1 隧道整體有限元模型

圖1 注漿圈與襯砌網(wǎng)格劃分

2.3 有限元模型的建立

本文利用有限元軟件ANSYS11.0 進行模擬實驗，在進行有限元模擬計算時，可以選用平面應變模型，圍巖單元、襯砌單元可按照彈塑性較為良好的彈塑體進行模擬，屈服準則為Drucker-Prager準則，如表2所示，根據(jù)隧道內(nèi)復雜的氣象、水文、地質等條件，圍巖和支護結構材料的力學參數(shù)嚴格JTG/T D71-200 給出的標準列出[7]。

表1 等效水壓的工況情況

表2 材料力學參數(shù)

該有限元模型的建立以地層結構為模型，其計算依據(jù)采用圣維南原理，如圖1 所示，在水平方向上選取樣本，在隧道的左右兩邊分別取5 倍的隧道洞徑[8]。通過以下方法模擬隧道上方覆巖層自重：（1）分別在隧道的豎直方向地層的左右兩邊取5 倍的隧道洞徑，并施加水平方向約束；（2）分別在以隧道的豎直方向為中心基準線的上、下邊界各取4 倍的隧道洞徑，在上邊界施加均勻分布的荷載，下邊界施加位移約束。

3 結果與分析

3.1 水壓

當?shù)靶螖嗝嬖谒淼酪r砌結構中使用時，雖然水壓的有無對內(nèi)力分布的形狀影響較小，且位移情況與隧道襯砌相似，且兩者之間的最大位置趨于一致[9]，但是數(shù)值差較為明顯，由于蛋形斷面工況3 為無水壓工況，蛋形斷面工況1 為透水襯砌工況，蛋形斷面工況2 為排水系統(tǒng)工況，因此，為更好地比較有無水壓的情況，可以選擇以工況3 為基準進行研究，將工況1 和工況2 與工況3 進行比較，比較結果如圖3 所示。

圖3 否有水壓的比較結果

由圖3 可知，在水壓力的存在時，隧道的水平位移增量為33%，豎向位移增量為27%，兩者均得到不同程度的增加，最大位移失位增量增加了31%，塑性區(qū)寬度增加了0.9m。由此可見，水壓的存在對隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響，其中，軸力增加了69%，彎矩增加了97%，剪力增加了203%。軸力、彎矩和剪力在水壓作用下產(chǎn)生了巨大的變化，因此，水壓對三者的影響尤為巨大。

3.2 排出與滲入

如圖4 所示，在隧道的襯砌結構中選擇使用蛋形斷面，以工況1 為基準。通過對比工況1、2 的位移、塑形、剪力、彎矩以及軸力的變化情況。同時，在隧道的襯砌結構中選擇使用圓形斷面，以工況4 為基準，對比工況1、2 的位移、塑形、剪力、彎矩以及軸力的變化情況。

圖4 排出與滲入比較值

從圖4 可知，當水壓作用系數(shù)相同時，當具有相同水壓力作用系數(shù)，增幅相對較小，其中最大水平位移、最大豎向位移與最大塑性區(qū)應變等的增幅僅1%。彎矩與剪力增幅為2%，而塑形增幅最大，僅有5%。因此。在襯砌背后排水系統(tǒng)排出的地下水時的各種因素的排出和滲入的作用較小，因此，可根據(jù)已知水壓作用系數(shù)，用排出和滲入的兩種情況進行計算。

3.3 斷面

斷面的比較可以以形斷面工況4 和圓形斷面工況5 為基準，分別對比蛋形斷面的工況1、圓形斷面工況4 和蛋形斷面工況1、圓形斷面工況5 的結果，該比較方式用于水通過襯砌背后排水系統(tǒng)排出時的情況，比較結果如圖5 所示。

圖5 斷面比較結果

由圖5 可知，當具有相同的隧道的水平壓力作用系數(shù)時，蛋形斷面的最大豎向位移減少了39%、隧道最大軸力減小了26%，最大位移矢量減小了22%。圓形斷面的最大豎向位移減少了38%、隧道最大軸力減小了26%，最大位移矢量減小了22%。由此可見，兩者之間的軸力和位移的最大值呈減小的趨勢發(fā)展，且減小的幅度趨于一致。圓形斷面的隧道最大剪力增量為80%、襯砌最大彎矩增量為498%、塑形應變增量為176%、平方向的位移最大值為16%，由此可見：在水平壓力作用相同的情況下，隧道結構受力、圍巖穩(wěn)定性在蛋形斷面中的效果更佳。

3.4 水壓分布

水壓分布比較可以以水壓相對均勻的工況4 為基準[10]，通過對比工況4 和工況7 的基本情況來說明水壓分布情況對工況的影響。如圖6 所示為水壓分布比較結果。該比較方式可以有效地說明因堵塞造成的水壓分布不均勻對工況情況的影響。

圖6 比較結果—水壓分布情況

由圖6 可知，最大水平位移增量為5%，最大豎向位移增量為18%，最大位移失位增量為18%，塑形應變?yōu)?00%，最大軸力為15%，最大剪力為43，最大彎矩為443%，由此可見，水壓力分布不均勻的各種參數(shù)的最大值均比分布均勻的要大，其中彎矩、塑性應變最為明顯，水平位移增量最小。由此可見，水壓分布是否均勻是隧道結構受力、圍巖穩(wěn)定性影響的最大影響因素。

4 結論

（1）水壓時影響隧道的重要因素，當存在水壓時，水平與豎向位移都有所增加，且對軸力、彎矩和剪力的影響較大，其中對剪力的影響最大，增加了203%。

（2）當水壓作用系數(shù)相同時，蛋形斷面和圓形斷面擁有非常相近的減少幅度，隧道結構受力、圍巖穩(wěn)定性在蛋形斷面中的效果更佳，且襯砌內(nèi)力、塑性應變、隧道位移最大值增幅較小，特別是水平位移和豎向位移的增幅最小，塑性應變增幅最大，僅有5%。

（3）當水壓力分布不均勻時，矩、塑性應變最大值的增幅較為明顯，壓力分布是否均勻是隧道結構受力、圍巖穩(wěn)定性影響的最大影響因素。