談分離式偏壓隧道施工過程仿真
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摘要：文章主要介紹基于地層-結(jié)構(gòu)模型的施工過程數(shù)值模擬來驗算其初期支護(hù)參數(shù)的設(shè)計是否合理，并滿足設(shè)計要求以及合理的施工順序和圍巖加固措施。數(shù)值模擬結(jié)果表明，優(yōu)先開挖埋深較小一側(cè)隧道是比較合理的，回填加固條件下，隨著隧道的施工其圍巖是穩(wěn)定的。
關(guān)鍵詞：CRD法；偏壓隧道；有限元
文章主要介紹采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行高速公路分離式偏壓隧道施工過程仿真分析，其主要內(nèi)容為：高速公路分離式偏壓隧道設(shè)計與施工概述；施工過程仿真分析；施工順序確定；圍巖穩(wěn)定性分析及其輔助措施；初期支護(hù)系數(shù)評價。針對初期支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定施工順序以及保證施工的安全進(jìn)行。在具體計算中，所用到的單元主要為實體單元（Plane42）和梁單元（Beam3）。在具體的模擬過程中，錨桿就不具體采用桿單元來模擬了，采用簡化方法，將超前加固和錨桿一起用提高圍巖參數(shù)的方法來模擬。
1設(shè)計概述
本隧道所處的地質(zhì)條件比較差，從洞口的Ⅴ級到洞中Ⅲ級圍巖，特別是Ⅴ級和Ⅳ級圍巖的自穩(wěn)定性較弱，因此初期支護(hù)的設(shè)計要求較高。其隧道的埋深為20~100，埋深30m以下部分為Ⅴ級圍巖，長100m；埋深50m以下為Ⅳ級圍巖，長400m；埋深50m以上的為Ⅲ級圍巖，長1000m。進(jìn)出口地形為偏壓狀，其偏壓坡度為30度，埋深最小的隧道一側(cè)的埋深為10m，而較大側(cè)的埋深為28m。
2計算方法與計算參數(shù)
隧道隧道斷面寬10.554m，高8.86m，左洞埋深10.50m，右洞距左洞19.50m，埋深27.8459，Ⅴ級圍巖。初次襯砌為C20混凝土，厚度為0.25m；二次襯砌為C30混凝土，厚度為0.50m；錨桿采用直徑0.25m，長度3.5m@1.0m，鋼筋網(wǎng)取直徑8mm，間距25×25cm2布置；初期支護(hù)采用14#工字鋼，間距1.0m。橫向計算范圍，：自隧道左洞中心左側(cè)44.706m至右洞中心右側(cè)44.706m；豎向計算范圍：隧道拱部以上取30.50m，仰拱以下取20m。邊界條件：底部豎向約束，左右邊界橫向約束。本次計算中采用了兩種單元：用于模擬圍巖的實體單元（Plane42）；用于模擬噴射混凝土和鋼拱架的梁單元（Beam3）。由于鋼拱架在隧道開挖后對圍巖起到了很好的支護(hù)作用，故本次計算在取Beam3單元的幾何常數(shù)時，計入了鋼拱架在彎曲剛度方面的貢獻(xiàn)。計算中圍巖材料的屈服準(zhǔn)則采用D-P準(zhǔn)則。文章應(yīng)用ANSYS有限元軟件，采用釋放荷載法，對開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬過程：啟動ANSYS程序→材料、實常數(shù)和單元類型定義→建立幾何模型→創(chuàng)建網(wǎng)格類型（工程上較規(guī)則位置網(wǎng)格大小取1m，不規(guī)則處應(yīng)適當(dāng)細(xì)化網(wǎng)格）→加載與自重應(yīng)力求解；以先開挖左洞為例，加載與自重應(yīng)力求解→選擇左上部分開挖土體周圍的一圈單元求解節(jié)點力F→重啟求解器→選擇左洞左上部分土體單元給予“死屬性”，“殺死”所有梁單元→將之前所得節(jié)點力施加-0.8F→求解（模擬開挖后未加支護(hù)情況的圍巖位移）→重啟→選擇左洞左上部分土體單元給予“死屬性”，“殺死”所有梁單元→將之前所得節(jié)點力施加-0.3F→求解（模擬開挖后施加支護(hù)情況的圍巖位移）。同理開挖左下部分土體，應(yīng)當(dāng)注意已支護(hù)完成面臨空處鋼拱架（Beam3）單元荷載完全釋放（即施加0于該單元節(jié)點上），最后開挖完成當(dāng)拆除中間四根臨時支護(hù)，釋放洞周荷載。
3不同施工順序受力及位移情況
隨著開挖順序的進(jìn)行，圍巖豎向位移增加；但是，所增加的量不多。但先右后左的豎向位移要偏大。開挖順序的進(jìn)行，圍巖豎向應(yīng)力總體上是增加的；在先左后右的開挖順序條件下，先施工左隧道時，圍巖的豎向應(yīng)力的增加不多，為0.01MPa左右，而施工右隧道時，圍巖的豎向應(yīng)力的增加比較大，為0.6MPa左右；在先右洞再左洞的開挖順序的條件下，先施工右隧道時，圍巖的豎向應(yīng)力的增加大約為0.7MPa，而施工左隧道時，圍巖的豎向應(yīng)力幾乎沒有增加；這說明，在地形偏壓的條件下，施工埋深小一側(cè)的隧道對圍巖應(yīng)力的影響不大，而施工埋深較大一側(cè)的隧道對圍巖應(yīng)力的影響比較大；總體上來說，先左洞后右洞的開挖順序條件下的圍巖豎向應(yīng)力要偏小。
4施工順序確定
在地形偏壓的條件下，隨著開挖的順序不同，其圍巖的變形也是不同的，這是由于地形的偏壓導(dǎo)致了圍巖初始地應(yīng)力的不對稱，這樣兩種地應(yīng)力的疊加才出現(xiàn)了以上情況。具體說就是在先左洞再右洞的開挖順序條件下的圍巖豎向應(yīng)力在兩種不對稱應(yīng)力情況下的疊加有減的作用，而在先右再左洞的開挖順序條件下的圍巖豎向應(yīng)力在兩種不對稱應(yīng)力情況下的疊加有加的作用。所以說明，從圍巖豎向應(yīng)力的角度講，應(yīng)優(yōu)先采用先左洞后右洞的施工順序。
5圍巖穩(wěn)定性分析及其輔助措施
本節(jié)主要從圍巖應(yīng)力和位移，以及洞周收斂位移等方面，分析在先左洞后右洞的施工順序條件下，采用埋深較小一側(cè)的回填加固措施和不采用回填加固措施這兩種工況對圍巖穩(wěn)定性的影響。在采用回填土加固措施與否兩種不同的工況條件下，隨著開挖順序的變化可以看出：（1）在自重應(yīng)力場條件下，由于地形的偏壓導(dǎo)致初始位移場也是不對稱的，其地形的豎向位移場形狀為左下偏U形，有回填條件下和未回填條件下圍巖的初始位移場的形狀總體上是相同的。（2）隨著開挖的進(jìn)行，總體上其圍巖的位移場形狀都是水平方向為右上偏U形，而豎直方向為左下偏U形，但是在隧道的正上方則具有V形，V形的頂點指向隧道中心。（3）由每一步開挖情況下的位移數(shù)值大小比較可以看出，在采用回填土加固的條件下，其圍巖的位移比未加固的要小，說明對于地形偏壓的隧道，采用在較低一側(cè)的土體回填來加固圍巖，從而可以減少隧道施工中圍巖位移。巖應(yīng)力和位移以及洞周收斂位移等方面可以看出，在先左洞載右洞的施工順序條件下，采用埋深較小一側(cè)的回填加固措施對圍巖穩(wěn)定性有所提高，特別是可以大大改善施工中的位移場和應(yīng)力場，從而減小因地形原始偏壓帶來的應(yīng)力和位移的不對稱。同時，在采用回填加固條件下，隨著隧道的施工其圍巖是穩(wěn)定的。
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作者：吳文龍 單位：重慶交通大學(xué)