谈分离式偏压隧道施工过程仿真

摘要：文章主要介绍基于地层-结构模型的施工过程数值模拟来验算其初期支护参数的设计是否合理，并满足设计要求以及合理的施工顺序和围岩加固措施。数值模拟结果表明，优先开挖埋深较小一侧隧道是比较合理的，回填加固条件下，随着隧道的施工其围岩是稳定的。

关键词：CRD法；偏压隧道；有限元

文章主要介绍采用大型通用有限元软件ANSYS进行高速公路分离式偏压隧道施工过程仿真分析，其主要内容为：高速公路分离式偏压隧道设计与施工概述；施工过程仿真分析；施工顺序确定；围岩稳定性分析及其辅助措施；初期支护系数评价。针对初期支护结构设计，确定施工顺序以及保证施工的安全进行。在具体计算中，所用到的单元主要为实体单元（Plane42）和梁单元（Beam3）。在具体的模拟过程中，锚杆就不具体采用杆单元来模拟了，采用简化方法，将超前加固和锚杆一起用提高围岩参数的方法来模拟。

1设计概述

本隧道所处的地质条件比较差，从洞口的Ⅴ级到洞中Ⅲ级围岩，特别是Ⅴ级和Ⅳ级围岩的自稳定性较弱，因此初期支护的设计要求较高。其隧道的埋深为20~100，埋深30m以下部分为Ⅴ级围岩，长100m；埋深50m以下为Ⅳ级围岩，长400m；埋深50m以上的为Ⅲ级围岩，长1000m。进出口地形为偏压状，其偏压坡度为30度，埋深最小的隧道一侧的埋深为10m，而较大侧的埋深为28m。

2计算方法与计算参数

隧道隧道断面宽10.554m，高8.86m，左洞埋深10.50m，右洞距左洞19.50m，埋深27.8459，Ⅴ级围岩。初次衬砌为C20混凝土，厚度为0.25m；二次衬砌为C30混凝土，厚度为0.50m；锚杆采用直径0.25m，长度3.5m@1.0m，钢筋网取直径8mm，间距25×25cm2布置；初期支护采用14#工字钢，间距1.0m。横向计算范围，：自隧道左洞中心左侧44.706m至右洞中心右侧44.706m；竖向计算范围：隧道拱部以上取30.50m，仰拱以下取20m。边界条件：底部竖向约束，左右边界横向约束。本次计算中采用了两种单元：用于模拟围岩的实体单元（Plane42）；用于模拟喷射混凝土和钢拱架的梁单元（Beam3）。由于钢拱架在隧道开挖后对围岩起到了很好的支护作用，故本次计算在取Beam3单元的几何常数时，计入了钢拱架在弯曲刚度方面的贡献。计算中围岩材料的屈服准则采用D-P准则。文章应用ANSYS有限元软件，采用释放荷载法，对开挖过程进行了数值模拟。模拟过程：启动ANSYS程序→材料、实常数和单元类型定义→建立几何模型→创建网格类型（工程上较规则位置网格大小取1m，不规则处应适当细化网格）→加载与自重应力求解；以先开挖左洞为例，加载与自重应力求解→选择左上部分开挖土体周围的一圈单元求解节点力F→重启求解器→选择左洞左上部分土体单元给予“死属性”，“杀死”所有梁单元→将之前所得节点力施加-0.8F→求解（模拟开挖后未加支护情况的围岩位移）→重启→选择左洞左上部分土体单元给予“死属性”，“杀死”所有梁单元→将之前所得节点力施加-0.3F→求解（模拟开挖后施加支护情况的围岩位移）。同理开挖左下部分土体，应当注意已支护完成面临空处钢拱架（Beam3）单元荷载完全释放（即施加0于该单元节点上），最后开挖完成当拆除中间四根临时支护，释放洞周荷载。

3不同施工顺序受力及位移情况

随着开挖顺序的进行，围岩竖向位移增加；但是，所增加的量不多。但先右后左的竖向位移要偏大。开挖顺序的进行，围岩竖向应力总体上是增加的；在先左后右的开挖顺序条件下，先施工左隧道时，围岩的竖向应力的增加不多，为0.01MPa左右，而施工右隧道时，围岩的竖向应力的增加比较大，为0.6MPa左右；在先右洞再左洞的开挖顺序的条件下，先施工右隧道时，围岩的竖向应力的增加大约为0.7MPa，而施工左隧道时，围岩的竖向应力几乎没有增加；这说明，在地形偏压的条件下，施工埋深小一侧的隧道对围岩应力的影响不大，而施工埋深较大一侧的隧道对围岩应力的影响比较大；总体上来说，先左洞后右洞的开挖顺序条件下的围岩竖向应力要偏小。

4施工顺序确定

在地形偏压的条件下，随着开挖的顺序不同，其围岩的变形也是不同的，这是由于地形的偏压导致了围岩初始地应力的不对称，这样两种地应力的叠加才出现了以上情况。具体说就是在先左洞再右洞的开挖顺序条件下的围岩竖向应力在两种不对称应力情况下的叠加有减的作用，而在先右再左洞的开挖顺序条件下的围岩竖向应力在两种不对称应力情况下的叠加有加的作用。所以说明，从围岩竖向应力的角度讲，应优先采用先左洞后右洞的施工顺序。

5围岩稳定性分析及其辅助措施

本节主要从围岩应力和位移，以及洞周收敛位移等方面，分析在先左洞后右洞的施工顺序条件下，采用埋深较小一侧的回填加固措施和不采用回填加固措施这两种工况对围岩稳定性的影响。在采用回填土加固措施与否两种不同的工况条件下，随着开挖顺序的变化可以看出：（1）在自重应力场条件下，由于地形的偏压导致初始位移场也是不对称的，其地形的竖向位移场形状为左下偏U形，有回填条件下和未回填条件下围岩的初始位移场的形状总体上是相同的。（2）随着开挖的进行，总体上其围岩的位移场形状都是水平方向为右上偏U形，而竖直方向为左下偏U形，但是在隧道的正上方则具有V形，V形的顶点指向隧道中心。（3）由每一步开挖情况下的位移数值大小比较可以看出，在采用回填土加固的条件下，其围岩的位移比未加固的要小，说明对于地形偏压的隧道，采用在较低一侧的土体回填来加固围岩，从而可以减少隧道施工中围岩位移。岩应力和位移以及洞周收敛位移等方面可以看出，在先左洞载右洞的施工顺序条件下，采用埋深较小一侧的回填加固措施对围岩稳定性有所提高，特别是可以大大改善施工中的位移场和应力场，从而减小因地形原始偏压带来的应力和位移的不对称。同时，在采用回填加固条件下，随着隧道的施工其围岩是稳定的。

参考文献

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作者：吴文龙 单位：重庆交通大学