魏盛昊

摘要： 采用大型非线性有限元软件模拟隧道开挖变形，建立了隧道开挖变形的二维有限元分析模型。利用有限元软件的单元寿命和死亡函数，对基坑开挖和支护过程进行了动态模拟。分析了单侧导坑法对隧道围岩变形的影响。结果表明，单侧导坑法引起的变形缩回隧道。穹顶的Z方向位移变化很大，Y方向的位移变化很小。另外，还分析了螺栓位移的变化，进一步说明了单侧导坑施工方法对隧道围岩变形的影响。此时，锚被拉起并起到悬挂作用。

Abstract： The large-scale non-linear finite element software is used to simulate the tunnel excavation deformation， and a two-dimensional finite element analysis model of tunnel excavation deformation is established. The dynamic simulation of excavation and support process of foundation pit is carried out by using the element life and death function of finite element software. The influence of unilateral pilot pit method on tunnel surrounding rock deformation is analyzed. The results show that the deformation caused by the one-sided pilot method retracts to the tunnel. The Z-direction displacement of the dome varies greatly， while the Y-direction displacement varies little.  In addition， the change of bolt displacement is also analyzed， and the influence of construction method of unilateral guide pit on the deformation of surrounding rock of tunnel is further explained. At this point， the anchor is pulled up and suspended.

关键词：隧道;开挖;变形;数值分析

Key words： tunnel;excavation;deformation;numerical analysis

中图分类号：U455.7                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）07-0092-03

0  引言

挖掘洞穴后，在岩石和土壤中形成自由变形空间。 最初处于挤压状态的围岩由于结合力的释放而经历膨胀变形。当这种变形超过周围岩石本身的能力时，周围的岩石将被破坏，导致分离，坍塌，滑动和膨胀。高速公路隧道开挖后，低强度围岩的塑性变形和破坏将不能满足卸荷回弹和应力重新分布的要求。隧道的变形和破坏通常是由隧道岩体的高应力集中引起的。从低强度的最弱部分（特别是最大主应力和腔周围的垂直部分）开始，逐渐发展成岩体内应力-强度关系的亚弱部分。影响围岩稳定性的两类因素为：岩性，岩体结构和应力条件等自然因素，人为因素，如挖掘和支持方法，秩序和爆破规则。本文采用有限元软件进行隧道开挖和支护仿真。

1  工程实例

工程实例为西安隧道3号线，里程为K30+820。太古宙鞍山衢沟组周围的岩石主要为麻粒岩，鄂伦施石和Ying片岩。岩体相对完整，体积大，质量大，接缝局部发育，结构表面微弱。围岩具有良好的完整性和稳定性，属于三级围岩。这里没有倒拱隧道，埋深为175m，主要支撑为锚喷支护，采用长度为2m的灌浆锚，间距为1.5m;C25钢纤维混凝土10cm;二次衬砌为35cm的钢纤维混凝土。

2  有限元软件数值模拟

在计算岩土变形和稳定性方面，有限元软件具有很强的优势，在岩土材料模型上更能体现;提供各种地质断层，关节裂隙处理方法;多孔介质属性与各种非线性岩土工程模型相结合，用于渗流，固结沉降和渗流/结构/温度场耦合分析。

2.1 有限元模型的简化

从软件角度看，重力引起变形，初始衬砌单元和围岩边界是常见的，围岩的变形导致支撑边界单元的零应力变形并改变衬砌的形状。如果将初始地应力场应用到模型中，则初始应力场和重力平衡可以完全消除支护单元出现之前的干扰变形，从实用的角度模拟岩体中的自然重力应力。利用有限元软件提供的初始地应力法输入模拟地应力场。该模拟使用有限元软件程序，土壤使用Mohr-Coulomb材料模型;锚杆由线性弹性材料制成，并由钢筋单元模拟;采用混凝土材料模拟混凝土，采用单元出生/死亡函数模拟隧道开挖和主要支护的整个过程，选择单侧导坑法。数值计算参数见表1。下面采用K30+820的横截面进行数值模拟分析。

2.2 有限元模型参数设置

二维模型的尺寸为300m×300m，由平面应变问题求解，模型的下边界是固定的Z方向位移。左边界和右边界都使用固定的Y方向位移约束。地表上方不施加荷载。

单元生死的定义：对于单壁导坑法的挖掘，10.1（为避免四舍五入误差，设定单位寿命和死亡时间略早于想象时间），隧道的左上部分被挖掘，20.1时刻左上部锚杆和混凝土支护生成，30.1时刻隧洞左下部开挖，40.1左下部锚杆和混凝土支护生成，在50.1时，隧道的右上部被挖掘。 80.1生成右下锚和混凝土支撑，分8步完成，步长为10。在隧道开挖阶段加载整体的0.5，喷锚支护阶段加载0.25，喷射混凝土阶段加载0.25，因此设置的单元杀死的延迟时间为4。

2.3 隧道开挖模拟过程

岩土结构（包括隧道开挖和支撑系统）的内力和变形通常与其施工过程密切相关。

当采用有限元方法模拟开挖和施工过程时，将有限元网格划分成施工过程的最大区域比较容易。开挖模拟步骤如下：①在施工过程中，对模拟区域进行网格划分，在初始状态下将岩体单元设置为“原始”状态。在每个计算步骤中，杀死混凝土衬砌单元，只考虑处于“活跃”状态的单元;②计算土的初始应力，通过原始岩石应力场求出应力;③在开挖的第一步中开挖待开挖的岩体单元;④在这个步骤中建造混凝土衬砌;⑤根据上述步骤③和④连续计算，直到施工完成。

2.4 模拟方案

首先，沿隧道的轴向截面从上到下分为两层。单侧导坑方法用于挖掘方案，如图1所示。图中的字母A-F代表各种挖掘区域。 单侧壁导坑法的开挖顺序 B—A—C—D—E—F。

3  数值模拟结果分析

3.1 方案网格划分

网格密度的划分：利用网格密度（ Meshing Density）功能，将一次衬砌和二次衬砌沿厚度方向网格两个单元节点间的距离划分成1，其余线的俩单元节点间的距离划分成3。（图2）

3.2 塑性区范围

对应于单面开挖的开挖方法，围岩塑性区的深度与其他开挖方案基本相同，但采用单面开挖法开挖成塑性状态的单元数量差异较大除隧道顶部的影响范围外，单侧开挖的塑性区单元数量少于其他开挖方式。

然而，从进入塑性状态的构件的机械性能来看，通过单侧导孔方法生产的构件的数量明显多于其他方法，尤其是隧道底部的塑料区域。可以看出，在相同的工程条件下，不同开挖方案的周围塑性区范围和围岩应力破坏特征存在显着差异。也就是说，围岩的塑性区范围和应力状态与历史加载过程密切相关。围岩不同部位卸荷。

3.3 应力结果

与单侧导坑开挖方案对应的隧道围岩应力场分布如图3-6所示。在单侧导坑开挖方法中，隧道侧围岩存在较大面积的压应力集中。应力场的分布非常相似，但应力值的大小却大不相同。

图4和图6，在许多施工方法的开挖过程中，围岩两侧的应力值急剧增加。单侧开挖法围岩右侧的应力值也急剧增加。应力突增的原因是由于不同的开挖顺序造成的。不同的施工方法有不同的原因。例如，双侧隧道的断面从底部两侧同时开挖，然后逐渐向上形成，应力值逐渐稳定增加。

隧道围岩应力场分布的差异在于不同的开挖过程中不同的应力场分布存储在隧道围岩中。也就是说，在装载和卸载并装载隧道围岩的不同部分之后，应力场分布是历史过程的实施例。

3.4 位移场规律

图7-9显示了围岩的位移场分布。在单侧导向法施工中，单壁导向法的最大位移发生在挖掘侧拱肩处，而相对较小的位移发生在隧道底部。这是因为挖掘从隧道的左上部开始，工作面由顶部t形成从左到右。

图8和图9比较了施工开挖过程中洞室的水平和竖向位移。顶部的位移变形大于底部的位移变形。从隧道开挖开始，围岩的变形能量开始释放。隧道围岩的位移场随开挖过程而变化。也就是说，隧道围岩位移场的变化与装载和卸载围岩不同部分的历史过程密切相关。

4  结论

①根据西安隧道开挖的数值模拟分析，可以看出，由于不同的开挖方案，隧道围岩的应力和位移变形不同，塑性范围也不同。由于隧道结构和岩土介质的高度非线性，其结构特征随施工过程而变化。整个机械过程不遵循叠加原理，其力学性能与开挖过程密切相关。

②采用有限元软件模拟单壁导坑法开挖方案，观察单侧导坑法的位移，变形和安全系数。综合考虑，单壁导坑法是工程应用中最安全的施工方法，西安隧道施工方案也采用半截面法。为施工期间隧道施工和各种机械性能提供有效的施工方法，确保隧道施工和运营过程中的安全稳定。

③但是，数值模拟也存在一些不足。对于特定项目，应根据现场试验数据和实际围岩参数计算初始地应力。

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