基于Midas/GTS的隧道变形控制措施和开挖方法研究

2020-11-18马玉春马丽娜

公路工程 2020年5期

马玉春，马丽娜

(1. 兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000;2. 兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730000)

1 工程概况

位于我国西北的某公路隧道设计速度为80 km/h，双向四车道，采用分离式设计，左、右洞长分别为15 198、15 112 m，隧道最大埋深为630.2 m，隧道左右线净间距为56 m。隧道所在区域为青藏板块、塔里木板块、扬子板块等挤压交接的地带，围岩主要为软弱碳质板岩，围岩等级为Ⅴ级，隧道所在区域属于极高应力区，高地应力的碳质板岩容易发生较大的变形。隧道所在区域地面高程介于2 500～3 200 m之间，海拔较高、自然坡度平均约55°，山势陡峭，山脊处的岩体裸露，存在较为严重的风化现象，节理发育。

根据本区域其他隧道的工程经验[1-2]，可推测本隧道具有初期变形量大、变形速率快且持续时间长等特点。为了保证该隧道施工安全，本文基于工程实际情况从变形控制措施和施工方法选择两方面进行了研究。本文对如下工况进行了对比分析：21、28和35 cm这3种不同的喷射混凝土厚度；90°、127°和180°这3种不同的加固范围；三台阶七步预留核心土法和环形开挖预留核心土法2种不同的施工方法。经过对比分析提出最佳的开挖方法和变形控制措施，从而保证隧道的施工安全。

2 有限元模型的建立

本文基于大型有限元仿真软件MIDAS/GTS[3]对该隧道的工法优化进行数值模拟分析。其中利用实体单元对喷射混凝土、围岩和二衬进行模拟，利用梁单元对钢拱架进行模拟[4]，模型采用库伦-摩尔本构模型[5]。模型的顶部为自由面、底部约束竖向位移、四周约束水平位移。本文建立的有限元模型单元如图1所示。

(a) 钢拱架单元 (b) 喷射混凝土单元

根据该项目地勘资料和相关隧道设计规范，模型参数表如表1所示。

表1 物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters材料泊松比弹性模量/MPa容重/(kN·m-3)内摩擦角/(°)粘聚力/kPa钢拱架3.02 055.88783.43——二次衬砌2.0294.41229.54——喷射混凝土3.0149.70219.56——加固区围岩3.69.98199.60274.451 996.00V级围岩3.94.99199.60274.451 796.40

3 隧道变形控制措施和开挖方法研究

隧道的支护可以分为围岩和支护结构两部分[6]，一般情况下承载主体为围岩，支护结构起辅助作用[7]。但是在某些特殊情况下[8-9]，特别是高地应力软岩隧道支护体系中，支护结构也被当作承载主体。本文采用单一变量法进行对比分析。共设置以下不同工况：喷混凝土厚度分别为21、28、35 cm；预加固范围为分别为90°、127°和180°；开挖方法分别为环形开挖预留核心土法和三台阶七步预留核心法。

3.1 喷射混凝土厚度

喷射混凝土过厚会造成经济不合理，过薄则会产生剥落等现象。选取喷射混凝土厚度为21、28、35 cm进行对比分析。图2为3种工况下的有限元模型，由于篇幅关系，各分项的有限元计算结果仅展示喷射厚度为28 cm工况下的。

(a) 21 cm厚 (b) 28 cm厚 (c) 35 cm厚

3.1.1围岩变形

图3为厚度为28 cm时水平和竖向位移云图。

(a) 水平位移

不同喷射厚度工况下各个关键点的位移见图4。

图4 不同喷射厚度工况下各个关键点的位移Figure 4 Displacement of key points under different spray thickness conditions

由图4可知，随着喷射混凝土厚度的增加，各个关键点的水平位移和竖向位移均减小。

3.1.2喷射混凝土应力图

图5为喷射厚度28 cm工况下喷射混凝土的应力云图。通过对比不同工况下的喷射混凝土应力云图可知，3种工况下喷射混凝土的应力均主要为压应力且从下到上逐渐变大。喷射厚度为21、28 cm时，应力值为-7.5～-19.5 MPa；喷射厚度为35 cm时，应力值为-7.5～-27.5 MPa。因此可知，当喷射厚度为35 cm时，喷射混凝土承受了更大的压应力并超过了抗压极限，而且大面积的受拉区域出现在仰拱附近，因此过厚的混凝土喷射厚度虽然有利于控制围岩变形，但可能造成拱顶等部位出现破碎、剥落等现象。

图5 喷射混凝土应力图(28 cm)Figure 5 Stress diagram of shotcrete (28 cm)

3.1.3钢拱架受力分析

图6为喷射厚度28 cm工况下钢拱架应力云图。钢拱架主要承受的应力为压应力且从上到下逐渐减小，拱顶和拱腰处应力较大，最大应力值出现在拱腰处，3种工况下最大应力值分别为256.89、219.64、197.52 MPa。

图6 钢拱架应力云图(28 cm)Figure 6 Stress cloud of steel arch(28 cm)

综上所述，喷射混凝土厚度增加可以有效减小围岩变形和钢拱架的受力，但过大的厚度会导致其压应力大于混凝土极限压应力，而且出现较大的受拉区域，导致拱顶等处发生破坏，因此喷射混凝土厚度为28 cm最合理。

3.2 掌子面前方预加固范围

90°、127°和180°的3种不同的掌子面的有限元模型如图7所示。由于篇幅关系，各分项的有限元计算结果仅展示加固范围为127°工况下的。

(a) 90°

3.2.1围岩变形

加固范围为127°时，有限元模型的位移云图如图8所示。

(a) 水平位移

通过有限元计算结果可知，3种工况下的位移云图分布相似，最大水平位移均发生在隧道边墙附近、最大变形均出现在拱腰和拱顶之间。3种工况下各个关键点的位移如图9所示。

图9 不同加固范围各个关键点的位移Figure 9 Displacement of each key point in different reinforcement ranges

由图9可知，随着加固范围的变大，各个关键点的位移均有所减小。相较于从127°增加到180°，从90°增加到127°位移减小的更为明显。

3.2.2塑性区

3种工况下的塑性区分布范围存在较大差异，加固范围为180°时，塑性区主要分布在边墙和仰拱附近；而加固范围为90°和127°时，塑性区主要分布在拱腰和仰拱附近。因此在工程施工时应该尽早完成支护结构的封闭成环工作。加固范围为127°时塑性区范围见图10。

图10 塑性区范围(127°)Figure 10 Plastic zone range (127 °)

3.2.3钢拱架

根据有限元计算结果可知，3种工况下钢拱架均主要承受压应力。90°、127°、180°的3种工况下的最大压应力分别为162.98、159.32、155.79 MPa。总体上，关键部位的受力情况180°工况下最好，127°工况下次之，90°工况下最差。加固范围为127°时钢拱架应力云图见图11。

图11 钢拱架应力云图(127°)Figure 11 Stress cloud of steel arch(127°)

综上可知，加固区越大，隧道关键部位的位移越小、受力也更为合理。

3.3 开挖方法

一般情况下，需要综合考虑隧道的断面面积、隧道长度和地质条件来确定开挖方法[10]，目前国内大部分采用台阶法[11-13]对高地应力软岩隧道进行开挖和变形控制。考虑到本项目的特殊性，并参照同区域类似项目的开挖方案[14-15]，初拟了环形开挖预留核心土法和三台阶七步预留核心法两种开挖方法。两种开挖方法对应的有限元模型见图12。