Midas-GTSs-GTS在平硐隧道设计中的应用

2018-10-12魏振忠

水泥技术 2018年5期

魏振忠

1 引言

在一些水泥厂及骨料线的原料线部分，经常需要盾构深入到原料山体内部的平硐隧道用于运输原料矿石。然而岩体的力学属性比较复杂，施工难度大、危险系数高，且平硐隧道开挖及做衬砌的先后顺序都会导致不同比例的围岩应力释放，进而影响平硐隧道后期的使用效果。我们采用Midas-GTS软件建立有限元模型模拟各级围岩隧道开挖工况以及衬砌的作用效果，以确保设计可靠及施工安全。

2 实际工程概况

2.1 工程概况

我们采用已建成的某水泥厂灰岩矿矿山平硐隧道为原型，平硐隧道的纵立面剖视图见图1，平硐隧道的横截面尺寸见图2，参考该项目中平硐隧道的实际尺寸，建立有限元模型进行分析。

2.2 施工工艺

隧道的开挖采用递进形式，将整个隧道分为N个施工段，每个施工段都采用土体开挖、（锚杆）初期支护（初支）、二次衬砌（二衬）施工流程渐进式推进，最后在平硐隧道底部浇筑混凝土底板。

3 有限元模型

图1 平硐隧道纵立面剖视图

图2 平硐隧道横截面图

表1 各级围岩物理力学属性

3.1 计算假定

为简化数值计算工作，使三维实体模型及二维平面模型计算变得可行，考虑了以下基本假定：

（1）层状地层采用不同的地质参数值来描述各层土的物理力学特性；

（2）不考虑水压力影响；

（3）只考虑施工推进过程中空间位移的变化，不考虑时间效应；

（4）由于土层数量相对较多，将临近的土层适当合并，并综合几层土体的物理力学特性来为模型赋属性。

3.2 参数选取

土层采用摩尔-库伦模型，结构采用线弹性模型；平硐隧道的初支采用C25混凝土，二衬采用C30混凝土。C25混凝土弹性模量为30 000MPa，泊松比取0.25，重度24kN/m3；C30混凝土弹性模量为28 000MPa，泊松比取0.25，重度24kN/m3。各级围岩的物理力学属性参数见表1。

3.3 有限元模型

模型计算采用Midas-GTS有限元计算软件，相较于Abaqus、Ansys的有限元软件更便于工程应用，并且在土体结构的分析中也得到了广泛的认可。

图3 平硐隧道及围岩三维模型

图5 平硐隧道围岩二维模型

3.3.1 三维模型

平硐隧道的截面尺寸参考实际工程的尺寸，整个模型边界土体的宽度和高度是平硐隧道界面尺寸的3～5倍，沿隧道开挖方向进深取15m。考虑平硐隧道的截面尺寸较小，并且需对各级围岩下的隧道施工进行分析，隧道所在的岩体（土体）不作分层考虑。对于属性偏软的围岩，需要在施工模拟中设置锚杆，与初期的支护共同作用，以确保施工安全。隧道初期支护采用4节点壳单元，围岩采用8节点实体单元，锚杆采用2节点桁架线单元。模型图如图3、4所示。

3.3.2 二维模型

平硐隧道二维模型的截面尺寸同三维模型，相当于从三维模型横截面析取一个二维平面。隧道初期支护采用2节点平面梁单元，二次衬砌均采用2节点平面梁单元，围岩采用4节点平面应力单元，锚杆采用2节点桁架线单元。模型图如图5、6所示。

图4 平硐隧道初支、二衬三维模型

图6 平硐隧道初支、二衬二维模型

3.3.3 施工工况模拟

计算模拟时，将隧道的动态开挖过程分为以下4步，分别为：（1）建立初始应力场；（2）开挖第一施工步洞内土体；（3）在第一施工步拱部喷C25混凝土初支（根据围岩等级可选择添加锚杆）；（4）做混凝土二衬。以后依次类推，土体开挖和结构施工通过激活和钝化单元实现，每个开挖步内荷载通过开挖边界荷载释放系数分配，荷载应力释放系数为0.5、0.25、0.25（即第一步土方开挖释放50%围岩应力，第二步做初期支护释放25%围岩应力，第三步二次衬砌释放最终的25%围岩应力）。

3.3.4 模拟各类围岩、衬砌分析

在模型建立初期，定义各类围岩及初支、二衬的材料属性，在划分网格时，通过赋予网格不同属性来区别各类围岩、各类衬砌，在同一模型上进行多种有限元分析、比较。

4 数值结果分析

4.1 平硐隧道三维和二维模型施工工况分析结果对比

平硐隧道衬砌顶部及趾部是两个关键受力节点，如图7所示，下面重点针对这两个关键节点分析隧道衬砌的有限元模拟结果。根据软件系统的设定，Midas-GTS软件分析结果将分别显示在模型整体坐标系或者单元坐标系中，下文已经对结果进行整合，将统一采用图7中的坐标系。

三维模型平硐二衬顶部沿平硐隧道Z方向的弯矩为0.15kN·m/m，平硐二衬趾部沿隧道Z方向的弯矩为0.472kN·m/m，见图8。

二维平面模型是三维模型的一个切面，定义的截面宽度为1m。二维模型二衬顶部Z向弯矩为0.13kN·m/m，趾部Z向弯矩为0.418kN·m/m，见图9。

图7 隧道平硐模型坐标系及关键部位示意图

图8 平硐隧道二衬壳单元沿平硐隧道Z方向弯矩

图9 平硐隧道二衬梁单元弯矩

对比分析三维和二维模型施工工况下二衬沿隧道横截面方向的弯矩，两个控制点位置对应的弯矩偏差都在15%以内，基本可以满足设计层面精度。用二维模型替代三维模型进行设计分析，在满足精度的前提下可大幅提高整体效率。

4.2 平硐隧道各级围岩施工工况下的受力与位移

4.2.1 各级围岩施工工况二衬受力分析

一般情况下，二维平硐梁单元需要根据Z方向弯矩配筋，以弯矩为指标对各级围岩施工工况下的受力情况进行分析（见图10、11、12、13），然后调整梁单元截面，对比弯矩的变化趋势。梁单元大截面为0.4×1m2，小截面为0.2×1m2。

图10 （左起）1、2、3类围岩平硐二衬梁单元（0.4m×1m）Z向弯矩

图11 （左起）4、5、6类围岩平硐二衬梁单元（0.4m×1m）Z向弯矩

图12 （左起）1、2、3类围岩平硐二衬梁单元（0.2m×1m）Z向弯矩

图13 （左起）4、5、6类围岩平硐二衬梁单元（0.2m×1m）Z向弯矩

根据两种梁截面各级围岩施工工况下二次衬砌的顶部及趾部弯矩，得出弯矩随围岩等级变化的折线图，见图14。由图14可知，两种梁截面内力随围岩等级降低而升高的趋势是一致的。在同一围岩等级下，大截面二衬梁单元0.4m×1m相较于小截面二衬梁单元0.2m×1m的内力更大，在围岩应力释放比例和施工工况完全一致的情况下，刚度大的构件将承担更大的围岩应力，这和有限元分析理论及基本力学概念相符合。

图14 平硐二衬梁单元（0.4m×1m和0.2m×1m）弯矩随围岩等级变化折线图

图15 （左起）1、2、3类围岩平硐二衬梁单元（0.4m×1m）X方向位移

图16 （左起）4、5、6类围岩平硐二衬梁单元（0.4m×1m）X方向位移

图17 平硐隧道二衬梁单元（0.4m×1m和0.2m×1m）位移随围岩等级变化折线图

4.2.2 各级围岩施工工况下二衬变形分析

结构在满足承载能力极限状态后，仍需要验算结构正常使用极限状态，以确保在使用中能保持良好的工作性能。对应平硐二衬弯矩的取值点，分别在二衬顶部取纵向位移，在二衬趾部取横向位移，归纳总结平硐隧道二维模型在各级围岩下的位移规律。图15和图16列出了各级围岩二衬梁单元（0.4m×1m）X方向的位移，Y方向位移以及梁单元（0.2m×1m）X、Y方向的主要控制点位移见图17中的位移随围岩等级变化的折线图。

根据图17中平硐二衬位移随围岩等级变化的关系曲线，可以基本判定二衬梁单元的变形受梁单元刚度的变化影响不大，对于这种小截面的输送平硐，围岩开挖后的自应力平衡面相对较小，对周边的土体影响相对有限。