特大断面公路隧道力学响应数值仿真

2021-11-17张立伟

计算机仿真 2021年2期

关键词：轴力岩层锚杆

张立伟

(青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033)

1 引言

目前工业化进程随着全球经济快速发展而逐渐加快，城市化作为我国主要发展特征之一，其快速发展促使人口大量集中，相应而来也出现了城市交通拥挤问题。

公路是城市发展主要设施之一，也是城市化建设的基本框架。公路已城市社会、现代化发展的主要要求，具备适应快速、安全、方便的城市道路运输能力[1]。通过公路可确定城市整体格局[2]。

近几年，公路隧道建设项目大量增加，从单双洞车道隧道向三车道、四车道、五车道甚至更多车道的特大断面城市交通隧道方向转变，但对于该方面的建设还缺少施工技术经验[3]。相对特定的地貌条件，特大断面公路隧道建设的数量取决于公路交通系统在未来建设项目中的要求[4]。

通常特大断面公路隧道是在人口密集、建筑物集中、地理位置良好的条件下建设的，对于永久性建筑物隧道来说，拥有良好设计方案是保障城市交通安全运行的必要条件[5]。

分析隧道施工处的地理位置、地质条件以及施工过程对周围岩石影响程度，是保障公路隧道安全、高效、快速施工必要因素。但由于特大断面公路隧道跨度大，基本的支撑结构已经无法满足岩石给予的较大压力，再加上施工期间存在的多种复杂工序，对岩石造成了多次扰动，无法同步施工，因此极易发生岩石不稳定而导致隧道结构开裂现象发生[6]。

针对特大断面公路隧道力学响应研究已有一些相对成熟的方法，如采用大数据研究、数据源分析和地质分析方法等，然而这些方法没有考虑隧道工序复杂程度，导致开挖过程中，隧道围层并不稳定，支护方式会随着时间的流逝而发生改变，耗费大量的人力、物力[7]。

针对上述以往方法存在的问题，提出了一种新的特大断面公路隧道力学响应数值模拟分析方法。通过数值模拟方法可分析隧道内结构施工动态，其中包括两个部分，分别是确定岩土介质和模拟整个施工动态响应过程[8]。研究不同岩土介质复杂程度，对力学响应数值模拟仿真是在物理力学参数基础上确定的，而施工过程中的动态仿真可模拟数值分析过程，尽可能保证模拟过程与隧道内物理属性一致，通过借助模拟分析—有限元技术进行解决。

2 特大断面公路隧道概况

公路隧道特大断面示意图如图1所示。

图1 公路隧道特大断面示意图

特大断面公路隧道两侧多为砂岩，以图1为例，设计该隧道与地面相对高度差为150m左右，为单斜山，呈现北高南低的状态，顶层岩石厚度为30-150m。隧道沿线出现的露地层主要为两种，分别是沉积岩层和全系松散土层[9]。而沿线表面主要是亚黏土和人工填土，大约厚0-1100m左右；下伏基岩为陆相沉积岩层，该岩层可划分为砂岩和砂纸泥岩，呈现透镜体状[10]。

隧道走向与向斜走向一致，在无区域性段层中间的岩层构造裂隙并不会继续断裂，而岩层不同走向的倾角大都为7°～10°，应力水平较低[11]。

依据图1所示的断面示意图，对隧道周围岩层进行分级分析。

通常对隧道的设计应分为三个阶段，分别是进洞阶段、洞身阶段和出洞阶段，根据周围岩层物理性质、断层断裂情况以及地理位置条件，获取周围岩层基本相关参数指标[12]。按照《公路隧道设计规范》将周围岩层分级，结果如表1所示。

表1 特大断面公路隧道周围岩层分级

依据表1中的内容，对力学响应数值进行模拟仿真。

3 力学模型构建及结构计算

根据上文中的图1可知：特大断面是由三心圆形曲边墙结构组成的，模型边界至隧道中心大约为3.5倍长的隧道直径，两侧都具备固定约束，而底部具有垂直的支撑约束，通过顶部施加荷载，以此模拟隧道自身的重力。

一般来说，岩石的抗压/拉能力和抗剪能力都很优秀，在不同的应力下，岩石的破坏形主要为塑性破坏阁，因此利用有限元软件构建力学模型，并自动划分有限元网格，采用弹塑性屈服条件，对平面应变单元进行模拟，力学模型构建参数如表2所示。其中，材料模型的弹性屈服服从Drucker-Prager法则，平面应变计算过程中，围岩和支护材料的自重会自动增加，喷层和锚杆通过承受地应力的释放荷载来起作用。原始地应力的释放比率按照位移空间曲线来确定。

表2 力学模型构建参数

弹性模量计算过程为

G=G0+(G0-G∞)e-βt

(1)

其中，G0表示短效弹性模量，G∞长效弹性模量，β表示衰减系数，t表示时间。

泊松比计算过程为

(2)

其中，ε表示载荷方向上的应变，ε1表示垂直方向上的应变。

在施工过程中，通过承受地应力释放荷载来体现隧道支护锚杆作用。当锚杆设置完成后，再释放剩余的地应力。假设隧道施工是具有规律性的，那么仅仅考虑空间问题，而忽略了隧道周围岩层流变问题，容易导致隧道施工开挖过程中出现安全危险问题。

4 不同施工方法下隧道力学响应模拟分析

由于隧道岩体与支护结构一般都处于各向形变发展受约束的状态下，即使局部岩石的应力达到屈服极限，但是其会因受带四周岩石的约束仍保持相对稳定，并且到达其屈服极限后的变形及渐近破坏性仍具有重要价值，这与地面结构受力破坏形式是有很大差别的。因此，模拟分析的过程中，需要根据隧道岩土结构本身的特点进行模拟分析。隧道开挖初支不同单元极值计算结果如表3所示。

表3 隧道开挖初支不同单元极值计算

主应力数值的计算过程为

(3)

其中，σx和σy分别表示x轴和y轴方向上的应力，τxy表示切线角度。

一旦隧道工程实施，那么隧道底部两端会出现较小拉应力，对隧道中心底部造成一定压力，但该压力值在隧道中心所能承受范围之内，由此说明拱部锚喷支护起到一定作用。

针对上下台阶开挖锚喷支护后，上下台阶两边受到的拉应力较小，但锚喷初支强度较大，此时会在上台阶底部形成大面积的压缩带；而下台阶开挖后，隧道底部压应力分部较为集中。上台阶开挖后，两端的锚杆轴力大于拱顶轴力，下台阶开挖后，锚喷力不再像原始那么大，有所减小，此时隧道拱顶和两端锚杆所承受的力较大。

对于集中施工方式，应增设锚喷支护，不断提高隧道周围岩层的强度，此时同样在拱顶出现一定压力，而下台阶两端出现拉应力，但影响强度较小。上台阶开挖后，锚杆轴力较小，但两端喷层压力较大，经过台阶开挖后，锚杆轴力为原始轴力的五倍左右，隧道拱部至底部锚杆轴力较大。

开挖第一阶段，周围岩层压力明显降低，右上台阶开挖后，所设的锚杆轴力与下台阶开挖后锚杆轴力大致相同，拱顶和两端喷层压力较大。

开挖第二阶段，右上拱部锚杆所承受的轴力有所降低，新设计的锚杆轴力小于原始锚杆轴力，而底部喷层应力较大。

开挖第三阶段，增设的锚杆轴力突然增大，拱顶和锚杆锚尾轴力远远大于锚头的轴力，并且边角处喷层压力也相对较大。

分别从水平位移和垂直位移角度来看，特大断面公路隧道力学响应数值模拟仿真研究具有一次性开挖的优势，利用锚杆支护限制隧道周围岩层，保证其扰动程度较小，保证数值模拟仿真具有良好模拟效果。

5 仿真研究

针对特大断面公路隧道力学响应数值模拟仿真研究合理性，采用仿真进行验证分析。

5.1 实验设备

实验设备采用某城市交通公路科学研究所成功研制的综合实验系统进行相似模拟实验研究，该系统如图2所示。

图2 综合实验系统

该系统是由内外加载系统、液压系统和数据采集处理器组成的。采用先启动后加载的原理，利用千斤顶在模型外部加载，模拟岩土层自重力，通过内置千斤顶以及开挖体应力响应，使仿真应力状态与原始状态基本一致，如实反映出隧道开挖变形的特征。

该系统尺寸为1.5m×1.5m×2.5m，具备15个断面，其中每个断面顶端和两处腰点均设置3个测试点。并依据测试点布置情况，设置实验参数。

5.2 实验参数

将隧道空断面设置为单心圆，通过应力、弹性模量、粘聚力，计算几何相似比。经过各组配比主要物理学参数相似比，可选定最终隧道设计配合比。

5.3 实验结果与分析

根据上述实验内容，将传统的模拟分析方法(文献[7]方法)和上述方法的特大断面公路隧道力学响应数值模拟分析结果进行对比实验，验证不同方法的模拟分析准确性。

绘制不同模拟分析方法下的特大断面公路隧道应力-应变曲线，并与实际应力-应变曲线进行对比，结果如图3所示。

图3 不同模拟分析方法应力-应变曲线对比

分析图3可知，与传统模拟分析方法相比，所提的特大断面公路隧道力学响应数值模拟方法的应力-应变曲线与之际曲线更为接近，能够更准确的对特大断面公路隧道的应变力进行模拟。

为进一步验证所提的的特大断面公路隧道力学响应数值模拟分析方法的有效性，进行多次试验，对比不同方法的模拟效果，指标用平均模拟准确率来体现，结果如图4所示。

图4 不同模拟方法平均准确率对比

分析图4可知，采用传统方法是在实验次数为14次时，模拟效果达到最好，平均模拟准确率约为53%；在实验次数为2和6次时，模拟效果最差，平均模拟准确率约为21%。而采用所提方法是在实验次数为8次时，模拟效果达到最好，平均模拟准确率约为90%；在实验次数为12次时，模拟效果最差，平均模拟准确率为85%。由此可知，所提的特大断面公路隧道力学响应数值模拟方法的模拟效果更好，应用优势更强。

通过上述内容，可得出实验结论：采用所提的特大断面公路隧道力学响应数值模拟方法进行力学数值模拟的效果较好，最高平均模拟准确率可达到92%，最低模拟效果也可达到82%，对特大断面公路隧道力学响应数值模拟仿真研究是具有合理性的和科学性的。