龙头山大跨度公路隧道动态施工围岩稳定性数值分析

时间：2023-11-06 百科知识版权反馈

【摘要】：摘　要　本文结合龙头山隧道工程，利用有限元软件ADINA建立空间计算模型，用三维弹塑性有限单元法对隧道Ⅲ类围岩段施工过程围岩稳定性和安全性进行分析，分析施工过程中围岩的位移、应力、应变变化规律，得出了一些有益的结论。

李　军　刘　瑞　侯庆军

（内蒙古交通设计研究院有限责任公司　呼和浩特　010010）

摘　要　本文结合龙头山隧道工程，利用有限元软件ADINA建立空间计算模型，用三维弹塑性有限单元法对隧道Ⅲ类围岩段施工过程围岩稳定性和安全性进行分析，分析施工过程中围岩的位移、应力、应变变化规律，得出了一些有益的结论。

关键词　大跨度公路隧道　有限元　稳定性　数值分析

1　工程概况

龙头山隧道位于同三、京珠国道主干线绕广州公路东环段，起自广州北二环高速公路火村互通式立交，向南经白云区、黄埔区、广州经济技术开发区，跨越珠江扛水道，终于番禺区化龙镇，与广珠东线高速公路相连。为国内规模最大的双向分离式单洞四车道公路隧道，隧道最大开挖宽度21．1 m，最大开挖高度13．2 m，隧道右线起讫桩号为YK5＋760～YK6＋742，长982 m，隧道左线起讫桩号为ZK5＋760～ZK6＋750，长990 m。

2　工程地质水文地质条件

龙头山总体走向近东西，测区内最高点海拔高程约184 m，隧道通过地段最大海拔高程170 m左右，坡脚标高28 m，相对高差较大，约158 m，隧道所处地貌单元属长期风化剥蚀丘陵地貌区，坡度一般为10°～30°，隧道上覆低矮灌木和杂草，植被茂密。根据区域地质资料、地震安全性评价报告及勘察成果，在隧址区外围主要发育二组断裂，即文冲断裂和瘦狗岭断裂。根据工程地质测绘及钻探揭示，隧道区地层较为简单，局部地段基岩出露地表，隧道区主要分布第四系残坡积物（Q₄^d^l＋el），基岩为燕山晚期的花岗岩侵入体（γ₅^2（3）），岩性为二长花岗岩。

地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙潜水主要赋存于隧道的第四系残坡积层中及全风化花岗岩中，潜水含水层埋藏浅，水量小，富水性弱，动态变化大，受大气降水直接补给，下渗入基岩裂隙中或沟谷斜坡地带与基岩接触处，成渗流或湿地形式排泄出露。调查发现，在沟谷中发现多处细流，流量为0．34 L/s。另外在龙头山基岩裂隙较发育地带，杂草丛生，与地下水有直接关系，地下水呈片状渗出，据简易流量测定，地下水流量为1．50 L/s。基岩裂隙水主要赋存于基岩裂隙中，赋水性不均匀，局部透水性较好，主要受大气降水及第四系松散岩类孔隙潜水的渗入补给。根据水质分析成果，地表水及地下水类型为HCO₃-Cl-Ca·Mg型，pH值分别为6．68及6．25，呈弱酸性。地下水及地表水对混凝土无腐蚀性。

3　三维有限元分析在ADINA中的实现

公路隧道围岩具有明显的弹塑性性质，进行隧道实际开挖过程的动态数值模拟，通过弹塑性分析得出开挖过程中围岩应力分布、应变规律和位移变化规律，可以为隧道的顺利施工提出警示信息和直接指导，同时为隧道断面设计的优化提供理论基础。

本文采用ADINA有限元软件进行施工过程数值模拟。为探讨隧道开挖过程中不同开挖步骤对隧道目标面（研究面）围岩稳定性的影响，本文对龙头山公路隧道左线有代表性地段（ZK5＋820～ZK5＋850）的施工过程进行数值模拟，分析不同施工工况下围岩的位移、应力、应变情况。

在符合真实施工顺序的基础上，结合隧道的具体情况，本文采用三维有限元对隧道的开挖过程和喷锚支护过程进行数值模拟，依据隧道开挖的影响范围，模型左右取3．5倍洞径，向下2．5倍洞径，向上取自地表。

具体的分析计算步骤如下：

①确定开挖断面的几何参数及围岩和支护的各种力学参数。

②确定计算域及建立围岩和支护结构的数值分析模型。

③计算围岩的初始应力场。

④按各施工方案的开挖过程模拟计算围岩和支护结构的应力场和位移场。

⑤叠加各施工阶段的计算值，得到围岩和支护结构的最终应力场和位移场。

⑥根据最终的计算结果，评估隧道围岩结构的强度和稳定性。

本文研究的计算段埋深约50 m，Ⅲ类围岩，初期支护采用喷锚支护，采用直径50 mm小导管超前支护，长度4．5 m，环向间距40 cm；锚杆采用φ25 mmTZL预应力锚杆，长度4 m，间距100 cm×100 cm。采用φ28格栅钢架支护，H＝15 cm×20 cm，纵向间距100 cm；喷射C25钢纤维混凝土20 cm，二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度55 cm。

本文在隧道施工过程的数值模拟中，围岩和支护变形分别按弹塑性和线弹性考虑能较好地反映岩土体和混凝土材料变形的非线性和线性，因此围岩用Mohr-coulomb材料来模拟，且不考虑其体积膨胀，喷射混凝土为线弹性材料，且不计其非线性变形，二次衬砌作为安全储备，本文不考虑。在有限元计算中，围岩和混凝土均采用8节点六面体实体映射单元划分，锚杆采用ADINA里的rebar单元，钢拱架采用等效计算方法，将钢拱架的弹性模量折算给相邻的混凝土。各材料物理力学计算参数见表1。

表1　岩体及支护材料物理力学参数表

3．1　计算模型及条件

①隧道施工过程采用双侧壁导坑法开挖，开挖工序如图1所示：

图1　龙头山隧道Ⅲ类围岩开挖步骤示意图

②根据实际情况及对研究面（目标面）的影响大小，将模型分为两段开挖，每一段长10 m，中间即为目标面。整个模拟过程如图2所示，开挖步骤为：

第1步：开挖第一段左上导坑；第2步：开挖第一段左下导坑；第3步：开挖第一段右上导坑；第4步：开挖第一段右下导坑；第5步：开挖第一段上台阶；第6步：开挖第一段核心土；第7步：开挖第一段下台阶；第8步：开挖第二段左上导坑；第9步：开挖第二段左下导坑；第10步：开挖第二段右上导坑；第11步：开挖第二段右下导坑；第12步：开挖第二段上台阶；第13步：开挖第二段核心土；第14步：开挖第二段下台阶。

③计算模型整体经离散后单元总数12 600个，节点总数14 335个。计算模型的边界条件，除上部为垂直荷载外，侧面和底面为法向约束边界。因隧道埋深较浅，故计算时按自重应力场考虑，如图3所示。

图2　开挖步骤示意图

图3　龙头山隧道三维有限元分析模型

4　隧道围岩稳定性计算结果分析

4．1　位移场分析

为了能够清楚地表达隧道施工过程中对目标面围岩稳定性的影响，本文选择了几个关键位置上的点来研究它们的位移变化情况，这些点是1，2，3，4，5，如图4所示。

图4　关键点示意图

图5　开挖过程中1号点竖向位移图

图6　开挖过程中1号点横向位移图

图7　开挖过程中2号点竖向位移图

图8　开挖过程中2号点横向位移图

图9　开挖过程中3号点竖向位移图

图10　开挖过程中4号点横向位移图

图11　开挖过程中5号点竖向位移图

图12　开挖过程中5号点横向位移图

图13　开挖过程中6号点竖向位移图

图14　开挖过程中6号点横向位移图

从图5～图14可以看出，在隧道开挖过程中，喷锚支护所起的作用是明显的，可以有效地减小围岩的变形。随着开挖步骤的进行，隧道围岩拱顶下沉量不断增加，在整个施工过程中，目标面上的1号点，即拱顶沉降量最大，在无支护的情况下，1号点的沉降量达到9．01mm，有支护的情况下达到了7．47mm，并且目标面上拱顶位移变化幅度最大的时刻发生在目标面前一段和后一段上台阶土开挖后，因此洞顶应作为收敛量测的控制点；在隧道开挖过程中，水平位移变化较大的是2号点和3号点，在有支护的情况下位移减小明显，如图8和图10所示，在第一段有支护后，形成应力拱，在开挖第二段时拱腰和拱角水平向位移能明显减小，施工过程中应该在这加强围岩的的动态量测和监控，其他关键点水平位移变化较小；开挖核心土后拱底竖向回弹较大，和拱顶的竖向位移方向相反，变化趋势基本一致，无支护时达10．56 mm，有支护时达9．82mm。这主要是因为核心土下部开挖完成后相当于内卸载作用，致使拱圈回弹产生的。

4．2　应力场分析

①隧道第一段左导洞开挖后由于部分初始应力得到释放，左导洞曲边墙两侧出现了应力集中现象，围岩塑性范围小，但应变值大，在施加初期支护后地应力完全释放，由围岩和支护共同承担应力，拱腰应力圈变化均匀，应力集中现象得到了很大改善。

②隧道第一段在左右导洞开挖无支护情况下，拱肩和拱脚出现对称的应力集中现象。拱肩是应力集中最大的地方，在施加喷锚支护后拱肩应力集中现象消除，有效改善了围岩应力集中现象，

③隧道第一段上台阶开挖后，隧道顶部应力得到释放，顶部和拱角处应力集中明显并有所增大，其他地方围岩应力无明显变化。施加喷锚支护后隧道围岩应力集中得到改善，只有在拱角处出现了比较大的应力集中现象。在下台阶开挖后，地应力完全释放，由围岩与衬砌共同承担，在拱角应力进一步集中，拱顶和拱底均出现了拉应力，其他部位变化比较均匀。出现拉应力的原因是隧道开挖后对拱底有一个卸载作用，拱底回弹产生向上的位移致使出现拉应力。

④隧道第二段左导坑开挖后，在无喷锚支护情况下，拱顶和左拱腰出现了明显的应力集中现象，在实施喷锚支护后应力集中现象得到很大改善，尤其拱顶部应力集中现象减少很明显，如图15所示，图16为开挖两段后塑性区纵向剖面图。从纵向看，隧道开挖产生的塑性区对围岩的影响仅在开挖面附近，最大影响范围在开挖面前方2 m。