鄭應(yīng)亨，任 宏

（1.重慶大學(xué) 建筑管理與房地產(chǎn)學(xué)院，重慶400030；2.重慶市巴南區(qū)建設(shè)委員會(huì)，重慶400055）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地資源越來越有限，特別是在城市，真所謂寸土寸金。為了集約用地，城市不斷向地下空間發(fā)展，隧道工程已成為建設(shè)領(lǐng)域的重要組成部分。分析地面工程與隧道工程的施工順序?qū)r石的影響，從而采取相應(yīng)措施，確保整個(gè)項(xiàng)目的安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 隧道工程ANSYS模擬基本原則

1）材料模型：巖石材料屬于顆粒狀材料，其受壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，且材料受剪時(shí)，顆粒會(huì)膨脹，這類材料一般采用D－P屈服準(zhǔn)則。在巖石、土壤的有限元分析中，采用該準(zhǔn)則可以得到較滿意結(jié)果[1]。

2）初始地應(yīng)力模擬：初始地應(yīng)力對(duì)隧道施工的影響是顯著的，ANSYS中可以有2種方法模擬初始地應(yīng)力：a.讀取初始地應(yīng)力文件；b.忽略構(gòu)造應(yīng)力，只考慮自重。該方法簡單，但分析后續(xù)施工時(shí)，需將得到的位移結(jié)果扣除自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始位移影響。本論文采用后者。

3）開挖及連續(xù)施工的模擬：在ANSYS中可以用“單元生死”來模擬隧道的開挖。即將其“殺死”。單元生死，并不是真的將單元從模型中刪除，而是將其剛度乘以一個(gè)很小的因子ESTIF，死單元的單元荷載將為零，從而不對(duì)荷載向量生效[2]。利用ANSYS中的荷載步功能可以實(shí)現(xiàn)不同工況間連續(xù)施工計(jì)算，從而模擬隧道的連續(xù)施工。

4）ANSYS模擬隧道施工步驟如下：建立模型—施加載荷，初始地應(yīng)力模擬—開挖隧道，用殺死單元來模擬—施加不同工況荷載，求解—后處理，計(jì)算結(jié)果分析。

本論文將分析2種不同施工順序?qū)Φ叵露词覈鷰r穩(wěn)定性的影響：

1）考慮先開挖地下隧道，后修建地面建筑，分析全過程中隧道洞頂?shù)某两滴灰?、洞室圍巖的變形、塑性區(qū)、拉壓破壞區(qū)等。

2）考慮地面建筑完成，后開挖地下隧道，分析地下隧道的受力、變形、破壞區(qū)以塑性區(qū)。

2 先開挖地下隧道，后修建地面建筑

分析步驟：初始地應(yīng)力場模擬—開挖隧道模擬—修建一層建筑物—修建十五層建筑物—修建三十層建筑物（結(jié)束）

2.1 初始應(yīng)力場模擬

圍巖計(jì)算邊界一般取洞跨的3～5倍，水平向取70m，豎向取75m。圍巖采用PLANE42單元，并設(shè)定為平面應(yīng)變模型，如圖1、2所示。

從圖2中可以清楚地看到這種模擬初始地應(yīng)力的方法的不足：巖體在自重作用下產(chǎn)生了初始位移，在后續(xù)施工分析時(shí)，應(yīng)注意剔除初始位移的影響。初始沉降最大為，模型底部最大壓應(yīng)力1.81MPa，上部最小壓應(yīng)力21.78kPa。豎向位移和應(yīng)力分布均為水平。

圖1 重力作用下y方向應(yīng)力云圖

圖2 重力作用下y方向位移云圖

2.2 隧道開挖模擬

隧道開挖模擬如圖3－6所示。

巖體開挖使斷面邊界裸露，邊界點(diǎn)應(yīng)力釋放，從而引起圍巖應(yīng)力場和位移場的重分布。可以通過J.M.Dancan提出的“反轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法”實(shí)現(xiàn)這一效果，將原來作用在開挖邊界上的初始地應(yīng)力反向施加到開挖邊界上，正是這一“等效釋放荷載”造成開挖引起的巖體應(yīng)力和位移變化[3－5]。

圖3 斷面開挖后施加了節(jié)點(diǎn)力的有限元模型

圖4 開挖后y方向應(yīng)力云圖

從圖4中可以看出，洞室開挖后，應(yīng)力不再水平均勻分布，在洞頂和底板處出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中底板處拉應(yīng)力最大為701.79kPa。洞室側(cè)壁受壓，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻腳部和拱腳處，約為2.38MPa。從圖5可以看出，豎向位移也不再水平均勻分布，在拱頂出現(xiàn)最大豎向位移。

圖5 開挖后y方向位移云圖

圖6 開挖后等效應(yīng)力云圖

2.3 修建1層地面建筑后

修建1層建筑后的變化如圖7－10所示。

修建1層建筑后，拱腳和邊墻腳部的壓應(yīng)力增大，隨之洞頂豎向位移也繼續(xù)增大。

圖7 施加1層建筑荷載后的有限元模型

圖8 施加1層建筑荷載后的y方向應(yīng)力云圖

圖9 施加1層建筑荷載后的y方向位移云圖

圖10 施加1層建筑荷載后的等效應(yīng)力云圖

2.4 修建15層地面建筑后

修建15層地面建筑后的變化的情況如圖11－13所示。

圖11 施加15層建筑荷載后y方向應(yīng)力云圖

圖12 施加15層建筑荷載后y方向位移云圖

圖13 施加15層建筑荷載后的等效應(yīng)力云圖

2.5 修建30層地面建筑后

地面修建30層建筑物后的變化情況如圖14－16所示。

圖14 施加30層建筑荷載后的y方向應(yīng)力云圖

圖15 施加30層建筑荷載后y方向位移云圖

圖16 施加30層建筑荷載后等效應(yīng)力云圖

2.6 結(jié)果分析

從以上各圖分析可以得知，在豎向荷載作用下：

1）圍巖有向洞室內(nèi)部移動(dòng)的趨勢。其中隧道洞頂受拉，產(chǎn)生豎向位移最大。

2）最大拉應(yīng)力發(fā)生在底板中間部位。拱腳和邊墻腳部受壓。

3）在拱腳和邊墻腳處存在拉力。其中最大值首先出現(xiàn)在兩邊墻腳部，此處應(yīng)防止巖體屈服破壞[6－8]。隨著荷載加大，受拉區(qū)范圍加大。

3 先修建地面建筑，后開挖地下隧道

分析步驟：模擬初始地應(yīng)力場—模擬修建完成地面建筑物—模擬開挖地下隧道。

3.1 模擬初始應(yīng)力場

分析結(jié)果與上節(jié)初始應(yīng)力完全相同。

3.2 模擬修建完成地面建筑物

修建完成地面建筑物后，未開挖前的巖石情況如圖17－18所示。

圖17 施加全部建筑荷載后的y方向應(yīng)力云圖

圖18 施加全部建筑荷載后的y方向位移云圖

3.3 模擬開挖地下隧道

修建完成地面建筑物后，開挖后的巖石情況如圖19－22所示。

圖19 斷面開挖后施加了節(jié)點(diǎn)力的有限元模型

圖20 開挖后y方向應(yīng)力云圖

圖21 開挖后y方向位移云圖

圖22 開挖后等效應(yīng)力云圖

3.4 結(jié)果分析

從以上各圖分析可以得知[9]，先建地上建筑物后開挖隧道，在豎向荷載作用下：

1）圍巖有向洞室內(nèi)部移動(dòng)的趨勢。其中隧道洞頂受壓，產(chǎn)生豎向位移最大。

2）洞室兩邊圍巖受拉，底板中間部位有最大拉應(yīng)力。拱腳和邊墻腳部受壓。

3）在拱腳和邊墻腳處存在拉力，其中兩邊墻腳部首先出現(xiàn)最大值，此處應(yīng)防止巖體屈服破壞。隨著荷載加大，受拉區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大。

本論文中2種施工順序均未發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)，為試探斷面哪些部位會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū)，特在施工順序一的基礎(chǔ)上，施加一較大荷載，可以發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)首先出現(xiàn)的部位是拱頂、拱腳和邊墻腳部[10－11]，如圖22所示。

圖23 加大貨載后變形圖

4 分析施工順序?qū)Φ叵露词曳€(wěn)定性的影響

4.1 結(jié)果比較

對(duì)于先開挖地下隧道，后修建地面建筑，洞頂最大豎向位移為42.45mm，在y向應(yīng)力云圖中，隧道拱頂和底板中心受拉。其中，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板中心，為701.787kPa，從中心向兩邊受拉區(qū)逐漸擴(kuò)大。在等效應(yīng)力云圖中，拱腳和邊墻腳部受拉，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻腳部，為2.44MPa，巖體有可能發(fā)生破壞，施工時(shí)應(yīng)注意采取措施。

對(duì)于先修建地面建筑，后開挖地下隧道，洞頂最大豎向位移為48.15mm，y向應(yīng)力云圖中，隧道拱頂和底板中心受拉。其中，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板中心，為708.179kPa，從中心向兩邊受拉區(qū)逐漸擴(kuò)大。在等效應(yīng)力云圖中，拱腳和邊墻腳部受拉，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻腳部，為2.74MPa，巖體有可能發(fā)生破壞，施工時(shí)應(yīng)注意。

4.2 原因分析

先開挖地下隧道，后修建地面建筑，作用在開挖邊界上的“等效釋放荷載”相對(duì)較小（只是自重應(yīng)力下引起），而這個(gè)“等效釋放荷載”是引起洞室開挖后圍巖變形和應(yīng)力重分布的重要因素。當(dāng)先挖好隧道后，再修建地面建筑時(shí)，逐層增加的豎向荷載會(huì)通過已建成隧道的拱結(jié)構(gòu)逐漸傳遞到圍巖上去[12－13]。

5 結(jié) 論

從以上分析可以看出，先修建地面建筑，后開挖地下隧道，洞頂豎向位移會(huì)大些，造成的底板中心拉應(yīng)力也較大，而先開挖地下隧道，后修建地面建筑，洞頂豎向位移會(huì)小些，造成的底板中心拉應(yīng)力也較小。因此相比較而言，先開挖地下隧道后修建地面建筑施工順序比先修建地面建筑后開挖地下隧道的施工順序更為有利，這也符合建筑施工的基本原則——先地下后地上。在隧道施工過程中，盡量采用有利施工順序；若采用不利施工順序，必須精心設(shè)計(jì)，加強(qiáng)施工組織設(shè)計(jì)，強(qiáng)化施工過程的監(jiān)測，完善各種預(yù)案，落實(shí)組織保障，確保人們生命財(cái)產(chǎn)安全和整個(gè)隧道工程的質(zhì)量安全。

[1]張強(qiáng)勇.巖土工程強(qiáng)度與穩(wěn)定計(jì)算及工程應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]李九紅，楊菊生.巖體損傷彈塑性非線性有限元分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（6）：707－711.LI JIU－HONG，YANG JU－SHENG.The elastoplastic nonlinear finite element analysis of rock damage[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19（6）：707－711.

[3]楊強(qiáng)，陳新，周維垣.巖土材料彈塑性損傷模型及變形局部化分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（21）：3 577－3583.YANG QIANG， CHEN XIN， ZHOU WEI－YUAN.Elastoplastic damage model for geomaterials and strain localization analysis[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（21）：3577－3583.

[4]王水林，李春光，史貴才，等.小灣水電站地下廠房洞室群彈脆塑性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（24）：4449－4454.WANG SHUI－LIN，LI CHUNG－GUANG，SHI GUI－CAI，et al.Analysis of underground powerhouses in Xiaowan Hydropower Station by elastic－brittle－plastic constitutive models[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（24）：4449－4454.

[5]茹忠亮，馮夏庭，李洪東，等.大型地下工程三維彈塑性并行有限元分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（6）：1141－1146.RU ZHONG－LIANG，F(xiàn)ENG XIA－TING，LI HONG－DONG，et al.3Delastoplastic parallel finite element analysis of largescale underground engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（6）：1141－1146.

[6]黃達(dá)，黃潤秋，周江平，等.雅礱江錦屏一級(jí)水電站壩區(qū)右岸高位邊坡危巖體穩(wěn)定性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（1）：175－181.HUANG DA，HUANG RUN－QIU，ZHOU JIANG－PING et al.Study on stability evaluation of unstable rock masses on righbank high altitude slope in the Jinping first stage hydropower station[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（1）：175－181.

[7]ZHU WEI－SHENG，LI SHU－CAI，LI SHU－CHEN.et al.Systematic numerical simulation of rock tunnel stability considering different rock conditions and construction effects[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2003，18（5）：531－536.

[8]MIN S Y，KIM T K，LEE J S，et al.Design and construction of a road tunnel in Korea including application of the Decision Aids for Tunneling－A case study [J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23（2）：91－102.

[9]LIU HAN－LONG，LI PING，LIU JIN－YUAN.Numerical investigation of underlying tunnel heave during a new tunnel construction [J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2011，26（2）：276－283.

[10]GUIRGUIS N M，HASSAN M A，SHAALAN M R，et al.Construction and testing of a wind tunnel for in－door investigation of environmental effects on buildings [J].Renewable Energy，1996，8（1／4）：186－189.

[11]RAPOSO J R，MOLINERO J，DAFOMTE J.Quantitative evaluation of hydrogeological impact produced by tunnel construction using water balance models[J].Engineering Geology，2010，116（3／4）：323－332.

[12]ZHANG FENG－SHOU，XIE XIONG－YAO，HUANG HONGWEI.Application of ground penetrating radar in grouting evaluation for shield tunnel construction[J]，Tunnelling and Underground Space Technology，2010，25（2）：99－107.

[13]LEU SOU－SEN ，CHANG SHIU－LIN . Digital image processing based approach for tunnel excavation faces[J]，Automation in Construction，2005，14（6）：750－765.