華 薇

(蘇州市交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,江蘇蘇州215007)

近十多年來，我國高等級(jí)公路建設(shè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，伴隨而來的是公路隧道的建設(shè)也取得了超常規(guī)快速發(fā)展，但由于以前工程建設(shè)少，相關(guān)研究積累少，對(duì)公路隧道開挖前后圍巖應(yīng)力分布的時(shí)空特征認(rèn)識(shí)不清，從而導(dǎo)致圍巖壓力計(jì)算在很多情況下不準(zhǔn)確，進(jìn)而引起襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隧道施工的失誤，最終導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失。

有限元法是巖土力學(xué)中應(yīng)用較為廣泛的數(shù)值方法，用有限元進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，克服了試驗(yàn)現(xiàn)場監(jiān)控耗費(fèi)時(shí)間、資金以及人力的浪費(fèi)，系統(tǒng)直觀的對(duì)公路隧道開挖后圍巖應(yīng)力分布和變形進(jìn)行分析，對(duì)于工程實(shí)踐能夠起到指導(dǎo)作用。

1 隧道開挖數(shù)值模擬過程的建立

1.1 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS/CAE來建立有限元模型。ABAQUS/CAE是一個(gè)具有交互作用的圖形模塊，是ABAQUS進(jìn)行有限元分析的前后處理模塊，它將所分析結(jié)構(gòu)的幾何形狀生成為網(wǎng)格區(qū)域,使模擬過程快速而又容易完成。ABAQUS/CAE模塊先將圖形形狀、材料和截面特性輸入，再對(duì)單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，施加載荷和邊界條件，一旦模型完成,就生成了一個(gè)ABAQUS輸入文件——.inp文件。盡管一個(gè)簡單分析可直接應(yīng)用ABAQUS字符輸入文件,但通常的作法是由ABAQUS/Pre或者其他前處理軟件把問題的模型圖形化,然后再進(jìn)行分析。

所建CAE模型與有限元模型見圖1和圖2。

圖1 隧道CAE模型

圖2 隧道有限元模型

1.2 數(shù)值模型的邊界條件及荷載處理

(1)巷道問題符合平面應(yīng)變問題。本文的數(shù)值計(jì)算均作為平面應(yīng)變問題來處理。

(2)為消除邊界效應(yīng)，模型取足夠大的尺寸，隧道處于模型的中心。隧道開挖的影響范圍一般為隧道直徑的3～5倍。因此本模型的尺寸取隧道直徑的5倍，隧道位于正中央。

(3)根據(jù)隧道理論,在自重應(yīng)力條件下，模型的左右邊界施加水平方向的約束,在模型的底部施加水平和垂直方向的約束。

2 施工過程的有限元?jiǎng)討B(tài)模擬

2.1 計(jì)算模型參數(shù)

以四車道V級(jí)圍巖用臺(tái)階法開挖方式為例介紹分析過程，具體圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)參見表1。

表1 各材料參數(shù)

2.2 施工過程網(wǎng)格化模擬

上下臺(tái)階法的施工過程的單元網(wǎng)格圖如圖3～圖6。

圖3 上臺(tái)階開挖單元網(wǎng)格

圖4 上臺(tái)階初期支護(hù)單元網(wǎng)格

圖5 下臺(tái)階開挖單元網(wǎng)格

圖6 下臺(tái)階支護(hù)單元網(wǎng)格

2.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力場分析

按照施工步驟進(jìn)行計(jì)算模擬,得出開挖以及進(jìn)行襯砌支護(hù)施工過程中隧道圍巖初始狀態(tài)遭到破壞后的應(yīng)力圖。如圖7～圖10為不同開挖步驟下的第一主應(yīng)力云圖。從圖中可以看出,當(dāng)上臺(tái)階開挖后,在拱部中央?yún)^(qū)域和開挖面的底部以及左右肩部圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,隨著錨桿和襯砌等支護(hù)措施的完成,拱頂部的應(yīng)力由0.079 4 MPa降低到0.051 0 MPa,拱底部的最大應(yīng)力由0.399 MPa降低到0.251 MPa,應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解,而左右肩部應(yīng)力集中現(xiàn)象也得到明顯的緩解；當(dāng)下部臺(tái)階開挖完成后,拱兩側(cè)和底部應(yīng)力集中現(xiàn)象又趨于明顯，并且拱頂和拱頂?shù)膽?yīng)力開始增大。當(dāng)最終的支護(hù)措施完成后,從圖中可以看出,應(yīng)力集中現(xiàn)象已經(jīng)明顯改善。

圖7 上臺(tái)階開挖后的第一主應(yīng)力云圖

圖8 初期支護(hù)后的第一主應(yīng)力云圖

圖9 下臺(tái)階開挖后的第一主應(yīng)力

圖10 下臺(tái)階開挖支護(hù)后的第一主應(yīng)力

2.4 位移場計(jì)算結(jié)果分析

圖11～圖14為各施工步驟相應(yīng)的圍巖位移場的分布情況?？梢钥闯?每次開挖位移都會(huì)變化,但是總的曲線圖沒有太大改變。每次支護(hù)以后,位移場影響范圍會(huì)相應(yīng)減小,而再次開挖,位移場又會(huì)增大。表2為隧道在不同施工工序下圍巖頂部,底部以及左右側(cè)最大位移值。可以看出,斷面上臺(tái)階開挖后且不做支護(hù)頂部位移達(dá)到28.01 mm,對(duì)開挖部分馬上進(jìn)行初期支護(hù)后頂部下沉量只有20.03 mm,減小了近8 mm；下臺(tái)階開挖后不打支護(hù)時(shí)頂部位移繼續(xù)增加到24.09 mm,當(dāng)開挖后馬上做支護(hù),頂部位移只有21.33 mm。洞室開挖斷面的收斂情況同樣可從表中看出隨著工序的繼續(xù),底部以及測邊的位移量也和頂部有著基本相同的變化趨勢。因此及時(shí)的初期支護(hù)能夠大大阻礙圍巖的變形,防止圍巖的坍塌。

圖11 上臺(tái)階開挖后的豎向位移云圖

圖12 初期支護(hù)后的豎向位移云圖

圖13 下臺(tái)階開挖后的豎向位移云圖

圖14 下臺(tái)階開挖支護(hù)后的豎向位移云圖

3 結(jié)論

本文以四車道五級(jí)圍巖、開挖方式為上下臺(tái)階法開挖法 為例進(jìn)行了實(shí)際開挖過程的動(dòng)態(tài)模擬,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析比較。有限元分析的優(yōu)勢就是可以方便的任意改變參數(shù),大大節(jié)省了時(shí)間和工作量。通過有限元模型的計(jì)算,主要得出以下結(jié)論:

(1)開挖后,在圍巖拱部中央?yún)^(qū)域和開挖面的底部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，而左右肩部由于幾何形狀原因出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)開挖結(jié)束后,圍巖中的應(yīng)力將重新分布,支護(hù)降低了巖體中的應(yīng)力,較大程度上緩解了應(yīng)力集中問題。

(3 每次開挖，圍巖將產(chǎn)生一定的變形，并且隨著開挖的進(jìn)行會(huì)逐漸增大，但是總的位移趨勢是相同的，而支護(hù)能夠大大的阻礙圍巖的變形。

[1] JTJ 026-90公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2] Zhu, Weishen; Li, Shucai Li,Shuchen; Chen, Weizhong; Lee, C.F.Systematic numerical simulation of rock tunnel stability considering different rock conditions and construction effects. Tunneling and Underground Space Technology[J].2003，Volume: 18, Issue: 5, November:531-536

[3] K.J. Bathe, Finite Element Procedures. Prentice-Hall, 1996

[4] 李躍宇，劉樹春，汪冰，等.用ABAQUS進(jìn)行彈塑性問題的分析[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版，2004,13(3)

[5] 石根華. 數(shù)值流形方法與非連續(xù)變形分析[M].裴覺民,譯.北京:清華大學(xué)出版社，1997