張巖

摘? 要：為研究某深埋隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力和位移分布規(guī)律，利用ABAQUS有限元軟件并結(jié)合摩爾庫(kù)倫理論建立隧道二維有限元模型，通過(guò)生死單元法模擬了隧道上下臺(tái)階法施工過(guò)程，分析了隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力和位移的變化規(guī)律，并預(yù)估可能發(fā)生的工程危害。研究結(jié)果表明：隧道拱頂、拱腳處受力比較大，易發(fā)生開(kāi)裂破壞;隧道拱頂及拱腰處塑性應(yīng)變較大，該處圍巖易發(fā)生屈服破壞;隧道拱頂處的變形最大，襯砌在施工過(guò)程中容易發(fā)生失穩(wěn)、塌陷等破壞;隧道拱腳出現(xiàn)明顯的塑性損傷現(xiàn)象。通過(guò)上述分析，以期對(duì)深埋隧道開(kāi)挖施工具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：深埋隧道;數(shù)值模擬;摩爾庫(kù)倫;生死單元;應(yīng)力;位移

Abstract： In order to study the stress and displacement distribution of a deep-buried tunnel during excavation， a two-dimensional finite element model of the tunnel was established using ABAQUS finite element software and Mohr Coulomb Theory. The construction process of the tunnel up and down steps was simulated by the method of element birth and death. The analysis of the stress and displacement changes of the tunnel during the excavation process， and the possible engineering hazards were estimated. The research results show that the tunnel vault and arch foot are relatively stressed， which is prone to cracking and failure; the tunnel vault and arch waist are subject to large plastic strain， where the surrounding rock is prone to yield failure; and the tunnel vault has the largest deformation. During the construction process， the lining is prone to instability， collapse and other damage; the tunnel arch foot has obvious plastic damage. Through the above analysis， it is expected to have a certain guiding value for the excavation and construction of deep buried tunnels.

引言

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，隨著公路工程的大力建設(shè)，越來(lái)越多的公路需要穿越山區(qū)，經(jīng)常會(huì)遇到一些深埋長(zhǎng)大隧道的建設(shè)，這些隧道具有其“長(zhǎng)、大、深、群”的特點(diǎn)，由于工程規(guī)模大、埋深大，地應(yīng)力水平高以及地質(zhì)條件復(fù)雜等因素，給隧道設(shè)計(jì)和施工均帶來(lái)了難度。深埋長(zhǎng)大隧道工程由于埋置位置較深，其高地應(yīng)力場(chǎng)所引發(fā)的圍巖失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害是深埋長(zhǎng)大隧道工程中最為突出的問(wèn)題之一。[1-2]

我國(guó)在這方面的研究則起步較晚，直到20世紀(jì)90年代的中后期才陸續(xù)興建一些深埋公路隧道。近年來(lái)，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的施工工藝和方法，在這方面也有了一些成功的工程范例。目前，我國(guó)軟巖隧道的開(kāi)挖主要以臺(tái)階法和分部開(kāi)挖法為主。[3-9]

文獻(xiàn)[4]采用三維有限差分方法模擬3種不同施工方法的深埋隧道開(kāi)挖，對(duì)圍巖應(yīng)力、位移與塑性區(qū)狀況及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，確定不同施工方法對(duì)隧道圍巖及支護(hù)的影響。文獻(xiàn)[5][6]通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)深埋隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了深埋隧道三臺(tái)階施工方法的力學(xué)行為特征。文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值有限元法，模擬分析了隧道深埋段IV類(lèi)圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD工法和上下臺(tái)階法的隧道變形與受力特點(diǎn)，對(duì)比分析了不同開(kāi)挖工法的優(yōu)缺點(diǎn)，為該隧道施工方案的比選提供了依據(jù)。研究結(jié)果顯示：隧道深埋段IV類(lèi)圍巖條件下選擇上下臺(tái)階法施工，不僅可保證隧道施工安全，而且可提高施工速度、降低施工成本。

基于上述分析，本文利用ABAQUS有限元軟件中的生死單元法來(lái)模擬隧道上下臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程，研究分析隧道圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中的受力分布規(guī)律及變形規(guī)律，預(yù)測(cè)深埋隧道開(kāi)挖過(guò)程中可能存在的危害，并及時(shí)提供可靠的方案。

1 隧道概況及圍巖本構(gòu)模型概述

1.1 隧道概況介紹

該隧道埋深800m，屬于高地應(yīng)力的深埋隧道，傳統(tǒng)的長(zhǎng)臺(tái)階開(kāi)挖方法不能適用于深埋隧道，需要采用更加有利于圍巖穩(wěn)定的開(kāi)挖方案。上下臺(tái)階法中的短臺(tái)階法可縮短支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合的時(shí)間，改善初期支護(hù)的受力條件，有利于控制隧道收斂速度和量值。

短臺(tái)階法是將隧道分成上下兩個(gè)斷面進(jìn)行開(kāi)挖，兩個(gè)斷面相距較近，一般情況下上臺(tái)階長(zhǎng)度不能超過(guò)5倍洞跨，且兩臺(tái)階不能全部平行作業(yè)，需要嚴(yán)格控制其施工工序。

如圖1所示，隧道施工工序?yàn)椋孩?上臺(tái)階圍巖開(kāi)挖;①-上臺(tái)階初襯及錨桿布置;Ⅱ-下臺(tái)階圍巖開(kāi)挖;②-下臺(tái)階初襯及錨桿布置。

1.2 摩爾庫(kù)倫（Mohr-Colomb）塑性模型本構(gòu)

隧道圍巖材料服從Mohr-Colomb屈服準(zhǔn)則，Mohr-Colomb模型屈服面如圖2所示，屈服面函數(shù)表達(dá)式為[8]：

2 隧道開(kāi)挖有限元模型建立

本文運(yùn)用ABAQUS有限元軟件模擬我國(guó)某公路隧道，其二維平面有限元模型尺寸為：100m×120m，隧道斷面面積為82.16m2，隧道模擬埋深800m。采用四邊形平面應(yīng)變單元，并對(duì)隧道6m范圍內(nèi)的圍巖網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化處理，共4402個(gè)單元。隧道模型及網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

模型邊界條件及荷載：限制模型左右兩側(cè)水平位移（即X=0），約束模型底部水平和豎向位移（即X=Y=0）;對(duì)模型整體施加重力荷載，在模型頂面施加均布的重力荷載來(lái)模擬隧道埋深，側(cè)壓力系數(shù)取為1.2。

本文有限元數(shù)值模擬僅考慮隧洞的開(kāi)挖，不考慮初襯支護(hù)的影響，因此圍巖開(kāi)挖和初襯支護(hù)及錨桿設(shè)置同步進(jìn)行。隧道圍巖為Ⅳ級(jí)圍巖，圍巖和襯砌均服從Mohr-Colomb屈服準(zhǔn)則，圍巖剪漲角取25°，隧道各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)詳見(jiàn)表1。

上下臺(tái)階法隧道分步開(kāi)挖模擬：第一步，施加重力荷載及模型頂部均布土壓力，進(jìn)行地應(yīng)力平衡;第二步，通過(guò)ABAQUS中的生死單元法[8]殺死上臺(tái)階部分圍巖單元，模擬上臺(tái)階開(kāi)挖，并同時(shí)施加初襯及錨桿;第三步，利用生死單元法殺死下臺(tái)階部分圍巖單元，模擬下臺(tái)階開(kāi)挖，同時(shí)施加初襯及錨桿。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

如圖4-圖6所示為隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力分布情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：隧道上臺(tái)階圍巖開(kāi)挖后，S.Mises等效應(yīng)力最大值分布在圍巖距洞壁0～5m的范圍內(nèi)，隧道拱腳處的等效應(yīng)力最大，約為28.2MPa;在洞壁周邊及拱底部位產(chǎn)生較小的拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力約為0.004MPa;隧道最大壓應(yīng)力主要分布在洞壁周邊0～4m范圍，最大壓應(yīng)力約為41.7MPa。

隧道下臺(tái)階圍巖開(kāi)挖后，最大等效應(yīng)力分布在圍巖距洞壁0～6m的范圍內(nèi)，拱腳處應(yīng)力最大，約為28.7MPa;洞壁周邊最大主應(yīng)力均為負(fù)值，表明并未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域;隧道最大壓應(yīng)力主要分布在拱腳處，最大值約為43.0MPa，說(shuō)明開(kāi)挖完成后隧道拱腳和拱頂處容易發(fā)生失穩(wěn)、開(kāi)裂、塌陷等突發(fā)狀況。

3.2 隧道圍巖塑性破壞區(qū)域分析

圖7反映了隧道上臺(tái)階和下臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖塑性破壞區(qū)的分布與變化規(guī)律。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：隧道上臺(tái)階開(kāi)挖后完成，在洞壁周?chē)?～5m范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大的塑性屈服區(qū)域;下臺(tái)階開(kāi)挖后，隧道洞壁周?chē)苄詤^(qū)范圍并未出現(xiàn)明顯的變化，最大塑性應(yīng)變主要出現(xiàn)在拱頂和拱腰位置，開(kāi)挖完成后拱頂和拱腰部位容易發(fā)生失穩(wěn)、開(kāi)裂等破壞。

3.3 隧道圍巖位移分布規(guī)律

為方便分析隧道洞壁各位置位移分布規(guī)律，故在隧道洞壁周?chē)O(shè)置了10個(gè)位移檢測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為：①～⑩，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖8所示。

圖9-圖11反映了隧道開(kāi)挖完成后洞壁周?chē)冃畏植家?guī)律。隧道開(kāi)挖完成后，最大位移主要分布在拱頂和拱底中部區(qū)域，拱頂（測(cè)點(diǎn)①）最大位移約為20.8cm，拱底（測(cè)點(diǎn)②）最大位移約為12.5cm;隧道洞壁水平最大位移分布于拱腰處（即測(cè)點(diǎn)⑦和⑧），約為6.5cm;隧道洞壁豎向位移由隧道拱頂向兩側(cè)逐漸變小，拱頂?shù)呢Q向位移最大，約為20.5cm

3.4 隧道襯砌受力分析

如圖11所示，深埋軟巖隧道由于其圍巖強(qiáng)度低、地應(yīng)力高，在襯砌的拱腳位置往往出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力（彎矩）集中，拱腳處彎矩達(dá)到了348.7kN·m。此外，隧道的仰拱處也有彎矩集中現(xiàn)象（彎矩為186.7kN·m），導(dǎo)致仰拱在構(gòu)造應(yīng)力作用下出現(xiàn)明顯的底鼓變形現(xiàn)象，最終影響行車(chē)舒適及安全性。

由圖12可以看出，在隧道襯砌周?chē)纬闪嗣黠@的蠕變損傷區(qū)域，而拱腳處受損最為嚴(yán)重，究其原因?yàn)椋诟叩貞?yīng)力作用下襯砌拱腳處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于ABAQUS有限元軟件建立了深埋軟巖隧道二維有限元模型，計(jì)算并分析了隧道圍巖及洞壁周?chē)鷳?yīng)力和位移的分布規(guī)律，以期對(duì)深埋軟巖隧道具有一定的指導(dǎo)意義。主要結(jié)論如下：

（1）在高地應(yīng)力作用下，深埋軟巖隧道在開(kāi)挖過(guò)程中拱腳處和拱頂區(qū)域出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，說(shuō)明開(kāi)挖過(guò)程中拱腳和拱頂處易發(fā)生失穩(wěn)、開(kāi)裂、塌陷等突發(fā)災(zāi)害，宜做早期加固處理。

（2）隧道開(kāi)挖過(guò)程中，在其洞壁周?chē)?～5m范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大的塑性屈服區(qū)域，且最大塑性應(yīng)變主要出現(xiàn)在拱頂和拱腰位置，因此拱頂和拱腰部位軟巖容易發(fā)生屈服，容易造成隧道洞壁開(kāi)裂。

（3）隧道開(kāi)挖完成后，最大位移主要分布在拱頂，達(dá)到了20.8cm;隧道洞壁水平最大位移分布于拱腰處，達(dá)到了6.5cm;洞壁豎向位移由隧道拱頂向兩側(cè)逐漸變小。

（4）開(kāi)挖完成后，隧道襯砌拱腳處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中和受損區(qū)域;仰拱處由于構(gòu)造應(yīng)力的作用出現(xiàn)了底鼓變形現(xiàn)象，施工時(shí)需注意拱腳和仰拱部位的支護(hù)。

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