ADNIA在淺埋隧道施工控制數值模擬中應用研究

1、郭永軍（.中交第一航務工程局有限公司）摘 要：隧道施工通過淺埋、軟弱破碎圍巖時會引起圍巖應力位移場發(fā)生變化，本文采用ADINA軟件以“生”、“死”單元模擬隧道開挖支護過程進行了三維有限元模擬，對圍巖和支護結構應力位移場進行分析，得到淺埋暗挖隧道施工時地表沉降、拱頂下沉、洞內水平收斂隨時間變化的規(guī)律。并且模擬不同開挖方式對地表沉降、拱頂下沉、洞內水平收斂的影響，對工程實踐有著重要的指導意義。關鍵詞：隧道；淺埋暗挖，有限元模擬，ADNIAStudy on the Technology of Excavation Construction Control for Shallow-buried Tun

2、nels in Soft Ground by Drill-blasting Method Guo yong junAbstract: Under the shallow submersion, the soft crag condition with drill-blastingmethod to excavate the tunnel through ground building safely need to solve many technical questions, andcompletes the construction monitoring. This article unif

3、ied theproject actually to discuss the construction to excavate with micro-vibration the demolition theory and advance the drive pipe note thick liquid support, construction control technology and so on monitoringtechnology, has the important instruction significance to the projectpractice.key words

4、: soft ground；Drill-blastingmethod；pipe note thick liquid support1 引言隨著大量城市隧道施工進行，我國對隧道施工引起的地表沉降問題也進行了研究。大多是根據隧道開挖后地表沉降槽的形狀，認為可以采用一定的曲線形式表示，在根據地表沉降實測結果或已有的資料，確定曲線的具體特征參數。由于經驗公式法原理簡單，易操作，是發(fā)展比較成熟也較多采用的預測地層沉降的方法1。而計算機的出現為數值分析提供了強有力的工具。借助于計算機，可以較全面的考慮影響圍巖移動及地表沉降的主要因素，較為準確地預計隧道施工引起的圍巖移動及地表沉降，并提出有效的控制地面沉降

5、的方法。常用的預計圍巖位移與地表沉降的數值分析方法主要是有限單元法。本文結合十堰某隧道淺埋暗挖段施工應用有限元大型分析軟件ADINA對引起的圍巖應力位移變化和地表沉降進行模擬分析研究。探討淺埋暗挖隧道施工時地表沉降、拱頂下沉、洞內水平收斂隨時間變化的規(guī)律，以及在不同開挖方式對地表沉降、拱頂下沉、洞內水平收斂的影響，為指導工程實踐提供重要的依據。2 隧道開挖模擬基本方法由于城市鐵路隧道一般接近地表，巖土體結構相對松散，構造應力常?？梢院雎圆挥?，初始應力場可以假定為重力場。當用有限單元法模擬在自重作用下隧道的開挖效果時，一般采用反轉應力釋放法和空單元法進行計算。隧道開挖前圍巖處于初始應力狀態(tài)，以及

6、與之相適應的初始位移場，沿開挖邊界上的各點也都處于一定的原始應力狀態(tài)。隧道開挖后，因其周邊上的徑向應力和剪切力都為零，開挖使這些邊界的應力卸荷，從而引起圍巖變形和應力場的變化。對上述過程的模擬通常采用的方法是鄧肯(J.M.Duncan)等人提出的“反轉應力釋放法”。即把這種沿開挖作用面上的初始地應力反向后轉換成等價的“釋放載荷”。空單元法的開挖效果是通過被挖掉單元的“空單元化”，即在保證求解方程不出現病態(tài)的情況下把要挖掉單元的剛度矩陣乘以一個很小的比例因子，使其剛度矩陣變得很小可忽略不計，同時使其質量、載荷等效果的值也設為零來實現的.在重力場作用下，運用空單元法模擬開挖過程時，所求的應力場為該

7、步開挖后圍巖的實際應力場，所求得的位移場需減去初始應力場才為該步開挖后圍巖的實際位移場?；旌戏ㄊ欠崔D應力釋放法和空單元法緊密結合的一種方法。避免了反轉應力釋放法的局限性以及空單元法的不便性。3 隧道斷面三維建模分析3.1數值模擬計算理論及假設數值模擬計算按照新奧法理論，把襯砌與地層做為共同受力變形的整體。隧道中的支護措施如小導管注漿、格柵鋼架等的力學模擬按等效作用進行考慮。計算方法采用彈塑性有限元方法，屈服準則采用Mobr-Coloumb準則。計算假設：(1) 由于是淺埋隧道，上覆碎石土層較薄，僅為1m厚；片巖全風化層厚5.67，為主要覆蓋巖層，所以模型取片巖全風化層為隧道覆蓋層，不在分層考慮

8、。(2) 初期支護承受全部荷載，二次襯砌作為安全儲備，模擬時不予考慮。(3) 初期支護看成是小導管預注漿短管棚支護圍巖與噴射混凝土共同作用的結果， (4) 由于隧道埋深較淺，在隧道施工深度范圍內沒有發(fā)現地下水，所以在建模時不考慮地下水對模型的影響(5) 在施加巖土的初始應力場時，只考慮重力應力場，不計構造應力場。3.2 計算荷載及模型參數在隧道開挖前，巖土中已經存在初始應力場，不計初始應力場中的構造應力，按巖土的重力應力場進行計算。在ADINA軟件中，首先對三維模型施加重力荷載，計算出隧道未開挖時的初始應力，即自重應力場；其次將計算得到的初始應力施加到模型的各結點上，作為初始應力場。本文所用模

9、擬參數是根據勘察設計單位提供的資料和鐵路隧道設計規(guī)范(TB-10003-2005)進行模擬。覆蓋層為碎石土及片巖全風化層，屬軟弱破碎圍巖。3.3模擬單元和單元生死的確定本模型采用三個單元組，單元組一模擬隧道圍巖，單元組二模擬隧道支護結構(混凝土襯砌)，單元組三模擬隧道開挖掉的巖體。這三個單元組均采用三維實體單元(3D)來模擬。開挖支護模擬采用ADINA中的單元生死來實現。巖土開挖采用單元組三“死”來模擬，噴射混凝土支護采用單元組二“生”來模擬。根據不同的開挖方式，控制隧道斷面輪廓線以內的單元生死時間，達到隧道開挖支護模擬的目的。單元死掉是剛度消失的過程，本模型中，設置單元剛度的Decay Ti

10、me為20，每部單元開挖時間設置為10，則此單元最終對圍巖失去支撐力的時間為10+20=30。而相應的支護生成時間為開挖單元死掉之后的10時刻(剛度消失50%的時刻)，因此大體上，圍巖和初期支護各獲得50%的卸荷力。3.3 隧道計算范圍及邊界條件模型計算范圍向上取到覆蓋層厚的地表，隧道向下深度取一倍隧道高度。模型左右邊界分別取四倍隧道洞徑。模型長度取一個開挖循環(huán)。所以模型尺寸為：高，寬40m，長。隧道斷面尺寸根據鐵路隧道設計規(guī)范(TB-10003-99)中的單線電氣化鐵路隧道建筑限界取值：隧道高度，寬度。三維模型劃分9936個單元，11767個節(jié)點。模型邊界條件：模型頂面，即地表為自由面；模型

11、左右兩側為橫向約束；模型底面為豎向約束。坐標系原點位于隧道中軸線20號點上，Y軸以向右為正，Z軸以向上為正，X軸為隧道開挖方向。建立的三維模型、隧道斷面形狀及邊界條件如圖1所示。圖1 隧道開挖前Y-Z平面模型圖Plane ofTunnel excavation of the former Y-Z model 4計算結果及分析4.1計算工況將建立的計算模型進行實際隧道臺階分部開挖模擬分析，計算步驟如下：(1) 進行第一步計算，得出隧道所在區(qū)域的初始地應力。將初始地應力場施加到計算模型上。(2) 模擬臺階分部開挖法各個施工工況。邊開挖邊進行噴射混凝土支護。4.2隧道圍巖和初期支護應力場分布結果通過

12、計算得到隧道開挖前后圍巖和初期支護應力結果如圖2所示。圖2 隧道開挖后初期支護第一、二、三主應力的分布特征云圖 Fig.2 Distributioncloud oftunnel excavation of the early support after the first, second and third principal stress4.3隧道開挖后周邊圍巖和初期支護位移場分布結果計算得到隧道開挖后圍巖和初期支護位移結果如圖3和圖4所示。圖3 隧道開挖后周邊圍巖水平位移分布特征云圖Distributioncloud oftunnel excavation after the rock s

13、urrounding the level of displacement distribution of cloud圖4 隧道開挖后周邊圍巖垂直位移分布特征云圖Distributioncloud oftunnel excavation after the rock surrounding the vertical distribution 4.4圍巖應力位移場和地表沉降計算結果分析通過計算分析得到的隧道周邊特征點位移、地表沉降、最大單元應力值見表1 。表1 三維有限元計算結果3-D finite element analysis results隧道周邊圍巖位移相對最大值(mm)地表沉降最大(m

14、m)單元最大壓應(MPa)拱頂下沉側壁水平位移仰拱隆起通過上述模擬，可得到淺埋暗挖隧道開挖后圍巖應力位移場和地表沉降的幾點規(guī)律：(1)隧道周邊圍巖位移最大值和地表沉降最大值均在允許范圍內；(2)隧道開挖前在自重應力下的作用下，圍巖三個主應力成層分布的規(guī)律和實際情況相符。隧道開挖后，造成二次應力重分布，使隧道周邊圍巖應力集中，隧道側壁、側壁與底板的轉角部位成為高應力的集中區(qū)，影響范圍在一倍洞徑范圍內。開挖后的最大壓應力發(fā)生在側壁與底板的轉角部位，數值為10.7 MPa；(3)在隧道拱頂周邊的部分圍巖出現了拉應力。拉應力影響范圍在隧道一倍洞徑范圍內，最大值為8.1 MPa。所以從本模擬中可以看出在

15、軟弱破碎類圍巖中，超前預支護對于加固圍巖、維持掌子面穩(wěn)定、防止出現拉應力而造成拱頂圍巖脫落的重要性；(4)隧道開挖后圍巖向隧道內壓，造成隧道拱頂、側壁、底板附近均發(fā)生較大位移，兩側圍巖水平位移的影響范圍在兩倍洞徑范圍內，地表沉降的影響范圍分布到整個模型邊界；(5) 地表沉降最大值為8.8mm。計算值與實際監(jiān)測值對比比較DZK115+394斷面模擬計算值與該斷面各項監(jiān)測值，如表2所示。表2 計算值與實際監(jiān)測值對比Tab.2 Calculated and compared the actual value of monitoring拱頂下沉相對最大值(mm)側壁收斂相對最大值(mm)地表沉降最大值

16、(mm)實際監(jiān)測值模擬計算值從表2可以看出，模擬計算的拱頂相對下沉值和地表沉降值與實際監(jiān)測值較為接近，計算值略大于實際值。 在側壁水平相對收斂這一項上，模擬計算值與實際監(jiān)測值有一定差距，計算值略大于實際值。出現這種現象的原因是：由于在實際隧道初期支護完成后，及時的在上部和下部臺階的初期支護的底腳加設100鋼管支撐，鋼管兩端焊16mm厚鋼板作托和底腳，加大支撐面積，水平支撐了隧道側壁，使初期支護盡早分部成環(huán)，控制了側壁水平收斂。而本模型在建模時出于計算實現方面的原因，并沒有考慮在隧道內加水平支撐，這樣就造成了模擬計算值大于實際監(jiān)測值。從兩者的數值對比中可以看出，在此隧道加水平支撐的必要性。不同開

17、挖方式的隧道施工模擬隨著洞室的跨度不同，圍巖類別和巖石性質的變化，開挖方式有多種多樣。反過來說，不同的圍巖類別和巖石性質，應選用不同的開挖方式。如果二者不匹配，開挖方式選擇不當，不僅延誤工期，可能導致不可估量的后果。本文在DZK115+394斷面建立三維模型，分別采用臺階分部開挖法和上下臺階法進行開挖模擬分析。臺階分部開挖法時選取前8天數據與模型拱頂中軸線上的196號節(jié)點下沉計算值進行比較。模型分35步進行計算，步長為10，總時間為350。計算得到拱頂下沉監(jiān)控點計算值與實際值對比曲線圖如圖5所示。圖5 拱頂下沉監(jiān)控點計算值與實際值對比曲線圖Fig.5 Contrast curve of sub

18、sidence monitoring the vault is calculated value and the actual value 從圖5可以看出，拱頂下沉計算值與實際值折線走勢基本相同。從模擬分析和實際監(jiān)測結果都說明了在施工的前5天進行的上臺階拱頂和左右側壁施工階段對圍巖擾動較大，造成較大的拱頂下沉，所以需要提前對圍巖進行超前預支護。上下臺階法開挖選取隧道模型拱頂中軸線上的196號節(jié)點及左右兩側相鄰的192和2336號節(jié)點研究拱頂下沉規(guī)律。三個節(jié)點隨工況步數下沉折線如圖6所示。圖6 拱頂計算點隨工況步數下沉折線圖Fig.6 The calculation of the vault, the status of step with the broken line sink plans從中可以得出上下臺階開挖法引起隧道拱頂下沉的發(fā)展規(guī)律：由于沒有采用分部開挖，而是