ADNIA在淺埋隧道施工控制數(shù)值模擬中應(yīng)用研究

1、郭永軍（.中交第一航務(wù)工程局有限公司）摘 要：隧道施工通過(guò)淺埋、軟弱破碎圍巖時(shí)會(huì)引起圍巖應(yīng)力位移場(chǎng)發(fā)生變化，本文采用ADINA軟件以“生”、“死”單元模擬隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程進(jìn)行了三維有限元模擬，對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移場(chǎng)進(jìn)行分析，得到淺埋暗挖隧道施工時(shí)地表沉降、拱頂下沉、洞內(nèi)水平收斂隨時(shí)間變化的規(guī)律。并且模擬不同開(kāi)挖方式對(duì)地表沉降、拱頂下沉、洞內(nèi)水平收斂的影響，對(duì)工程實(shí)踐有著重要的指導(dǎo)意義。關(guān)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(jìn)行，我國(guó)對(duì)隧道施工引起的地表沉降問(wèn)題也進(jìn)行了研究。大多是根據(jù)隧道開(kāi)挖后地表沉降槽的形狀，認(rèn)為可以采用一定的曲線形式表示，在根據(jù)地表沉降實(shí)測(cè)結(jié)果或已有的資料，確定曲線的具體特征參數(shù)。由于經(jīng)驗(yàn)公式法原理簡(jiǎn)單，易操作，是發(fā)展比較成熟也較多采用的預(yù)測(cè)地層沉降的方法1。而計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為數(shù)值分析提供了強(qiáng)有力的工具。借助于計(jì)算機(jī)，可以較全面的考慮影響圍巖移動(dòng)及地表沉降的主要因素，較為準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)隧道施工引起的圍巖移動(dòng)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(yù)計(jì)圍巖位移與地表沉降的數(shù)值分析方法主要是有限單元法。本文結(jié)合十堰某隧道淺埋暗挖段施工應(yīng)用有限元大型分析軟件ADINA對(duì)引起的圍巖應(yīng)力位移變化和地表沉降進(jìn)行模擬分析研究。探討淺埋暗挖隧道施工時(shí)地表沉降、拱頂下沉、洞內(nèi)水平收斂隨時(shí)間變化的規(guī)律，以及在不同開(kāi)挖方式對(duì)地表沉降、拱頂下沉、洞內(nèi)水平收斂的影響，為指導(dǎo)工程實(shí)踐提供重要的依據(jù)。2 隧道開(kāi)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(jié)構(gòu)相對(duì)松散，構(gòu)造應(yīng)力常?？梢院雎圆挥?jì)，初始應(yīng)力場(chǎng)可以假定為重力場(chǎng)。當(dāng)用有限單元法模擬在自重作用下隧道的開(kāi)挖效果時(shí)，一般采用反轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法和空單元法進(jìn)行計(jì)算。隧道開(kāi)挖前圍巖處于初始應(yīng)力狀態(tài)，以及

6、與之相適應(yīng)的初始位移場(chǎng)，沿開(kāi)挖邊界上的各點(diǎn)也都處于一定的原始應(yīng)力狀態(tài)。隧道開(kāi)挖后，因其周邊上的徑向應(yīng)力和剪切力都為零，開(kāi)挖使這些邊界的應(yīng)力卸荷，從而引起圍巖變形和應(yīng)力場(chǎng)的變化。對(duì)上述過(guò)程的模擬通常采用的方法是鄧肯(J.M.Duncan)等人提出的“反轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法”。即把這種沿開(kāi)挖作用面上的初始地應(yīng)力反向后轉(zhuǎn)換成等價(jià)的“釋放載荷”?？諉卧ǖ拈_(kāi)挖效果是通過(guò)被挖掉單元的“空單元化”，即在保證求解方程不出現(xiàn)病態(tài)的情況下把要挖掉單元的剛度矩陣乘以一個(gè)很小的比例因子，使其剛度矩陣變得很小可忽略不計(jì)，同時(shí)使其質(zhì)量、載荷等效果的值也設(shè)為零來(lái)實(shí)現(xiàn)的.在重力場(chǎng)作用下，運(yùn)用空單元法模擬開(kāi)挖過(guò)程時(shí)，所求的應(yīng)力場(chǎng)為該

7、步開(kāi)挖后圍巖的實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)，所求得的位移場(chǎng)需減去初始應(yīng)力場(chǎng)才為該步開(kāi)挖后圍巖的實(shí)際位移場(chǎng)?；旌戏ㄊ欠崔D(zhuǎn)應(yīng)力釋放法和空單元法緊密結(jié)合的一種方法。避免了反轉(zhuǎn)應(yīng)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(shù)值模擬計(jì)算理論及假設(shè)數(shù)值模擬計(jì)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(hù)措施如小導(dǎo)管注漿、格柵鋼架等的力學(xué)模擬按等效作用進(jìn)行考慮。計(jì)算方法采用彈塑性有限元方法，屈服準(zhǔn)則采用Mobr-Coloumb準(zhǔn)則。計(jì)算假設(shè)：(1) 由于是淺埋隧道，上覆碎石土層較薄，僅為1m厚；片巖全風(fēng)化層厚5.67，為主要覆蓋巖層，所以模型取片巖全風(fēng)化層為隧道覆蓋層，不在分層考慮

8、。(2) 初期支護(hù)承受全部荷載，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，模擬時(shí)不予考慮。(3) 初期支護(hù)看成是小導(dǎo)管預(yù)注漿短管棚支護(hù)圍巖與噴射混凝土共同作用的結(jié)果， (4) 由于隧道埋深較淺，在隧道施工深度范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地下水，所以在建模時(shí)不考慮地下水對(duì)模型的影響(5) 在施加巖土的初始應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，只考慮重力應(yīng)力場(chǎng)，不計(jì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。3.2 計(jì)算荷載及模型參數(shù)在隧道開(kāi)挖前，巖土中已經(jīng)存在初始應(yīng)力場(chǎng)，不計(jì)初始應(yīng)力場(chǎng)中的構(gòu)造應(yīng)力，按巖土的重力應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。在ADINA軟件中，首先對(duì)三維模型施加重力荷載，計(jì)算出隧道未開(kāi)挖時(shí)的初始應(yīng)力，即自重應(yīng)力場(chǎng)；其次將計(jì)算得到的初始應(yīng)力施加到模型的各結(jié)點(diǎn)上，作為初始應(yīng)力場(chǎng)。本文所用模

9、擬參數(shù)是根據(jù)勘察設(shè)計(jì)單位提供的資料和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(TB-10003-2005)進(jìn)行模擬。覆蓋層為碎石土及片巖全風(fēng)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(gè)單元組，單元組一模擬隧道圍巖，單元組二模擬隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)(混凝土襯砌)，單元組三模擬隧道開(kāi)挖掉的巖體。這三個(gè)單元組均采用三維實(shí)體單元(3D)來(lái)模擬。開(kāi)挖支護(hù)模擬采用ADINA中的單元生死來(lái)實(shí)現(xiàn)。巖土開(kāi)挖采用單元組三“死”來(lái)模擬，噴射混凝土支護(hù)采用單元組二“生”來(lái)模擬。根據(jù)不同的開(kāi)挖方式，控制隧道斷面輪廓線以內(nèi)的單元生死時(shí)間，達(dá)到隧道開(kāi)挖支護(hù)模擬的目的。單元死掉是剛度消失的過(guò)程，本模型中，設(shè)置單元?jiǎng)偠鹊腄ecay Ti

10、me為20，每部單元開(kāi)挖時(shí)間設(shè)置為10，則此單元最終對(duì)圍巖失去支撐力的時(shí)間為10+20=30。而相應(yīng)的支護(hù)生成時(shí)間為開(kāi)挖單元死掉之后的10時(shí)刻(剛度消失50%的時(shí)刻)，因此大體上，圍巖和初期支護(hù)各獲得50%的卸荷力。3.3 隧道計(jì)算范圍及邊界條件模型計(jì)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(zhǎng)度取一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)。所以模型尺寸為：高，寬40m，長(zhǎng)。隧道斷面尺寸根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)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(gè)單元，11767個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型邊界條件：模型頂面，即地表為自由面；模型

11、左右兩側(cè)為橫向約束；模型底面為豎向約束。坐標(biāo)系原點(diǎn)位于隧道中軸線20號(hào)點(diǎn)上，Y軸以向右為正，Z軸以向上為正，X軸為隧道開(kāi)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(kāi)挖前Y-Z平面模型圖Plane ofTunnel excavation of the former Y-Z model 4計(jì)算結(jié)果及分析4.1計(jì)算工況將建立的計(jì)算模型進(jìn)行實(shí)際隧道臺(tái)階分部開(kāi)挖模擬分析，計(jì)算步驟如下：(1) 進(jìn)行第一步計(jì)算，得出隧道所在區(qū)域的初始地應(yīng)力。將初始地應(yīng)力場(chǎng)施加到計(jì)算模型上。(2) 模擬臺(tái)階分部開(kāi)挖法各個(gè)施工工況。邊開(kāi)挖邊進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)。4.2隧道圍巖和初期支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)分布結(jié)果通過(guò)

12、計(jì)算得到隧道開(kāi)挖前后圍巖和初期支護(hù)應(yīng)力結(jié)果如圖2所示。圖2 隧道開(kāi)挖后初期支護(hù)第一、二、三主應(yīng)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(kāi)挖后周邊圍巖和初期支護(hù)位移場(chǎng)分布結(jié)果計(jì)算得到隧道開(kāi)挖后圍巖和初期支護(hù)位移結(jié)果如圖3和圖4所示。圖3 隧道開(kāi)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(kāi)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(yīng)力位移場(chǎng)和地表沉降計(jì)算結(jié)果分析通過(guò)計(jì)算分析得到的隧道周邊特征點(diǎn)位移、地表沉降、最大單元應(yīng)力值見(jiàn)表1 。表1 三維有限元計(jì)算結(jié)果3-D finite element analysis results隧道周邊圍巖位移相對(duì)最大值(mm)地表沉降最大(m

14、m)單元最大壓應(yīng)(MPa)拱頂下沉側(cè)壁水平位移仰拱隆起通過(guò)上述模擬，可得到淺埋暗挖隧道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力位移場(chǎng)和地表沉降的幾點(diǎn)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(nèi)；(2)隧道開(kāi)挖前在自重應(yīng)力下的作用下，圍巖三個(gè)主應(yīng)力成層分布的規(guī)律和實(shí)際情況相符。隧道開(kāi)挖后，造成二次應(yīng)力重分布，使隧道周邊圍巖應(yīng)力集中，隧道側(cè)壁、側(cè)壁與底板的轉(zhuǎn)角部位成為高應(yīng)力的集中區(qū)，影響范圍在一倍洞徑范圍內(nèi)。開(kāi)挖后的最大壓應(yīng)力發(fā)生在側(cè)壁與底板的轉(zhuǎn)角部位，數(shù)值為10.7 MPa；(3)在隧道拱頂周邊的部分圍巖出現(xiàn)了拉應(yīng)力。拉應(yīng)力影響范圍在隧道一倍洞徑范圍內(nèi)，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(yù)支護(hù)對(duì)于加固圍巖、維持掌子面穩(wěn)定、防止出現(xiàn)拉應(yīng)力而造成拱頂圍巖脫落的重要性；(4)隧道開(kāi)挖后圍巖向隧道內(nèi)壓，造成隧道拱頂、側(cè)壁、底板附近均發(fā)生較大位移，兩側(cè)圍巖水平位移的影響范圍在兩倍洞徑范圍內(nèi)，地表沉降的影響范圍分布到整個(gè)模型邊界；(5) 地表沉降最大值為8.8mm。計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值對(duì)比比較DZK115+394斷面模擬計(jì)算值與該斷面各項(xiàng)監(jiān)測(cè)值，如表2所示。表2 計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值對(duì)比Tab.2 Calculated and compared the actual value of monitoring拱頂下沉相對(duì)最大值(mm)側(cè)壁收斂相對(duì)最大值(mm)地表沉降最大值

16、(mm)實(shí)際監(jiān)測(cè)值模擬計(jì)算值從表2可以看出，模擬計(jì)算的拱頂相對(duì)下沉值和地表沉降值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值較為接近，計(jì)算值略大于實(shí)際值。 在側(cè)壁水平相對(duì)收斂這一項(xiàng)上，模擬計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值有一定差距，計(jì)算值略大于實(shí)際值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：由于在實(shí)際隧道初期支護(hù)完成后，及時(shí)的在上部和下部臺(tái)階的初期支護(hù)的底腳加設(shè)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(cè)壁，使初期支護(hù)盡早分部成環(huán)，控制了側(cè)壁水平收斂。而本模型在建模時(shí)出于計(jì)算實(shí)現(xiàn)方面的原因，并沒(méi)有考慮在隧道內(nèi)加水平支撐，這樣就造成了模擬計(jì)算值大于實(shí)際監(jiān)測(cè)值。從兩者的數(shù)值對(duì)比中可以看出，在此隧道加水平支撐的必要性。不同開(kāi)

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(zhì)的變化，開(kāi)挖方式有多種多樣。反過(guò)來(lái)說(shuō)，不同的圍巖類別和巖石性質(zhì)，應(yīng)選用不同的開(kāi)挖方式。如果二者不匹配，開(kāi)挖方式選擇不當(dāng)，不僅延誤工期，可能導(dǎo)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(tái)階分部開(kāi)挖法和上下臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖模擬分析。臺(tái)階分部開(kāi)挖法時(shí)選取前8天數(shù)據(jù)與模型拱頂中軸線上的196號(hào)節(jié)點(diǎn)下沉計(jì)算值進(jìn)行比較。模型分35步進(jìn)行計(jì)算，步長(zhǎng)為10，總時(shí)間為350。計(jì)算得到拱頂下沉監(jiān)控點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比曲線圖如圖5所示。圖5 拱頂下沉監(jiān)控點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)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(jì)算值與實(shí)際值折線走勢(shì)基本相同。從模擬分析和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果都說(shuō)明了在施工的前5天進(jìn)行的上臺(tái)階拱頂和左右側(cè)壁施工階段對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，造成較大的拱頂下沉，所以需要提前對(duì)圍巖進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)。上下臺(tái)階法開(kāi)挖選取隧道模型拱頂中軸線上的196號(hào)節(jié)點(diǎn)及左右兩側(cè)相鄰的192和2336號(hào)節(jié)點(diǎn)研究拱頂下沉規(guī)律。三個(gè)節(jié)點(diǎn)隨工況步數(shù)下沉折線如圖6所示。圖6 拱頂計(jì)算點(diǎn)隨工況步數(shù)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(tái)階開(kāi)挖法引起隧道拱頂下沉的發(fā)展規(guī)律：由于沒(méi)有采用分部開(kāi)挖，而是