公路隧道施工过程数值模拟与分析 高星明 （河北张家Ｉ：／市城市快速路管理处 张家口０７５０００） 摘要： 本文以张石高速公路（二期）化稍营至蔚县段隧道群为研究背景，采用先进的有限元分析程序，对隧道施工 过程做出比较精确的数值模拟，从而能充分揭示隧道围岩与支护结构的变形特征和受力状况。通过本文建立 的模型及理论与实际数据的对比分析，为日后同类工程设计、施工提供借鉴和参考。 关键词： 围岩 有限元数值模拟应力 位移 分析围岩稳定性就不能不考虑塑性问题，芬纳（Ｆｅｎｎｅｒ）、卜塔罗勃（Ｔａｌｏｂｒｅ）和卡斯特奈（Ｋａｓｔｅｒ Ｈ）等给出了围岩的弹塑性应力图形。随着半解析元法以有限厚条法的形式提出，林银飞、郑颖人将有限厚条 法和弹塑性分析结合在一起，提出了弹塑性有限厚条法，采用大单元内划分小网格的方法判断塑性区范围。朱 素平等 提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性模型进行围岩稳定性的力学分析。国内外许多学者将其应用 于节理岩体的力学分析中，如日本学者Ｋａｗａｍｏｔｏ及国内学者孙钧、李术才等。 科学技术的不断进步，使得解决隧道工程问题的数值模拟理论和方法发展迅速。各种数值方法的不断成功 应用，深化了人们对许多隧道工程地质现象的理解，并有力地推动了隧道工程学科的定量化进程。不同类型的 围岩具有不同的破坏形态，如何在施工中及时评价围岩的稳定性态，根据施工揭露的地质条件和特定施工条件 下围岩的稳定状态，制定合理、可行的施工方案，控制隧道围岩的稳定状态，并保证足够的安全性和相对的经 济性，是隧道施工实践中遇到的重要问题。在本文中，作者将通过数值模拟手段，计算不同级别围岩条件下隧 道围岩的应力、位移状态以及支护结构的受力变形情况等，根据计算结果分析得出一些规律性的结论，这对评 价围岩稳定状态，优化设计支护参数及施工工法均具有直接的指导意义。 １ 公路隧道群施工过程数值模拟 张石高速公路化稍营至蔚县（张保界）段，线路穿越路段地貌单元主要为桑干河盆地一蔚县盆地区低山 丘陵单元和蔚县南部中山区单元，沿线经过北ＫＩ隧道、东峪隧道、四十里峪隧道、雾柳林隧道、蝴蝶谷隧 道、明铺隧道、岔道１：１隧道（１～２号）和黑石岭隧道。除岔道ＩＺｌ隧道采用双跨连拱式隧道外，其余隧道均采 用分离式。 本文中使用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ有限元分析软件模拟单洞隧道Ⅲ、Ⅳ、Ｖ类围岩条件下深埋隧道施工的过程。理 论分析表明，在均质弹性无限域中开挖的圆形隧道，由于荷载释放而引起的洞室周围介质的应力和位移的变 化，在５倍洞径范围之外将小于１％，在３倍洞径之外约小于５％。在本工程中分离式隧道两线间距为６５ｍ，洞径 为（１５）ｍ。分离式隧道两线间距大于３～５倍洞径，因此在数值模拟中忽略两洞间的相互影响，对单洞计算结 果影响不大。 １．１计算参数 各类围岩、喷混凝土、锚杆和二次衬砌的物理力学参数根据 公路隧道设计规范 、设计资料以及类似工 程计算经验综合分析后确定，见表１～表３。 类围岩计算参数表（Ｔａｂｌｅ１．Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｐａｒ＆ｍｅｔｅｒ ｏｆ…ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ） 表 逸１３７ ６ 重＼ 遨 星 ＼ Ｌ Ｌ ｃ； ０ ５ ０ ５ ０ ５ ０ ５ Ｏ 遨 １ ３ ５ ７ ９ １１ １３１５１７ １９２１２３２５２７２９ ３１ ３３ ３５３７３９４１ ４３４５４７ 施工阶段 图２２ ＬＫ６６＋０００模拟拱顶沉降曲线 ０ ２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ １６ １８ ２０ ２２ ２４ 掌子面距离／ｍ 图２３ ＬＫ６６＋Ｏ００实测拱顶沉降曲线 （２）支护受力分析 从图ｌ８～图２０两种工况的比较可以看出：喷层最大拉应力出现在开挖线附近．，值为０．６ＭＰａ，小于Ｃ２５喷 层混凝土抗拉设计强度；最大压应力也出现在开挖线附近，值为５ＯＭＰａ，ｆＪ，于Ｃ２５喷层混凝土抗压设计强 度；开挖线附近锚杆轴力最大，｛￣１２２．２ｋＮ，大部分锚杆受拉且量值较小设计支护参数能够满足维护围岩 。稳定性的要求。 １．４．３Ｖ类深埋段的计算结果分析 （１）围岩位移及应力分析 根据数值计算结果，围岩最大下沉值出现在拱顶，值为７６ｒａｍ；最大隆起出现在底部，值为８．３ｍｍ；最 大水平位移７．９ｍｍ位于下台阶边墙，指向洞内；最大拉应力０Ｏ１ＭＰａ，出现在底中；最大压应力出现在洞外， ．．离下台阶边墙２．Ｏｍ～４．０ｍ范围内，值为１．６ＭＰａ，满足围岩抗压强度要求；下台阶边墙出现塑性区，向围岩内 部扩展１・Ｏｍ～３．Ｏｍ。开挖面离ＲＫ６４＋９８５约１．５～２倍洞径后，围岩基本稳定下来，具体见表８和表９。 １４５ ＿叠 置 ｊ 工 磐Ｉ Ｉ。 ￣Ｋ６４＋９８５模拟拱顶位移释放率 表８ ｌ掌子面距离（ｍ） ｌ ３ ｌ １６．５ ２２．５ ３０ ｌ位移释放率 Ｉ ６０．０％ ｌ ８１．６％ ８７．３％ ９１．３％ Ｐ．Ｋ６４＋９８５实测拱顶位移释放率 表９ 掌子面距离（ｍ） ３ １６ ５ ２２ ５ ３０ 位移释放率 ２４ ７％ ８７．５％ ９６．７％ ９９．７％ （２）支护受力分析 喷层最大拉应力出现在开挖线附近，值为５．６ＭＰａ，大于Ｃ２５喷层混凝土抗拉设计强度，但大部分喷层拉 应力小于喷层抗拉设计值；最大压应力也出现在开挖线附近，值为９．７ＭＰａ，小于Ｃ２５喷层混凝土抗压设计强 度；开挖线附近的锚杆轴力最大，值为２５６．８ｋＮ，大部分锚杆受拉且量值较小。设计支护参数能够满足维护围 岩稳定性的要求 ２结论 模拟计算张石二期隧道群各类围岩深埋段施工过程并分析计算结果，得出以下结论： （１）Ｖ类围岩受空间效应影响最大，Ⅳ类居中，Ⅲ类最小，受开挖影响的距离ｌ～２倍洞径。 （２）台阶法开挖时，拱顶位移释放在上台阶的施工工程中基本完成。各类深埋段围岩的拱顶沉降均小于 规范值。 （３）Ⅳ、Ｖ类围岩下台阶边墙出现塑性区，向围岩内部扩展程度不大，但需加强。 （４）现有支护体系能够保证围岩的稳定，且大部分受力小于设计值。Ⅲ类围岩的锚杆间距可适当加大。 （５）开挖线附近位移和应力较大，施工中注意避免钢拱架悬空过长。 通过以上分析总结，对不同级别的围岩稳定形态得出了一些规律性的结论，并对现有支护体系做出了基本 评价。基于此，结合现场实际施工情况，可以快速进行隧道施工期的围岩稳定性判断和支护参数设计变更，从 而为公路隧道安全施工提供了一种新途径。 参考文献 ［１］于学馥，郑颖人，刘怀恒等地下工程围岩稳定分析【Ｍ］．北京：煤炭上业出版社，１９８０ 【２】林银坛，郑颖人．弹塑性有限厚条法及工程应用【ＭＪ．工程力学，１９９７，１４（２）：１０８－－１１２ 朱素平，周楚良．地下圆形隧道围岩稳定性的粘弹性力学分析［Ｔ］．同济大学学报，１９９４ ２２（５）：３２９￣３；３；３ 【４Ｊ Ｔ．Ｋａｗａｍｏｔｏ，Ｙ．Ｉｃｈｉｋａｗａ，Ｔ．Ｋｙｏｙａ．Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｏｕｓ＆ｏｃｋ Ｍａｓｓ ａｎｄ Ｄａｍａｇｅ Ｍｅ－ ｃｈａｎｉｃｓ Ｔｈｅｏｒｙ［Ｊ】．Ｉｎｔ．Ｊ．Ｎｕｍ．Ａｎａｌｙ．ｇｅｏ，１９８８，１２（０４）：；５２１～５２７ 【５］孙钧，汪炳铜．地ｌ下结构有限元法解析［Ｍ］．上海：同济大学出版社，１９８８ ［６】李术才，李树忱，朱维申等．三峡右岸地下电站厂房围岩稳定性断裂损伤分析［ＪＪ．岩土力学，２０００，２１（３）：１９５～１９７ １４６