ADNIA在浅埋隧道施工控制数值模拟中应用研究

1、郭永军（.中交第一航务工程局有限公司）摘 要：隧道施工通过浅埋、软弱破碎围岩时会引起围岩应力位移场发生变化，本文采用ADINA软件以“生”、“死”单元模拟隧道开挖支护过程进行了三维有限元模拟，对围岩和支护结构应力位移场进行分析，得到浅埋暗挖隧道施工时地表沉降、拱顶下沉、洞内水平收敛随时间变化的规律。并且模拟不同开挖方式对地表沉降、拱顶下沉、洞内水平收敛的影响，对工程实践有着重要的指导意义。关键词：隧道；浅埋暗挖，有限元模拟，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 引言随着大量城市隧道施工进行，我国对隧道施工引起的地表沉降问题也进行了研究。大多是根据隧道开挖后地表沉降槽的形状，认为可以采用一定的曲线形式表示，在根据地表沉降实测结果或已有的资料，确定曲线的具体特征参数。由于经验公式法原理简单，易操作，是发展比较成熟也较多采用的预测地层沉降的方法1。而计算机的出现为数值分析提供了强有力的工具。借助于计算机，可以较全面的考虑影响围岩移动及地表沉降的主要因素，较为准确地预计隧道施工引起的围岩移动及地表沉降，并提出有效的控制地面沉降

5、的方法。常用的预计围岩位移与地表沉降的数值分析方法主要是有限单元法。本文结合十堰某隧道浅埋暗挖段施工应用有限元大型分析软件ADINA对引起的围岩应力位移变化和地表沉降进行模拟分析研究。探讨浅埋暗挖隧道施工时地表沉降、拱顶下沉、洞内水平收敛随时间变化的规律，以及在不同开挖方式对地表沉降、拱顶下沉、洞内水平收敛的影响，为指导工程实践提供重要的依据。2 隧道开挖模拟基本方法由于城市铁路隧道一般接近地表，岩土体结构相对松散，构造应力常常可以忽略不计，初始应力场可以假定为重力场。当用有限单元法模拟在自重作用下隧道的开挖效果时，一般采用反转应力释放法和空单元法进行计算。隧道开挖前围岩处于初始应力状态，以及

6、与之相适应的初始位移场，沿开挖边界上的各点也都处于一定的原始应力状态。隧道开挖后，因其周边上的径向应力和剪切力都为零，开挖使这些边界的应力卸荷，从而引起围岩变形和应力场的变化。对上述过程的模拟通常采用的方法是邓肯(J.M.Duncan)等人提出的“反转应力释放法”。即把这种沿开挖作用面上的初始地应力反向后转换成等价的“释放载荷”。空单元法的开挖效果是通过被挖掉单元的“空单元化”，即在保证求解方程不出现病态的情况下把要挖掉单元的刚度矩阵乘以一个很小的比例因子，使其刚度矩阵变得很小可忽略不计，同时使其质量、载荷等效果的值也设为零来实现的.在重力场作用下，运用空单元法模拟开挖过程时，所求的应力场为该

7、步开挖后围岩的实际应力场，所求得的位移场需减去初始应力场才为该步开挖后围岩的实际位移场。混合法是反转应力释放法和空单元法紧密结合的一种方法。避免了反转应力释放法的局限性以及空单元法的不便性。3 隧道断面三维建模分析3.1数值模拟计算理论及假设数值模拟计算按照新奥法理论，把衬砌与地层做为共同受力变形的整体。隧道中的支护措施如小导管注浆、格栅钢架等的力学模拟按等效作用进行考虑。计算方法采用弹塑性有限元方法，屈服准则采用Mobr-Coloumb准则。计算假设：(1) 由于是浅埋隧道，上覆碎石土层较薄，仅为1m厚；片岩全风化层厚5.67，为主要覆盖岩层，所以模型取片岩全风化层为隧道覆盖层，不在分层考虑

8、。(2) 初期支护承受全部荷载，二次衬砌作为安全储备，模拟时不予考虑。(3) 初期支护看成是小导管预注浆短管棚支护围岩与喷射混凝土共同作用的结果， (4) 由于隧道埋深较浅，在隧道施工深度范围内没有发现地下水，所以在建模时不考虑地下水对模型的影响(5) 在施加岩土的初始应力场时，只考虑重力应力场，不计构造应力场。3.2 计算荷载及模型参数在隧道开挖前，岩土中已经存在初始应力场，不计初始应力场中的构造应力，按岩土的重力应力场进行计算。在ADINA软件中，首先对三维模型施加重力荷载，计算出隧道未开挖时的初始应力，即自重应力场；其次将计算得到的初始应力施加到模型的各结点上，作为初始应力场。本文所用模

9、拟参数是根据勘察设计单位提供的资料和铁路隧道设计规范(TB-10003-2005)进行模拟。覆盖层为碎石土及片岩全风化层，属软弱破碎围岩。3.3模拟单元和单元生死的确定本模型采用三个单元组，单元组一模拟隧道围岩，单元组二模拟隧道支护结构(混凝土衬砌)，单元组三模拟隧道开挖掉的岩体。这三个单元组均采用三维实体单元(3D)来模拟。开挖支护模拟采用ADINA中的单元生死来实现。岩土开挖采用单元组三“死”来模拟，喷射混凝土支护采用单元组二“生”来模拟。根据不同的开挖方式，控制隧道断面轮廓线以内的单元生死时间，达到隧道开挖支护模拟的目的。单元死掉是刚度消失的过程，本模型中，设置单元刚度的Decay Ti

10、me为20，每部单元开挖时间设置为10，则此单元最终对围岩失去支撑力的时间为10+20=30。而相应的支护生成时间为开挖单元死掉之后的10时刻(刚度消失50%的时刻)，因此大体上，围岩和初期支护各获得50%的卸荷力。3.3 隧道计算范围及边界条件模型计算范围向上取到覆盖层厚的地表，隧道向下深度取一倍隧道高度。模型左右边界分别取四倍隧道洞径。模型长度取一个开挖循环。所以模型尺寸为：高，宽40m，长。隧道断面尺寸根据铁路隧道设计规范(TB-10003-99)中的单线电气化铁路隧道建筑限界取值：隧道高度，宽度。三维模型划分9936个单元，11767个节点。模型边界条件：模型顶面，即地表为自由面；模型

11、左右两侧为横向约束；模型底面为竖向约束。坐标系原点位于隧道中轴线20号点上，Y轴以向右为正，Z轴以向上为正，X轴为隧道开挖方向。建立的三维模型、隧道断面形状及边界条件如图1所示。图1 隧道开挖前Y-Z平面模型图Plane ofTunnel excavation of the former Y-Z model 4计算结果及分析4.1计算工况将建立的计算模型进行实际隧道台阶分部开挖模拟分析，计算步骤如下：(1) 进行第一步计算，得出隧道所在区域的初始地应力。将初始地应力场施加到计算模型上。(2) 模拟台阶分部开挖法各个施工工况。边开挖边进行喷射混凝土支护。4.2隧道围岩和初期支护应力场分布结果通过

12、计算得到隧道开挖前后围岩和初期支护应力结果如图2所示。图2 隧道开挖后初期支护第一、二、三主应力的分布特征云图 Fig.2 Distributioncloud oftunnel excavation of the early support after the first, second and third principal stress4.3隧道开挖后周边围岩和初期支护位移场分布结果计算得到隧道开挖后围岩和初期支护位移结果如图3和图4所示。图3 隧道开挖后周边围岩水平位移分布特征云图Distributioncloud oftunnel excavation after the rock s

13、urrounding the level of displacement distribution of cloud图4 隧道开挖后周边围岩垂直位移分布特征云图Distributioncloud oftunnel excavation after the rock surrounding the vertical distribution 4.4围岩应力位移场和地表沉降计算结果分析通过计算分析得到的隧道周边特征点位移、地表沉降、最大单元应力值见表1 。表1 三维有限元计算结果3-D finite element analysis results隧道周边围岩位移相对最大值(mm)地表沉降最大(m

14、m)单元最大压应(MPa)拱顶下沉侧壁水平位移仰拱隆起通过上述模拟，可得到浅埋暗挖隧道开挖后围岩应力位移场和地表沉降的几点规律：(1)隧道周边围岩位移最大值和地表沉降最大值均在允许范围内；(2)隧道开挖前在自重应力下的作用下，围岩三个主应力成层分布的规律和实际情况相符。隧道开挖后，造成二次应力重分布，使隧道周边围岩应力集中，隧道侧壁、侧壁与底板的转角部位成为高应力的集中区，影响范围在一倍洞径范围内。开挖后的最大压应力发生在侧壁与底板的转角部位，数值为10.7 MPa；(3)在隧道拱顶周边的部分围岩出现了拉应力。拉应力影响范围在隧道一倍洞径范围内，最大值为8.1 MPa。所以从本模拟中可以看出在

15、软弱破碎类围岩中，超前预支护对于加固围岩、维持掌子面稳定、防止出现拉应力而造成拱顶围岩脱落的重要性；(4)隧道开挖后围岩向隧道内压，造成隧道拱顶、侧壁、底板附近均发生较大位移，两侧围岩水平位移的影响范围在两倍洞径范围内，地表沉降的影响范围分布到整个模型边界；(5) 地表沉降最大值为8.8mm。计算值与实际监测值对比比较DZK115+394断面模拟计算值与该断面各项监测值，如表2所示。表2 计算值与实际监测值对比Tab.2 Calculated and compared the actual value of monitoring拱顶下沉相对最大值(mm)侧壁收敛相对最大值(mm)地表沉降最大值

16、(mm)实际监测值模拟计算值从表2可以看出，模拟计算的拱顶相对下沉值和地表沉降值与实际监测值较为接近，计算值略大于实际值。 在侧壁水平相对收敛这一项上，模拟计算值与实际监测值有一定差距，计算值略大于实际值。出现这种现象的原因是：由于在实际隧道初期支护完成后，及时的在上部和下部台阶的初期支护的底脚加设100钢管支撑，钢管两端焊16mm厚钢板作托和底脚，加大支撑面积，水平支撑了隧道侧壁，使初期支护尽早分部成环，控制了侧壁水平收敛。而本模型在建模时出于计算实现方面的原因，并没有考虑在隧道内加水平支撑，这样就造成了模拟计算值大于实际监测值。从两者的数值对比中可以看出，在此隧道加水平支撑的必要性。不同开

17、挖方式的隧道施工模拟随着洞室的跨度不同，围岩类别和岩石性质的变化，开挖方式有多种多样。反过来说，不同的围岩类别和岩石性质，应选用不同的开挖方式。如果二者不匹配，开挖方式选择不当，不仅延误工期，可能导致不可估量的后果。本文在DZK115+394断面建立三维模型，分别采用台阶分部开挖法和上下台阶法进行开挖模拟分析。台阶分部开挖法时选取前8天数据与模型拱顶中轴线上的196号节点下沉计算值进行比较。模型分35步进行计算，步长为10，总时间为350。计算得到拱顶下沉监控点计算值与实际值对比曲线图如图5所示。图5 拱顶下沉监控点计算值与实际值对比曲线图Fig.5 Contrast curve of sub

18、sidence monitoring the vault is calculated value and the actual value 从图5可以看出，拱顶下沉计算值与实际值折线走势基本相同。从模拟分析和实际监测结果都说明了在施工的前5天进行的上台阶拱顶和左右侧壁施工阶段对围岩扰动较大，造成较大的拱顶下沉，所以需要提前对围岩进行超前预支护。上下台阶法开挖选取隧道模型拱顶中轴线上的196号节点及左右两侧相邻的192和2336号节点研究拱顶下沉规律。三个节点随工况步数下沉折线如图6所示。图6 拱顶计算点随工况步数下沉折线图Fig.6 The calculation of the vault, the status of step with the broken line sink plans从中可以得出上下台阶开挖法引起隧道拱顶下沉的发展规律：由于没有采用分部开挖，而是