・７２・ 北 方 交 通 ２００８ 基于ＡＤＩＮＡ的隧道开挖变形分析 张向东刘严 １２３０００） （辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，阜新摘要：采用大型非线性有限元分析软件ＡＤＩＮＡ对隧道开挖变形进行数值模拟，建立二维有限元分析模型； 采用ＡＤＩＮＡ自带的单元生死功能动态模拟开挖支护过程，对比全断面开挖法与上下台阶法开挖两种施．Ｙ－方法，分 析两种方法对隧道围岩变形的影响，结论是两种方法产生的变形均向洞内收缩，拱顶ｚ向位移变化较为接近，两邦 Ｙ向位移是全断面法大于上下台阶法；此外，对锚杆的位移变化进行了分析，进一步说明两种施工方法对洞周围岩 变形的影响，此时锚杆均受拉，起悬吊作用。 关键词：隧道；开挖；变形；数值分析 中图分类号：Ｕ４５５．４１ ２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—６０５２（２００８）ｌ１—００７２—０３ １ 引 言 强优势，主要体现在岩土材料模式丰富；提供多种地 质断层、节理裂隙处理方法；具有锚杆、抗滑桩等杆 单元算法；多孔介质特性耦合各种非线性岩土模型 洞室开挖后，在岩土体中形成了自由变形空间， 原来处于挤压状态的围岩，由于解除了束缚力而发 生向洞内的松胀变形。当这种变形超过了围岩本身 所能承受的能力时，围岩便发生破坏，从而产生分 离、坍塌、滑动、隆起等。高速公路隧道开挖后，适应 不了卸荷回弹和应力重分布作用的低强度围岩将发 生塑性变形和破坏，这种变形和破坏通常从隧道洞 进行渗流、固结沉降、以及渗流／结构／温度场藕合分 析。 ３．１ 有限元模型的简化 从软件角度考虑，重力引起变形的存在，初始衬 的单元与围岩边界共节点，围岩的变形就导致支护 边界单元出现零应力变形而改变了衬砌的形状。如 果模型中施加了初始地应力场，则初始应力场和重 力平衡，可以彻底消除支护单元出现前的扰动变形； 从现实角度考虑，近似地模拟出岩体自然存在的自 重应力。本次模拟地应力场采用ＡＤＩＮＡ提供的Ｉｎ— ｉｔｉａｌ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｔｒｅｓｓ方式输入。 室岩体中应力集中程度高、结构面强度低的最薄弱 部位开始（特别是最大主地应力和洞室周边垂直部 位），逐步向岩体内部应力一强度关系中的次薄弱 部位发展。影响围岩稳定性的因素分两类，自然因 素：如岩性、岩体结构、地应力情况等；人为因素：如 开挖和支护的方法，顺序、爆破规则等等。本文利用 ＡＤＩＮＡ软件针对隧道的开挖与支护进行仿真模拟。 ２ 工程实例 本次模拟采用ＡＤＩＮＡ８．３版程序，土体采用 Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ材料模型；锚杆采用线弹性材料，用 Ｒｅｂａｒ单元模拟；混凝土采用Ｃｏｎｃｒｅｔｅ材料模拟，利 用单元生死（ＥｌｅｍｅｎｔＢｉｒｔｈ／Ｄｅａｔｈ）功能模拟隧道开 挖和一次支护的全过程。选取两种施工方案进行比 较：方案一，全断面开挖；方案二，上下台阶法开挖。 下面取Ｋ２７＋９２０的横断面做数值模拟分析。 ３．２ 有限元模型参数设置 ・ 工程实例为纱帽山隧道右线，里程为Ｋ２７＋ ９２０。围岩主要为太古界鞍山群峪沟组变粒岩、二云 石英片岩，岩体较完整，呈大块状、巨块状，节理局部 发育，有少量软弱结构面。围岩完整性、稳定性较 好，属Ⅲ类围岩。 此处为无仰拱隧道，埋深为５０ｍ，一次支护为锚 喷支护，采用长２．５ｍ的注浆锚杆，环距为ｌｍ；Ｃ２５ 钢纤维混凝土，ｌＯｃｍ；－＂次衬砌为３５ｃｍ的钢纤维混 凝土。 ３ ＡＤＩＮＡ数值模拟 二维模型尺寸为６０ｍ×７０ｍ，按平面应变问题 求解，模型底部边界采用固定ｚ方向位移，左、右边 界都采用固定Ｙ方向的位移约束条件。地表上方 不施加荷载。 ＡＤＩＮＡ在计算岩土变形和稳定性方面具有很 单元生死的定义：对于方案一的开挖，１０．１（为 第１１期 张向东等：基于ＡＤＩＮＡ的隧道开挖变形分析 ・７３・ 了避免舍入误差，设置的单元生死时间比想象的时 间稍微早一点）时刻隧洞全断面开挖，２０．１时刻锚 杆和混凝土支护生成，分三步完成，步长为１０；方案 二，１０．１上台阶开挖，２０．１上台阶支护生成，３０．１ 下台阶开挖，４０．１下台阶支护生成，分５步完成，步 长为１Ｏ。 表１围岩与支护参数 由于隧道采用光面爆破，所以围岩参数中的弹性摸量有折减。 ４数值模拟结果分析 ４．１ 两种方案网格变形图对比分析 图１隧道网格图 图２全断面法网格变形图 。图ｌ是隧道挖完支护生成之后的网格图，图２是 全断面法开挖３０时刻相对于１Ｏ时的网格变形图，图 ３是上下台阶法开挖５０时刻相对于１０时刻的网格变 形图，图２、３位移显示比例放大了１００倍。由此可看 出隧道变形的大概趋势，拱顶下沉，拱底隆起，两邦位 移向隧洞内侧。两种开挖方法的变形趋势相同，只是 上下台阶法两邦的变形略小于全断面法。 图３上下台阶法网格变形图 ｇ 筐嚣 ４．２ 两种方案ｚ向位移对比分析 ８ ６ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ ０ 表２ Ｚ向最大位移值 图４拱底回弹曲线 两种方案的拱顶下沉量和拱底隆起量非常接 近，拱底回弹曲线基本重合，由此分析不出两种方法 的优劣，故下面分析Ｙ向的变形情况。 ４．３ 两种方案Ｙ向位移对比分析 簋Ｉ一一、 ｘ＼ 毒 ＼＿ ． ． ． ＼ ２ ３ ４ ５ ５ ７ ９ １０ ｌ１ １２】 ． 、 节点号 图５ 洞周Ｙ向位移变形曲线 ７号节点是拱顶中心点，１～６号点在隧洞左边， ８～１３在隧洞右边。全断面开挖由于是一次性爆 破，所以曲线较为圆滑，上下台阶法的上下台阶分界 线是节点３和１１形成的直线，所以上下台阶法的Ｙ ・７４・ 北 方 交 通 ２００８ 向曲线在节点３和１ｌ处不圆滑。从图５可以看出， 锚杆ｚ向位移变化幅度略大于全断面法，但台阶法 上下台阶法产生的Ｙ向位移较全断面法小。 中心和紧靠中心的锚杆最终位移要小于全断面开挖 法。 ５ 结语 ４．４ 两种方案锚杆位移对比分析 表３ 两方案锚杆位移值 本文采用ＡＤＩＮＡ软件模拟两种施工方案引起 隧道开挖变形，通过分析得出结论： （１）两种施工方法引起的隧道变形趋势基本一 致，且两方案的拱顶最大沉降与拱底回弹量也较为 接近。 （２）采用全断面开挖时的隧道两邦水平位移要 大于采用上下台阶法时的水平位移，两者变形均向 洞内收缩。 （３）全断面开挖时锚杆的水平位移大于上下台 阶法，在拱顶中心处锚杆的ｚ向位移全断面大于上 下台阶法；两种开挖方法锚杆均受拉，可认为其发挥 了悬吊作用。 参考文献 ［１］公路隧道设计规范ＪＴＧ Ｄ７０—２００４． ［２］谢和平，陈忠辉．岩石力学［Ｍ］．北京：科学出版社．２００４． ［３］张鹏勇，徐林生，王新平．阳宗隧道试验段动态开挖过程的数值 模拟研究［Ｊ］．重庆交通学院学报，２００３，２２（４）． 锚杆环形布设，１～６号锚杆布置在隧道左侧； １４～ｌ９布置在右侧，此表数据均为隧道挖完、一次 支护生成的锚杆位移值，由位移的正负可以判断出 ［４］刘建鹏，李远．京承高速公路何家沟隧道围岩稳定性数值模拟分 析［Ｊ］．隧道建设，２００５，２５（６）：１１—１４． ［５］董方庭．巷道围岩松动圈支护理论及应用技术［Ｍ］．北京：煤炭 工业出版社．２００１． 锚杆均受拉，此时可认为锚杆发挥其悬吊作用。由 两种开挖方法下锚杆产生的位移大小，可以看出全 ［６］杨小永．高速公路隧道围岩稳定性研究［Ｄ］．长安大学，２００４，５． ［７］华薇．公路隧道开挖围岩稳定性数值模拟研究［Ｄ］．吉林大学， ２００７，４． 断面法开挖锚杆Ｙ向位移均大于上下台阶法开挖； １０号锚杆是拱顶中心锚杆，由７号和１３号到中问 的１Ｏ号锚杆位移变化的过程可以看出，上下台阶法 ［８］管海涛，邓荣贵，孙冬丽．隧道围岩与支护结构相互作用的数值 模拟分析［Ｊ］．岩土工程，２００７，２５（６）：５３—５４． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＩＮＡ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌｉｎｅａｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＤＩＮＡ．２Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ・—ｓｃａｌｅ ｎｏｎ－－ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｈｏｒｉｎｇ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ＡＤＩＮＡ ｂｕｉｌｔ—ｉｎ ｕｎｉｔ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｄｅａｔｈ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ．Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ—ｆｕｌｌ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｐｐｅｒ—ｌｏｗｅｒ ｌｅｖｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｒｅ ｃｏｎｔｒａｓｔｅｄ ｅａｃｈ ｔｏ ｏｔｈｅｒ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｂｏｔｈ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｇ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ．Ｃｏｍｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎ— ｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅ￣ｒｍａｆｉｏｎｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｂｏｔｈ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｃｏｎｔｒａｃｔｅｄ ａｌｌ ｔｏ ｂｏｒｅ ｉｎｓｉｄｅ。ｔｈｅ ｖａｕｌｔ ｚ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｃｌｏｓｅｒ，ｔｗｏ Ｙ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｔｈａｔ ｆｕｌｌ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈａｎ ｕｐｐｅｒ —ｌｏｗｅｒ ｌｅｖｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｓ ｙｅｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｂａｒ ｉｎ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ．ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｂｏｔｈ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｏｆ ｔｕｎｎｅ１Ｉｎ ａｂｏｖｅ—ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ ｔｈｅ ｂａｒ ｊｕｓｔ ｒｅｃｅｉｖｅｓ ｐｕｌｌｓ ａｎｄ ｐｌａｙｓ ａ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｒｏｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｔｕｎｎｅｌ；Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ；Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ
