趙寧遠(yuǎn)+魏江波

摘 要：采用數(shù)值計算對高速公路隧道施工過程進(jìn)行分析，得到了施工過程中圍巖的變形和支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。結(jié)果表明，隨著開挖的推進(jìn)，中隔墻上部以及洞側(cè)壁處圍壓變形和應(yīng)力較為集中，易產(chǎn)生相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害。所以，在相關(guān)工程施工過程中應(yīng)該對以上部位進(jìn)行高質(zhì)量的支護防災(zāi)。對于底部在中墻位置隆起較為嚴(yán)重，所以應(yīng)該加強此處的加固措施，條件允許是可開挖較深施做淺基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：隧道；圍巖；數(shù)值計算

中圖分類號：U412.36+6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）35-0009-03

1 概述

近年來，隨著經(jīng)濟建設(shè)及基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，我國對于高速公路的需求越為強烈。為更好的選線施工，減少施工期間地質(zhì)災(zāi)害的威脅，方便施工以及滿足交通需求，必須開山造路或者鑿洞通路，這也就面臨隧道開挖相關(guān)復(fù)雜地質(zhì)問題。目前，山嶺隧道越來越多，比如川蘭鐵路的山嶺隧道占到了線路總長的一半，而山嶺隧道所遇到的圍巖復(fù)雜多變，構(gòu)造運動影響強烈，隧道斷面的跨度也越來越大，所以不同的斷面形式在一定方面適應(yīng)復(fù)雜地區(qū)隧道的開挖。隨著開挖期間的多期次開挖擾動使得巖體強度明顯減弱，巖體破碎嚴(yán)重，其自身穩(wěn)定性明顯降低，同時也造成后期施工難度加大，軟弱夾層地帶更為明顯，易產(chǎn)生類型及機制較為復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害。本文在基于FLAC數(shù)值軟件的計算下，主要對Ⅵ級圍巖下的大跨度隧道在不同的開挖方式下其對應(yīng)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析研究。

2 計算方案

2.1 計算模型

某隧道長約270m，圍巖為Ⅴ、Ⅵ級，開挖跨徑最大為37.0m，埋深最大為75m。研究區(qū)地貌主要為侵蝕山地和剝蝕山地，地層巖性主要為人工填土、碎石、粉砂泥質(zhì)巖和泥巖組成，隧道入口所出露巖性為殘破積亞粘土夾碎石。整個隧道橫穿山嶺地帶，且隧道入口比較陡峭，坡度角約為50°，隧道出口較入口比較緩，坡角約30°。

以隧道入口所出露巖性為研究對象，運用FLAC3D軟件建立三維地質(zhì)及結(jié)構(gòu)模型（見圖1）。

由于數(shù)值模型的建立必然會受到邊界效應(yīng)的影響，所以在所建模型之時，將模型埋深取為48.5m，隧道左右內(nèi)壁距模型邊緣均為50m，沿隧道垂直走向方向長度為120m，隧道內(nèi)壁頂部距底部邊界為40m，沿隧道走向方向長度為10m。模型邊界條件設(shè)置為位移邊界條件，模型底部約束x、y和z三個方向的的自由度，前后左右約束水平方向的自由度，頂部設(shè)置為自由邊界。在模型中，運用cable結(jié)構(gòu)單元來模擬支護工作中的錨桿，采用zone實體單元來模擬鋼拱架噴射砼和二襯結(jié)構(gòu)。當(dāng)幾何模型構(gòu)建好之后對不同組分進(jìn)行巖土體力學(xué)參數(shù)賦值，構(gòu)建物理模型。其主要巖土體參數(shù)如表1所示。

2.2 開挖方案

隧道開挖方案選擇CD法進(jìn)行施工，采用C30型號混凝土進(jìn)行中墻施工，施工工序見圖2，主要步驟分為開挖和支護共4步，即4個導(dǎo)洞。第一步開挖的導(dǎo)洞為左上角導(dǎo)洞，第二部為左下角導(dǎo)洞，第三步為右上角導(dǎo)洞，第四步為右下角導(dǎo)洞。而中隔壁開挖法是在隧道中，先開挖一側(cè)，之后進(jìn)行中隔壁施工，然后再進(jìn)行另一側(cè)的施工開挖，與CD法有所差別。CD法原理是：將整個隧道斷面以中心點進(jìn)行十字架式的劃分為左右上下4個小斷面，并對四個斷面分步單獨施工，進(jìn)而形成一個整體的大隧道。同時利用在開挖工程中圍巖的短期自身穩(wěn)定能力，采用型鋼進(jìn)行圍巖壁支護與初噴相結(jié)合形成初期支護結(jié)構(gòu)，確保掘進(jìn)安全。

3 計算結(jié)果分析

3.1 圍巖變形分析

3.1.1 全斷面開挖圍巖豎向位移分析

采用全斷面開挖隧道過程模擬結(jié)果見圖3、圖4所示。全斷面開挖并施做襯砌后，拱頂和拱底處的豎向位移最大，其值分別為-50mm，50mm。拱腰處位移較小，趨于0mm。水平位移在隧道周圍均較小，最大為4mm，最小為0mm。

3.1.2 CD開挖圍巖豎向位移結(jié)果

采用CD法開挖隧道過程模擬結(jié)果見圖5-圖8所示。左上導(dǎo)洞開挖并施做中隔壁后，最大位移在上導(dǎo)洞底部，向上拱起25mm，拱頂部位向下沉降-15mm；第二階段為左下導(dǎo)洞開挖，施做相應(yīng)的中隔壁和襯砌后，左下導(dǎo)洞洞底的位移達(dá)到30mm，拱頂部位為24mm，拱腰部位豎直位移均較小，第三階段為右上導(dǎo)洞開挖，最大豎直位移出現(xiàn)在左下導(dǎo)洞的洞底部位，達(dá)到了35mm，拱頂最大出現(xiàn)在中隔壁右側(cè)導(dǎo)洞，位移為-35；第四階段為右下導(dǎo)洞的開挖，拱頂與拱底的位移相對第三階段而言幾乎沒有變化，由于中隔壁和襯砌已成環(huán)形受力構(gòu)件，有效的減少了隧洞豎向位移的變化。

3.1.3 兩種開挖方式圍巖豎向位移結(jié)果比較

模型運算過程中對隧道周圍的關(guān)鍵點進(jìn)行了位移檢測，圖9中橫坐標(biāo)1為左導(dǎo)洞拱腰處節(jié)點，2為左導(dǎo)洞拱肩處節(jié)點，3為拱頂處節(jié)點，4為右導(dǎo)洞拱肩處節(jié)點，5為右導(dǎo)洞拱腰處節(jié)點，6為拱底處節(jié)點。從圖9可以看出，用CD 法進(jìn)行隧道開挖豎向位移整體小于全斷面開挖。

3.2 圍巖壓力計算分析

3.2.1 全斷面開挖圍巖應(yīng)力分析

隧道開挖過程中的圍巖壓力計算結(jié)果如下圖所示。隧道開挖后隧洞周圍巖壓力較小，巖體的圍巖壓力沿中墻中軸線對稱分布。左右導(dǎo)洞都開挖后，其圍巖壓力都不大，隧道開挖并施做完襯砌后，隧道圍巖最大主應(yīng)力為-0.2Mpa，最小主應(yīng)力幾乎趨于零。

3.2.2 CD法開挖圍巖應(yīng)力分析

隧道開挖圍巖應(yīng)力計算結(jié)果如下圖所示。中導(dǎo)洞施工完后，其圍巖壓力較小，接近于0。左右導(dǎo)洞都開挖后，圍巖壓力都不大，如圖12所示，巖體的圍巖壓力呈現(xiàn)軸對稱特征，最大為1.4MPa，主要分布于中軸線上部。左上洞開挖后，圍巖壓力最大為0.9MPa，分布于左導(dǎo)洞兩側(cè)拱肩處，如圖13所示；左下洞開挖后，圍巖壓力最大為1.2MPa，分布在左導(dǎo)洞兩側(cè)拱腰處，如圖14所示；右上洞開挖后，在中隔墻的上部有拉應(yīng)力出現(xiàn)，并逐漸擴大形成拉應(yīng)力區(qū)，且最大拉應(yīng)力為0.8MPa，最大圍巖壓力分布于右導(dǎo)洞拱腰處與中隔墻的底板位置處，且最大圍壓為0.8MPa，如圖15所示；右下洞開挖后，在中隔墻的頂部形成拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力為0.5MPa，二襯施作后，圍巖壓力變化趨于穩(wěn)定。

3.2.3 兩種開挖方式圍巖應(yīng)力結(jié)果比較

模型運算過程中對隧道周圍的關(guān)鍵點進(jìn)行了應(yīng)力檢測，如下圖中橫坐標(biāo)1為左導(dǎo)洞拱腰處節(jié)點，2為左導(dǎo)洞拱肩處節(jié)點，3為拱頂處節(jié)點，4為右導(dǎo)洞拱肩處節(jié)點，5為右導(dǎo)洞拱腰處節(jié)點，6為拱底處節(jié)點。從圖16、圖17可以看出，用CD 法進(jìn)行隧道開挖應(yīng)力整體小于全斷面開挖。

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