軟弱隧道環形預留核心土開挖過程數值分析

馮家鑫 郇 瀾

1 工程概況

昆侖隧道位于大埔縣銀江鎮昆侖—大麻鎮岌頭村之間，本隧道為分離式長隧道，起止樁號左線ZK42+180～ZK44+975，長2 795 m;右線 K42+193～K44+998，長2 805 m。

隧道穿越昆侖山，為丘陵地貌，起伏較大。隧道進口位于山體西坡，坡度較緩，基本與等高線正交，山上植被為桉樹林，覆蓋層較厚，出口位于沖溝南側山嘴處，山間植被茂密，基本為松樹、農田和灌木。

隧址區內地層結構較為復雜，地質構造復雜，巖性變化很大，勘察揭露隧道址區內存在有較多的斷裂構造帶，隧址區地層上部為第四紀殘坡積層覆蓋，下伏基巖為侏羅系漳平組(J2zh)砂巖、泥質巖以及前泥盆系(AnD)變質砂巖、板巖。隧道埋深較淺。隧道開挖斷面高度為10.38 m，寬12.92 m。

2 有限元模型的建立

2.1 計算范圍

根據圣維南原理，開挖只在洞周一定范圍內引起應力重分布。實踐和理論分析表明，在均質彈性無限域中開挖的圓形隧道，由于荷載釋放而引起的洞室周圍介質的應力和位移的變化，在5倍洞徑范圍之外將小于1%，在3倍洞徑之外約小于5%。因此，依據工程的具體要求和有限元法的離散誤差以及計算誤差，一般選取的計算范圍沿洞徑各個方向均不小于3倍～5倍洞徑［1-3］。因此，隧道幾何模型的取值范圍左右兩側從隧道中心向外各延深50 m，上下部邊界均取為30 m。

2.2 計算參數的確定

根據工程勘察報告，并結合《公路隧道設計規范》［4］，選取的巖土體參數為:彈性模量E=200 MPa，泊松比μ=0.4，重度γ=20 kN/m3，凝聚力 c=55 kPa，內摩擦角 φ =29.5°。

初期支護結構的彈性模量 E=25 GPa，μ =0.20，γ =30 kN/m3。

2.3 施工工序模擬

進行有限元模擬時，將整個施工過程分為7步:

第1步:自重應力場計算;

第2步:開挖上臺階;

第3步:支護上臺階;

第4步:開挖核心土;

第5步:開挖下臺階;

第6步:支護下臺階;

第7步:開挖仰拱;

第8步:支護仰拱。

3 計算結果分析

3.1 圍巖應力場分析

隧道在沒有開挖前，圍巖在自重應力作用下處于初始應力狀態，開挖隧道后引起圍巖應力重新分布，使圍巖處于二次應力狀態和三次應力狀態。研究開挖過程中應力發展變化規律(見圖1)，為隧道圍巖和支護結構穩定性分析提供依據。

圖1 各工序開挖后第一主應力等值線圖

根據計算結果，對不同工序下圍巖拱頂、左右拱腳、左右邊墻及仰拱的中點六個關鍵點的應力分布情況進行提取，具體見表1。

表1 各關鍵點的第一、第三主應力MPa

從表1各關鍵點第一、第三主應力中可以看出，上臺階開挖后拱頂處于受拉狀態，左右拱腳出現應力集中。核心土開挖后，對各監測點處的第一、第三主應力影響很小。下臺階開挖后，左右邊墻腳出現應力集中。在仰拱支護施作后，拱頂巖體由受拉狀態轉為受壓狀態，左右拱腳和左右邊墻腳的受力得到了改善。因此在軟弱隧道環形預留核心土開挖過程中，要加強對拱頂、左右拱腳和左右邊墻腳的支護，防止受拉和應力集中的部位圍巖坍塌，并且應該及時施作仰拱，來改善圍巖的整體受力。

3.2 圍巖位移場分析

根據計算結果，對不同工序下圍巖拱頂、左右拱腰、左右邊墻及仰拱的中點六個關鍵點的x，y方向的位移進行提取，具體見表2。

從表2中可以看出，最大水平位移發生在左右邊墻中部。拱頂豎向位移在隧道開挖后發生了較大變化，上臺階開挖后拱頂處位移量達2.93 mm，下臺階開挖后位移量又有所增加，這是由于隨著開挖斷面的增大，圍巖體應力重新調整的結果，當仰拱施作后，拱頂位移有所減小，為2.87 mm，這表明施作仰拱對拱頂豎向位移有一定的限制作用。左右拱腰處的水平位移和豎向位移，在上臺階開挖后，達到總位移的70%以上，這說明要加強上臺階的支護。左右邊墻中部向上隆起，在施作仰拱后，明顯減小。拱頂和仰拱中點處的水平位移為0，這是因為在數值模擬時，取的模型是對稱模型。

表2 各關鍵點x，y方向位移值mm

4 結語

本文以昆侖隧道Ⅴ級圍巖段環形預留核心土開挖過程為研究對象，利用數值模擬的方法，得到各個施工工序的應力和位移的變化規律，得出了一些對施工有益的結論。

1)軟弱隧道在運用環形預留核心土開挖方法時，應加強對拱頂、左右拱腳和左右邊墻腳的支護，防止圍巖因受拉和應力集中引發坍塌，并且應該及時施作仰拱，來改善圍巖的整體受力。

2)核心土對圍巖水平方向和豎直方向的應力和位移的變化有影響，但是影響不大。

3)拱頂豎向位移值以及左右拱腰處的水平位移和豎向位移，在上臺階開挖后，達到總位移的70%以上，這表明加強上臺階的支護可以有效的控制位移的變形值。

［1］ 陽志元.大斷面淺埋暗挖隧道施工過程數值模擬［J］.山西建筑，2008，34(9):318-320.

［2］ 張小旺.淺埋隧道施工過程仿真分析［D］.鄭州:鄭州大學碩士學位論文，2003.

［3］ 王茂和，劉學增，何燕云.龍山淺埋大跨連拱隧道施工過程的數值模擬［J］.山西建筑，2007，33(23):307-308.

［4］ JTG D70-2004，公路隧道設計規范［S］.

［5］ 霍潤科，王艷波，宋戰平，等.黃土隧道初期支護性能分析［J］.巖土力學，2009，30(2):287-290.