不同開挖方式下隧洞數值模擬分析

張 國 平

(鐘山職業技術學院土木與環境工程學院，江蘇 南京 210049)

不同開挖方式下隧洞數值模擬分析

張 國 平

(鐘山職業技術學院土木與環境工程學院，江蘇 南京 210049)

以Ⅱ類圍巖為例，通過建立隧洞的三維FLAC3D數值模擬模型，分別分析了隧洞施工過程中全斷面開挖和上下臺階開挖兩種開挖方式對隧洞圍巖的應力場、位移場及塑性區的影響，為解決隧洞開挖的設計和施工提供了重要的理論意義和工程實際價值。

開挖方式，隧洞，穩定性，模擬分析

0 引言

圍巖穩定性問題一直是巖土工程界研究的課題之一，在隧洞開挖過程中，不同的施工開挖方式會對隧洞圍巖穩定產生不同的影響，直接影響著工程的質量、進度及經濟等方面。選擇合理的施工開挖方式，可以更好的有利于圍巖穩定。目前，隧洞開挖方法主要有全斷面法、上下臺階法、分部開挖法、雙側壁導洞法、交叉中壁法等。每種開挖方法都有其最適合的地質條件，其中，全斷面法是按照設計要求一次成型的施工方法，此方法一般適用于巖質完整的硬巖石。上下臺階法主要適用于Ⅱ，Ⅲ類圍巖。不同的開挖方法其施工工藝、施工效果均不相同，在掌握隧洞圍巖力學特性的基礎上，應根據其地質條件選擇適合的施工開挖方法。

1 隧洞開挖方案的數值模擬

1)計算模型與參數。

筆者采用FLAC3D三維數值分析軟件[3]進行模擬，圖1表明了FLAC3D所包含的一般計算過程，此軟件采用顯式差分方法，可以求得任意的非線性應力—應變本構方程。數值模擬計算選用摩爾—庫侖模型，其是FLAC3D內置有多個力學模型中的其中一種，這種模型的破壞線對應于摩爾—庫侖屈服準則加上拉伸分離點，與拉應力流動法則相關聯而與剪切流動不相關聯。由于摩爾—庫侖屈服準則體現了巖土材料壓剪破壞的實質，所以得到了廣泛的應用。

某工程含四個隧洞，平均洞線長度約16.67 km，洞徑13 m，一般埋深1 500 m～2 000 m，筆者選取具有代表性的Ⅱ類圍巖建立FLAC3D數值計算模型，計算模型選擇在距離進水口+10 900 m處，三維數值模擬模型在隧洞軸向取300 m，垂直隧洞軸線方向取420 m，鉛直方向由隧洞軸線高程上取200 m、下取150 m，此范圍內隧洞巖石基本為三迭系中統白山組，模擬計算參數見表1。

表1 數值模擬計算參數

其中，Mohr-Coulomb彈塑性材料模型中的體積模量K和剪切模量G采用以下公式換算求得：

(1)

(2)

其中，E為彈性模量；μ為泊松比。

2)開挖方案。

為了盡可能考慮實際的施工情況，在隧洞的開挖模擬過程中采用全斷面開挖與上下臺階開挖兩種開挖方式。即①進行全斷面開挖模擬計算；②進行上下臺階開挖計算，首先開挖上半斷面，最后開挖下半隧洞。對這兩種開挖施工方法導致的應力場、位移場及塑性區進行分析比較，以此判斷隧洞在不同開挖方法下圍巖的穩定情況，為解決隧洞開挖的設計和施工提供重要的理論意義和工程實際價值。

2 模擬結果分析

1)應力場分析。

隧洞經過開挖使得圍巖發生卸荷回彈變形和應力重分布，應力場變為不均勻應力場。根據模擬計算結果，隧洞側壁出現應力集中現象，并不斷向圍巖內部轉移，在圍巖內部、洞周出現應力釋放現象，最終在圍巖內部形成高應力區。

從表2中可以看出，方案①開挖后的最大主應力為96.07MPa，比方案②增加了1.5MPa，兩種方案產生的最終應力場基本相同。但是，方案②使得圍巖應力場的變化影響較大。根據模擬過程看出，上臺階開挖后，上半洞周出現了一部分拉應力區域，此時最大主應力比方案①大，達到了97.37MPa；隨著下臺階開挖完畢，圍巖應力最終都為壓應力，拉應力現象消失，且壓應力主要發生在隧洞的左右側墻處，最后達94.43MPa。

2)位移場分析。

側墻位移、頂拱位移及底部位移是隧洞開挖過程中位移監測的主要內容，也是圍巖應力狀態變化的最直接反映。采用不同方式開挖時，監測位移見表2。根據表2的模擬計算結果可知，采用上下臺階開挖法時，其位移均大于全斷面開挖，尤其頂拱位移在兩種開挖方式相差較大。

兩種開挖方案的變形過程與全斷面開挖變形規律基本相同。由于全斷面開挖是一次性開挖完成，而對于第②種開挖方案，上下臺階開挖當上半部分隧洞開挖完成后，各監測位移場均出現了很大的變化，尤其圍巖的頂拱位移下沉已達位移總量的90%，側墻位移達75%，當下半部分隧洞開挖完成后，根據數值模擬結果可知，下臺階開挖所導致的頂拱位移較小于對側墻的影響。

表2 隧洞圍巖應力及位移模擬計算成果

3)塑性區分析。

圖2和圖3反映了隧洞在兩種開挖方法之下的塑性狀態，從中可以看出，兩種開挖方案的塑性區狀態基本相同，隧洞開挖后洞周均出現一定的塑性區，由于在模擬分析計算中并沒有施加支護，所以塑性區范圍都較大，達6.5m～8m。但相比較，方案②拉剪破壞的范圍比方案①小，尤其是在下半斷面的洞周并沒有出現拉剪破壞。所以，相比之下，上下臺階開挖在塑性區方面優于全斷面開挖。

3 結語

通過FLAC3D三維數值分析軟件對全斷面開挖和上下臺階開挖兩種開挖方式進行了模擬分析。根據模擬分析結果可知，采用上下臺階開挖產生的洞周各部分監測位移量較大，不過頂拱位移與側墻位移主要發生在上半隧洞開挖完成后。雖然方案②在上半隧洞開挖后，洞周出現了一部分拉應力區域，但兩種開挖方案產生的最終應力場、塑性區分布的范圍卻基本相同，圍巖整個區域處于受壓狀態，且壓應力主要發生在隧洞的左右側墻處，開挖完成后最大主應力值僅相差1.5MPa。很顯然，兩種開挖方法產生的應力場、位移場及塑性區的影響并沒有產生太大的差別。但采用上下臺階開挖法施工時，對圍巖的擾動較大，應力重分布的過程較復雜。

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Numerical simulation analysis about tunnels under different excavation modes

Zhang Guoping

(CollegeofCivil&EnvironmentEngineering,ZhongshanVocationalCollege,Nanjing210049,China)

Take the second class surrounding rock as the research object, through the FLAC3Dnumerical simulation, this paper analyzed the variation rules of stress, deformation and plastic range of the surrounding rock in the process of excavation, selected full-face and up-down excavation, to provide important theoretical significance and practical value about design and construction of tunnels.

excavation modes, tunnels, stability, simulation analysis

2014-12-12

張國平(1979- )，男，講師

1009-6825(2015)06-0178-02

U455

A