不良地質條件下的隧道施工模擬與比較

李向旺　李之達　邵　玉

(1.西藏山南地區交通運輸局　山南　856000;　2.武漢理工大學交通學院　武漢　430063)

不良地質條件下的隧道施工模擬與比較

李向旺1,2李之達2邵玉2

(1.西藏山南地區交通運輸局山南856000;2.武漢理工大學交通學院武漢430063)

摘要結合某隧道設計與施工，采用數值方法，對不同圍巖的隧道、不同施工方式進行數值模擬，得到隧道施工中各處的位移和應力。為隧道設計與施工提供參考。

關鍵詞隧道施工數值模擬

目前我國公路隧道的研究內容和方向圍繞長大隧道[1-3]、特殊地質條件[4-5]、優化施工方法[6-7]等方面進行開展，并且取得了豐碩的成果，尤其是對隧道施工進行模擬和監測。對施工過程進行數值分析及模擬計算，可以對隧道圍巖穩定性做出合理的評價和符合實際的預測，使得現場量測結果能更加有效地應用于隧道工程的施工決策[8]。本文結合某隧道設計與施工，利用“反轉應力釋放法”，把沿開挖邊界上的初始地應力反向后轉換成等價的“釋放荷載”，對隧道施工進行開挖模擬，得到隧道施工中各處的位移和應力。

1　計算模型

1.1工程背景

本文所討論的隧道為分離式雙洞隧道。隧道進出口覆蓋層較厚，為粘土夾碎石，中部為微風化凝灰巖。隧道III級圍巖占51.5%，IV級圍巖占14.5%，V級圍巖占34%。相對而言，地質條件比較惡劣。

1.2參數的選取

參照《公路隧道設計規范》[9]，選取圍巖與襯砌物性參數見表1。

表1　圍巖與襯砌物性參數

通常將圍巖視為彈塑性材料，并采用如下Drucker-Prager屈服準則。

(1)

式中：I1為應力張量的第一不變量；J2為應力偏張量的第二不變量。

(2)

1.3開挖模擬

采用生死單元模擬隧道開挖。有限元計算模型見圖1。

圖1　有限元計算模型

計算工況：①III級圍巖全斷面開挖;②IV級圍巖全斷面開挖;③IV級圍巖上下臺階開挖;④V級圍巖上下臺階開挖;⑤V級圍巖環形臺階開挖。

2　計算結果與分析

2.1III級圍巖全斷面開挖

隧道開挖對圍巖產生不同程度的擾動和破壞，從而引起位移場與應力的變化。以豎向位移和第三主應力為例，見圖2和3。

圖2 全斷面開挖后圖3 全斷面開挖后第

Y向位移云圖 三主應力云圖

由圖2和圖3可見，隧道開挖后，圍巖拱頂下沉0.5mm，應力為0.52MPa；仰拱向上0.5mm，應力0.68MPa，兩側邊墻的水平位移不到0.4mm，拱腰和拱腳處的應力分別為2.15MPa和3.38MPa。顯然，III級圍巖全斷面開挖設計滿足規范要求。

2.2IV級圍巖全斷面開挖

位移場和應力云圖與III級圍巖全斷面開挖的圖2和圖3類似。拱頂下沉1mm，仰拱向上1mm，兩側邊墻的水平位移不到1mm。拱頂處應力為0.44MPa，拱腰處和拱腳處的應力分別為1.76MPa和3.02MPa，仰拱底部的應力值較小，只有0.43MPa。

2.3IV級圍巖上下臺階開挖

上下臺階法是指首先開挖上部分并進行支護，然后再開挖下部分，再進行支護的一種施工方法。見圖4和5。

圖4 上臺階開挖Y圖5 下臺階開挖Y

向位移云圖 向位移云圖

由圖4和圖5可見，上臺階開挖后，拱頂下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，兩側邊墻的水平位移不到0.5mm；圖5表明下臺階后，位移改變不大。比全斷面開挖的位移小。

同時，上臺階開挖后，拱頂處應力為0.33MPa，拱腰處和拱腳處的應力為1.62MPa和2.39MPa，仰拱處應力0.43MPa；而下臺階開挖后，拱頂處應力為0.5MPa，拱腰處和拱腳處應力分別為1.78MPa和2.68MPa，仰拱底部的應力只有0.13MPa。顯然，IV級圍巖上下臺階開挖的位移與應力較全斷面開挖的小。

2.4V級圍巖上下臺階開挖

位移場云圖與IV級圍巖上下臺階開挖的圖4和圖5類似。下臺階開挖后，拱頂下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，兩側邊墻的水平位移不到0.5mm。同時，上臺階開挖后，拱頂處應力為0.43MPa，拱腰處和拱腳處的應力為1.96MPa和3.11MPa，仰拱處應力0.43MPa；而下臺階開挖后，拱頂處應力為0.5MPa，拱腰處和拱腳處應力分別為2.01MPa和3.31MPa，仰拱底部的應力只有0.31MPa。

2.5V級圍巖環形臺階開挖

環形臺階開挖，是指首先開挖上部環形部分(留上部核心土)并進行支護，然后再移去核心土并開挖下部分，再進行支護的一種施工方法。見圖6和7。

圖6 上臺階環形開挖圖7 下臺階環形開

Y向位移 挖Y向位移

由圖6和圖7可見，下臺階開挖后，拱頂下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，兩側邊墻的水平位移不到0.5mm。同時，上臺階開挖后，拱頂應力為0.21MPa，拱腰處和拱腳處的應力分別為1.58MPa和2.19MPa，仰拱底部的應力0.52MPa。下臺階開挖后，拱頂處應力為0.49MPa，拱腰處和拱腳處的應力分別為1.61MPa和2.34MPa，仰拱底部的應力為0.24MPa。顯然，V級圍巖環形臺階開挖的位移與應力較上下臺階開挖的小。

3　結論

本文結合某隧道設計與施工，采用數值方法，對隧道施工進行模擬，得到隧道施工中各處的位移和應力。結果表明：

III級圍巖采用全斷面開挖方式施工，其最大位移不超過0.5mm，滿足設計規范要求。

收稿日期：2015-06-17

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.027