黎家灣隧道破碎段 圍巖開挖隧道穩定性分析

宋青波

中鐵十六局集團第四工程有限公司

黎家灣隧道破碎段 圍巖開挖隧道穩定性分析

宋青波

中鐵十六局集團第四工程有限公司

以黎家灣隧道穿越圍巖破碎段為研究背景，建立了有限元數值模型，采用數值分析方法研究了隧道開挖過程中的位移和初期支護的內力，計算結果表明開挖過程中隧道變形和支護內力滿足設計要求，說明現場隧道開挖和支護方案可行，為類似工程施工設計提供參考。

隧道;破碎帶圍巖;數值模擬;穩定性分析

1 引言

破碎圍巖支護技術在我國破碎圍巖綜合支護技術一般遵循的原則是：長期監控、綜合治理、因地制宜、聯合支護[1]。針對破碎圍巖的開挖，是以新奧法為基礎的復合式支護原理，對初期的支護適當地加大力度，在開挖過程中采用合理的施工工藝和施工方案，盡可能的減小對圍巖的擾動影響，使圍巖的自承作用得以充分發揮，本文以黎家灣隧道為研究對象，通過數值模擬研究破碎段圍巖開挖過程圍巖變形，以期分析支護效果和開挖可行性。

2 工程概況

黎家灣隧道所在地為侵蝕地貌低山丘陵區，地形起伏較小，地面標高386～430 m，相對高差20～45 m，山頂呈馬鞍形。山坡坡腳和中上部基巖裸露，剝蝕與侵蝕地貌特征明顯。隧址范圍上覆薄層坡洪積粉質粘土、破殘積粉質粘土、坡崩積粉質粘土夾塊石，下伏上沙廟組砂巖夾泥巖。地下水主要為基巖裂隙水，地下水量較少，最大涌水量1008 m3/d，對混凝土結構無侵蝕性。

3 數值模擬

本文以巴達鐵路黎家灣隧道通過圍巖破碎段開挖支護過程為研究對象，通過大型有限元軟件進行計算，分析開挖支護過程中圍巖變形及支護內力，確定開挖和支護方案的可行性。根據施工資料，支護錨桿直徑為22 mm，噴射混凝土厚度為24 cm，隧道采用臺階式開挖，分兩部開挖。詳細的計算參數見表1。

表1 計算模型的材料參數

3.1 有限元模型建立

隧道在整體計算時，化分為5個分析步。第一步為上部圍巖開挖，第二步為上部土體錨桿支護，第三部為噴射混凝土硬化，下部圍巖使用相同的方法。隧道網格大小為0.2 m；土層網格大小為2 m；模型計算共分為4 251個單元，單元類型采用四邊形單元，輸入各土層參數，采用二維平面自動劃分網格，并施加自重荷載，與地面邊界支撐等條件，完成模型的構建。

3.2 結果分析

3.2.1水平位移分析

采用數值模擬對隧道上下臺階開挖進行計算，計算中考慮了開挖和支護過程，得出各個步驟的水平水平位移圖如圖2所示。

從上圖可以看出，隧道開挖時水平位移沿隧道中心線幾乎對稱分布，最大水平位移出現在左側拱腳，最大位移為22.9 mm。在隧道開挖過程中，隧道上部土體開挖時，水平位移發生較大，但施加上部錨桿后，能夠有效減小水平位移，但隨著下部土體的開挖，水平位移仍會增大，直至完成混凝土的硬化，位移場最終穩定。因此，可以得出初期支護可以有效的阻礙圍巖變形，較大程度的緩解應力集中現象，防治隧道坍塌。

3.2.2拱頂沉降分析

采用數值模擬對隧道上下臺階開挖進行計算，計算過程中考慮了開挖和支護過程。

隨著隧道上部土體的開挖，隧道拱頂沉降增大，但隨著錨桿支護的施加，拱頂沉降值增量減少；當臺階法下部土體開挖時，拱頂沉降再次開始加大，但隨著后期的支護和襯砌的施工，沉降值最終得到控制。因此，該支護方案比較合理，能夠滿足設計要求。

3.2.3支護結構內力計算

拱頂部位主要承受拉應力，而墻腰到墻角部位主要承受壓應力。這充分說明錨桿對圍巖的整體加固作用很好，錨桿使圍巖形成了拱形承載結構，有效地發揮了巖體抗壓強度高的特點。

通過對隧洞的數值模擬可以很好的預測當前施工條件下隧道的穩定性，為設計院提供參考依據，為下一步施工做準備。

4 結論

本章根據黎家灣隧道的具體工程尺寸，通過大型有限元軟件構建數值模型，詳細分析隧道開挖的位移場和應力場，并對計算結果進行分析，結果表明，錨桿能夠起到很好的支護效果，表明該施工方案可行，支護設計比較合理。

[1]William.Soil tunnel test section case history summary[J].Jour?nal of GeotechniqueEngineering,1985,11(11).