基于FLAC3D的高速公路隧道兩種開挖方式穩定性分析

趙寧遠+魏江波

摘 要：采用數值計算對高速公路隧道施工過程進行分析，得到了施工過程中圍巖的變形和支護結構的受力狀態。結果表明，隨著開挖的推進，中隔墻上部以及洞側壁處圍壓變形和應力較為集中，易產生相關地質災害。所以，在相關工程施工過程中應該對以上部位進行高質量的支護防災。對于底部在中墻位置隆起較為嚴重，所以應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。

關鍵詞：隧道；圍巖；數值計算

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

1 概述

近年來，隨著經濟建設及基礎設施的快速發展，我國對于高速公路的需求越為強烈。為更好的選線施工，減少施工期間地質災害的威脅，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復雜地質問題。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雜多變，構造運動影響強烈，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復雜地區隧道的開挖。隨著開挖期間的多期次開挖擾動使得巖體強度明顯減弱，巖體破碎嚴重，其自身穩定性明顯降低，同時也造成后期施工難度加大，軟弱夾層地帶更為明顯，易產生類型及機制較為復雜的地質災害。本文在基于FLAC數值軟件的計算下，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圍巖穩定性進行對比分析研究。

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軟件建立三維地質及結構模型（見圖1）。

由于數值模型的建立必然會受到邊界效應的影響，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，頂部設置為自由邊界。在模型中，運用cable結構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構。當幾何模型構建好之后對不同組分進行巖土體力學參數賦值，構建物理模型。其主要巖土體參數如表1所示。

2.2 開挖方案

隧道開挖方案選擇CD法進行施工，采用C30型號混凝土進行中墻施工，施工工序見圖2，主要步驟分為開挖和支護共4步，即4個導洞。第一步開挖的導洞為左上角導洞，第二部為左下角導洞，第三步為右上角導洞，第四步為右下角導洞。而中隔壁開挖法是在隧道中，先開挖一側，之后進行中隔壁施工，然后再進行另一側的施工開挖，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定能力，采用型鋼進行圍巖壁支護與初噴相結合形成初期支護結構，確保掘進安全。

3 計算結果分析

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果

采用CD法開挖隧道過程模擬結果見圖5-圖8所示。左上導洞開挖并施做中隔壁后，最大位移在上導洞底部，向上拱起25mm，拱頂部位向下沉降-15mm；第二階段為左下導洞開挖，施做相應的中隔壁和襯砌后，左下導洞洞底的位移達到30mm，拱頂部位為24mm，拱腰部位豎直位移均較小，第三階段為右上導洞開挖，最大豎直位移出現在左下導洞的洞底部位，達到了35mm，拱頂最大出現在中隔壁右側導洞，位移為-35；第四階段為右下導洞的開挖，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形受力構件，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果比較

模型運算過程中對隧道周圍的關鍵點進行了位移檢測，圖9中橫坐標1為左導洞拱腰處節點，2為左導洞拱肩處節點，3為拱頂處節點，4為右導洞拱肩處節點，5為右導洞拱腰處節點，6為拱底處節點。從圖9可以看出，用CD 法進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 全斷面開挖圍巖應力分析

隧道開挖過程中的圍巖壓力計算結果如下圖所示。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，隧道圍巖最大主應力為-0.2Mpa，最小主應力幾乎趨于零。

3.2.2 CD法開挖圍巖應力分析

隧道開挖圍巖應力計算結果如下圖所示。中導洞施工完后，其圍巖壓力較小，接近于0。左右導洞都開挖后，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，分布于左導洞兩側拱肩處，如圖13所示；左下洞開挖后，圍巖壓力最大為1.2MPa，分布在左導洞兩側拱腰處，如圖14所示；右上洞開挖后，在中隔墻的上部有拉應力出現，并逐漸擴大形成拉應力區，且最大拉應力為0.8MPa，最大圍巖壓力分布于右導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力區，最大拉應力為0.5MPa，二襯施作后，圍巖壓力變化趨于穩定。

3.2.3 兩種開挖方式圍巖應力結果比較

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

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