基于環形開挖留核心土法的公路隧道圍巖應力分析*

劉玉飛 劉海明 郭偉

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

隨著中國公路隧道建設不斷擴張，對于環形開挖留核心土法開挖方式下隧道圍巖應力變化規律的理論也在不斷發展。陸文超等[1]通過算例給出了圍巖應力分布和沉降曲線；林樂彬等[2-5]通過計算機軟件研究了隧道圍巖應力變化規律；沈習文等[6]對隧道凈距、進口斜坡坡度、埋深對圍巖應力的影響進行了分析；許光磊[7]研究了軟弱圍巖隧道圍巖及支護結構力學狀態；黃強[8]分析了某小凈距隧道施工過程中圍巖應力的變化情況；曹凈等[9]對地面非對稱填載作用下既有明挖隧道圍巖的破壞模式與圍巖壓力計算進行了研究；劉敬亮等[10]對比分析了CRD法、雙側壁導坑法、環形開挖預留核心土法的優缺點。

本文在上述研究的基礎上分析公路隧道開挖的圍巖應力變化規律，根據模擬結果選取環形開挖留核心土法中對開挖圍巖穩定性影響相對較小且經濟性更好的開挖方式，對隧道工程施工具有借鑒和指導意義。

1 計算工況及參數的選取

環形開挖預留核心土法開挖進尺為0.6 m，臺階長度為8 m，開挖示意圖如圖1所示。因隧道左右線對稱分布并同步開挖，選取阿嘎下左線隧道進行應力監測。圖2為圍巖監測點示意圖。根據阿嘎下隧道的工程概況，模擬隧道K19+160～K19+300段，通過MIDAS GTS NX建立三維模型，模型圍巖等級為V級強風化糜棱巖，針對裂隙水發育及巖體破碎V級圍巖，采用環形開挖留核心土法對阿嘎下隧道進行模擬開挖。

圖1 環形開挖留核心土法開挖示意

圖2 圍巖監測點示意

模型計算區域：隧道平均埋深取35 m，地下水位線高度取95～105 m，為了消除邊界條件的影響，從隧道開挖區域向兩側各取略大于5倍的洞徑，向下取略大于5倍的洞高，向上至地表，模型尺寸橫向長240 m，豎向高116～126 m，縱向沿隧道軸線方向長140 m，環形開挖劃分為359 534個單元和242 059個節點，在提取模型數據時，為了消除隧道軸線方向邊界影響，提取模型軸向區間80～100 m段(即模型中心區間20 m)結果作為研究依據，計算模型如圖3所示，圍巖及隧道襯砌的相關物理力學參數見表1。建模3D，重力方向為z方向，重力加速度9.8 m/s2，水的容重選取9.8 kN/m3。邊界約束：為避免模型形成臨空面，導致模型無法分析計算，模型左右側x方向水平約束，前側與后側y方向水平約束，底部z方向豎直約束。

圖3 隧道模型網格

表1 阿嘎下隧道物理參數

2 隧道圍巖應力模擬結果分析

根據圖2監測點的布置，阿嘎下隧道采用環形開挖預留核心土法，隧道間距分別為1、2、3、4、5d(d為隧道凈寬)時，隧道不同注漿圈左線與右線同步開挖圍巖應力云圖及應力變化曲線見圖4—圖13，注漿圈分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5d(d為隧道凈寬)時，隧道不同開挖間距左線與右線同步開挖應力變化曲線見圖14—圖18。

圖4 核心土1 d間距0.3 d注漿圈應力圖

圖5 核心土1 d隧道間距應力圖

圖6 核心土2 d間距0.3 d注漿圈應力圖

圖7 核心土2 d隧道間距應力圖

圖8 核心土3 d間距0.3 d注漿圈應力圖

圖9 核心土3 d隧道間距應力圖

圖10 核心土4 d間距0.3 d注漿圈應力圖

圖11 核心土4 d隧道間距應力圖

圖12 核心土5 d間距0.3 d注漿圈應力圖

圖13 核心土5 d隧道間距應力圖

圖14 核心土0.1 d注漿圈應力圖

圖15 核心土0.2 d注漿圈應力圖

圖16 核心土0.3 d注漿圈應力圖

圖17 核心土0.4 d注漿圈應力圖

圖18 核心土0.5 d注漿圈應力圖

以1d至5d(d為隧道凈寬)間距0.3d注漿圈為研究對象，從5幅0.3d注漿圈應力云圖中可以看出，隧道開挖完成后，由于開挖圍巖造成圍巖應力重新分布，左右線隧道開挖部分應力變化明顯，離開挖區域較遠時，應力云圖隨著深度呈線性分布[11-14]，具體變化規律如下：

核心土法拱頂應力最小，在隧道間距為1d至4d并隨著注漿圈從0.1d增加到0.4d時，拱頂應力減小，減小的趨勢并不明顯。隧道間距為5d時，拱頂應力隨著注漿圈的增加而增大。

核心土法在1d至5d隧道間距，左拱肩與右拱肩應力曲線基本重合，應力相差不大，隨著注漿圈從0.1d增加到0.5d時，左拱肩與右拱肩應力隨著注漿圈的增加反而減小。

核心土法在1d至4d隧道間距，隨著注漿圈的增加左拱腰應力小于右拱腰應力。在5d隧道間距時，應力曲線基本重合，應力相差不大。

核心土法左拱墻與右拱墻應力較其他監測點最大，隧道間距從1d增加至2d時，應力曲線基本重合。隧道間距2d增加至5d時，左拱墻應力明顯大于右拱墻應力，注漿圈從0.2d增加至0.5d時，應力逐漸減小。

核心土法對于左拱腳與右拱腳應力，隧道間距在1d且注漿間距從0.1d增加至0.2d時，左拱腳應力大于右拱腳應力，從0.2d增加至0.5d，左拱腳應力小于右拱腳應力。隧道間距在2d增至3d且注漿間距從0.1d增加至0.2d時，左拱腳的應力大于右拱腳應力，從0.2d增加至0.5d，應力曲線基本重合，應力相差不大。隧道間距從3d增至5d時，左拱腳應力大于右拱腳應力，注漿圈從0.2d增加至0.5d時，拱腳應力逐漸減小。

由圖14—圖18可知，環形導坑預留核心土開挖，注漿圈固定時，應力變化規律如下：

核心土開挖拱頂應力隨著注漿圈從0.1d增至0.5d(d為隧道凈寬)且開挖間距從1d增加到5d時，應力隨著開挖間距的增加而減小。

核心土開挖左拱肩和右拱肩應力隨著注漿圈從0.1d增至0.5d且隧道間距在1d至5d時，應力曲線基本重合，應力相差不大，應力隨著隧道開挖間距的增大而減小。

核心土開挖左拱腰和右拱腰的圍巖應力在隧道間距為1d至4d時，右拱腰應力比左拱腰應力大，在5d隧道間距時，應力接近，總體上呈現隨著開挖間距的增加應力減小。

核心土開挖左拱墻與右拱墻應力在注漿圈0.1d至0.5d變化且隧道間距1d增至2d時，應力曲線接近，相差不大，2d至5d隧道間距時，左拱墻應力明顯大于右拱墻，總體呈現隨著開挖間距增加應力減小，并且在整個開挖斷面模擬監測點中應力最大，因此，在監測時應著重考慮拱墻應力監測。

核心土開挖左拱腳與右拱腳應力在0.1d注漿圈時，左拱腳的應力大于右拱腳的應力，且應力隨開挖間距的增大而減小；在0.2d至0.5d注漿圈且開挖間距從1d增至3d時，曲線很接近，相差不大，從開挖間距3d增至5d時，左拱腳的應力大于右拱腳的應力，同時呈現隨著開挖間距的增加應力減小。

為了進一步研究核心土開挖合適的注漿圈厚度，從最優開挖間距3～4d中選取3d為隧道間距對不同注漿圈各監測點的應力變化數據進行統計分析，主要統計各不同監測點如拱頂、左拱肩、右拱腰、左拱腳、左拱墻的最大應力值，結果如表2所示。

表2 核心土法3 d隧道間距不同注漿圈圍巖監測點應力統計 kPa

3 結論

本文通過隧道工程理論和有限元軟件對公路隧道采用環形開挖留核心土法開挖時圍巖應力進行分析，主要得到以下結論：

(1)綜合考慮環形導坑預留核心土隧道開挖方式下，為減小圍巖應力和使隧道施工更便捷，建議隧道施工開挖間距為3～4d(d為隧道凈寬)。

(2)該開挖法拱頂0.5d注漿圈時圍巖最小應力為37.24 kPa，左拱墻0.5d注漿圈時最大應力為1 882.66 kPa，因此需重點監測左拱墻以避免應力集中導致圍巖破壞。

(3)以左拱墻0.1d注漿圈應力為基礎，0.2d注漿圈時應力增加0.48%，0.3d注漿圈時應力增加0.52%，0.4d注漿圈時應力增加1.5%，0.5d注漿圈時應力增加2.4%。

(4)僅考慮右拱墻圍巖應力最小時，建議注漿圈為0.1d，但是綜合考慮后建議采用0.3d厚度的注漿圈，因為0.3d注漿圈最大圍巖應力只增加0.52%，影響較小。