不同開挖進(jìn)尺下公路隧道圍巖穩(wěn)定性分析

高情義 李燕紅

（云南展旭工程咨詢有限公司，云南 曲靖 655000）

一、工程概況

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隧道圍巖等級低，上層土為風(fēng)化土，中層主要為風(fēng)化巖，下層圍巖巖性主要為千枚巖，薄層片狀構(gòu)造并帶有絲絹光澤，巖體碎裂，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理多為張節(jié)理，抗風(fēng)化能力差、自穩(wěn)能力差，巖體易沿片理傾向坍落，施工風(fēng)險極高，圍巖等級為V級。

二、模型建立及參數(shù)

（一）隧道模型建立

假定圍巖性質(zhì)為連續(xù)、均質(zhì)及各向同性，初始地應(yīng)力場為自重應(yīng)力，即采用摩爾—庫倫屈服準(zhǔn)則。初期支護(hù)中噴射混凝土采用2D單元模擬；錨桿采用1D植入式桁架單元模擬；巖體采用3D實體單元模擬。

本次計算區(qū)域橫向120m、豎向80m、縱向30m，模型方向規(guī)定隧道開挖方向為Y軸正向，豎直向下為Z軸正向，隧道掘進(jìn)橫斷面向左方向為X軸正向，數(shù)值模型如圖1所示。對模型邊界X、Y方向位移面施加約束；對底部邊界Z方向位移面施加約束；模型高度范圍有三層土體，第一層土為風(fēng)化土，厚度為7.5m；第二層土為風(fēng)化巖，厚度為17.5m；第三層土為軟巖，厚度為55m。采用噴錨支護(hù)的方式，錨桿采用2m×1.8m的間距布置。

圖1 隧道斷面尺寸示意圖（單位：mm）

（二）模型參數(shù)

根據(jù)《公路隧道設(shè)計細(xì)則（JTG／T D70-2010）》，隧道的圍巖參數(shù)如表1所示、支護(hù)參數(shù)如表2所示。

表1 模型計算土層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 噴錨支護(hù)材料參數(shù)

（三）數(shù)值分析工況

支護(hù)方式為噴錨支護(hù)。利用Midas／GTS中的施工階段分析功能設(shè)置開挖進(jìn)尺為1.0m、1.5m、2.0m和3.0m四種工況，工況設(shè)計表如表3所示。

表3 工況設(shè)計表

三、數(shù)值模擬結(jié)果分析

（一）不同開挖進(jìn)尺圍巖變形對比分析

1.隧道總位移

對比分析隧道不同開挖進(jìn)尺下總位移，繪制與豎軸夾角的折線圖，其中規(guī)定與豎軸的夾角為該點(diǎn)與掌子面中心的連線與Z軸的夾角。隧道的總位移最大值出現(xiàn)隧道拱頂處（0°），隨著與豎軸夾角的增大隧道總位移逐漸增大。對比分析不同進(jìn)尺下隧道總位移值發(fā)現(xiàn)，隨著開挖進(jìn)尺的增大，隧道總位移值整體呈現(xiàn)增大的趨勢，因此可以認(rèn)為，在V級圍巖隧道開挖中應(yīng)適當(dāng)降低開挖進(jìn)尺，以控制圍巖變形。

2.圍巖不均勻變形

為更好地分析圍巖的不均勻變形，繪制不同開挖進(jìn)尺下的拱頂沉降及拱腰水平收斂曲線，如圖2、圖3所示，其中橫坐標(biāo)0點(diǎn)為洞口處（初始開挖面），x軸以開挖方向為正，縱坐標(biāo)分別為拱頂豎向位移值和拱腰水平收斂值，負(fù)號分別表示豎向位移垂直向下跟水平收斂向洞內(nèi)方向。

圖2 拱腰水平收斂與距隧道洞口距離關(guān)系

圖3 拱頂豎向位移與距隧道洞口距離關(guān)系

隨著開挖進(jìn)尺的增大，圍巖的位移隨之增大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，且隨著開挖進(jìn)尺的增大，不均勻變形逐漸增大，不均勻變形的周期與開挖進(jìn)尺大小相似。

不均勻變形影響圍巖穩(wěn)定性。不均勻變形越大，圍巖受力越不均勻，容易造成隧道襯砌開裂，應(yīng)盡量降低隧道不均勻變形。為評價隧道不同開挖進(jìn)尺對隧道在規(guī)定的縱向位置的圍巖變形不均勻程度，規(guī)定拱頂變形不均勻度如式（1）所示。

將各項數(shù)值代入式（1）中，得出V級圍巖隧道不同開挖進(jìn)尺下圍巖變形不均勻度如表4所示。

表4 圍巖變形不均勻度表

隨著開挖進(jìn)尺的增大，圍巖變形不均勻度逐漸增加。變形不均勻度越大，圍巖受力越不均勻，對于軟弱圍巖，應(yīng)盡量降低開挖進(jìn)尺來保持圍巖均勻受力。

（二）不同開挖進(jìn)尺圍巖應(yīng)力對比分析

當(dāng)隧道開挖進(jìn)尺為1m時，圍巖Z方向的最大有效應(yīng)力為20.31kN／m2，為拉應(yīng)力，分布在拱頂、拱頂位置處；最小有效應(yīng)力為-1.9×103kN／m2，為壓應(yīng)力，分布在拱腰處；開挖進(jìn)尺為1.5m、2.0m和3.0m時圍巖Z方向的最大有效應(yīng)力分別為120.23kN／m2、15.99kN／m2和30.41kN／m2，最小有效應(yīng)力分別為-1.99×103kN／m2、-1.95×103kN／m2-2.01×103kN／m2，對于圍巖而言，受壓能力較強(qiáng)而受拉能力較弱，特別是對于軟弱圍巖，分析發(fā)現(xiàn)開挖進(jìn)尺為1.0m及2.0m情況下最大有效應(yīng)力相對較小，其中2.0m進(jìn)尺情況最小。

(三）不同開挖進(jìn)尺圍巖塑性應(yīng)變對比

開挖進(jìn)尺分別為1.0m、1.5m、2.0m和3.0m時，隧道圍巖的塑性應(yīng)變分別為1.91×10-3、2.32×10-3、2.4×10-3和2.66×10-3。由此可知，隨著開挖進(jìn)尺的不斷增大，隧道圍巖的塑性應(yīng)變不斷增大，隧道圍巖的擾動范圍隨開挖進(jìn)尺的增大而增大，圍巖被破壞的幾率也隨之增大，因此減小開挖進(jìn)尺有利于圍巖變形控制。