深埋軟巖隧道開挖數值模擬分析

謝志輝 饒根

（中交三公局第一工程有限公司 北京 100012）

1 工程概況

該工程區位于華南褶皺系右江褶皺帶，其構造格架以印支—燕山運動為主，其褶皺類型有納丹向斜、巴合背斜等。右江斷裂受喜山、新構造作用的影響較大，而近場區的其他構造活動較少。大致以百色、思林為界，可分為3大段，即百色以西段、百色—思林段、思林—壇洛段。

2 隧道開挖

上加山隧道全長4.11km，其中5段為1.193km，4段為2.152km，3段為0.77km。左線上加山隧道的起始里程為ZK1+925～ZK6+013，全長4088m，坡度為1.15%、-1.2%；右線隧道的起始里程為YK1+895～YK6+010，長4115m，坡率1.15%、-1.2%。上加山隧道采用兩側進洞，雙側掘進。

3 利用FLAC3D進行數值模擬

通過數值模擬得到3 種不同開挖方式，本構模型是以摩爾庫倫準則和最大拉應力準則的摩爾—庫倫彈性力學模型。

常用的材料參數是、，其與彈性模量、泊松比的轉換關系為：

式中：為體積變形模量（kPa）；為剪切變形模量（kPa）。

3.1 計算基本假定

（1）模型中的圍巖及支撐材料均采用連續均勻的理想結構。

（2）僅將自重應力作為地層初始地應力。

（3）模型的兩邊邊界與隧道的兩邊邊界都是50m，而模型的上下邊界則是100m以下的邊界。

（4）將左、右邊界設定為橫向位移限制，下邊界設定為垂直位移限制，上邊界設定為自由邊界，并對其進行等效埋深荷載。

3.2 圍巖在不同開挖條件下的受力特性分析

本節通過對不同開挖方法下的圍巖變形進行比較，得出了不同開挖方法對隧道施工的影響。

3.2.1 豎向位移分析

通過3 種不同的開挖方法，在隧道開挖完畢后得到豎直方向位移分布云圖，從圖1 至圖3 中不難發現，環形開挖留核心土豎向位移變形量最小，全斷面最大。

圖1 環形開挖留核心土豎向方向位移分布云圖

圖2 上下臺階開挖豎向方向位移分布云圖

圖3 全斷面開挖方法豎向方向位移分布云圖

3.2.2 最大位移分布云圖

在不同的開挖方式下，比較最大位移分布云圖4至圖6中，上下臺階法最大位移云圖位移較小。

圖4 環形開挖留核心土最大位移分布云圖

圖5 上下臺階開挖最大位移分布云圖

圖6 全斷面開挖方法最大位移分布云圖

3.2.3 豎向應力布云圖

通過3 種不同的開挖方法，獲得了隧道的垂直應力分布，如圖7 至圖9 所示，環形開挖保留了中心土的垂直應力，拱頂處的應力比基坑的壓力大，隧道的兩邊都有環形的壓力。在拱腳部位，垂直應力比上部高，中部受力大，拱腳受力小。采用全斷面開挖垂直模擬，基坑底部垂直應力較大，兩側應力分布比較分散，不存在應力集中，采用保留土法進行支護，使其受力比較均勻。

圖7 環形開挖留核心土豎向應力分析

圖8 上下臺階開挖豎向應力分析

圖9 全斷面開挖方法豎向應力分析

通過數值模擬，對比豎向位移、最大位移、豎向應力，可以發現采用環形開挖留核心土方法模擬豎向方向位移分布云圖、最大位移分布云圖、圍巖豎向應力分布云圖，要比全斷面法、上下臺階法小得多，采用環形開挖留核心土法是較好的施工開挖的方法。

4 結語

本次根據圍巖情況和隧道跨度，設計采用環形開挖留核心土、上下臺階開挖及全斷面開挖方法，根據了這些開挖方式進行相應的數值模擬，根據模擬進行分析，對應力、位移大的地方易造成破壞的及時加固處理提供依據。