小凈距隧道施工順序FLAC3D模擬分析

李榮偉

（1.保定市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利監(jiān)理咨詢有限公司，河北 保定 071051）

小凈距隧道施工順序FLAC3D模擬分析

李榮偉1，2

（1.保定市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利監(jiān)理咨詢有限公司，河北 保定 071051）

以云南某地雙線隧道工程為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬研究方法，對(duì)小凈距隧道采用“同向滯后開挖”和“對(duì)向開挖”2種施工順序下施工過(guò)程中的力學(xué)行為進(jìn)行了對(duì)比分析，揭示出不同施工順序下的地層剪應(yīng)變?cè)隽?、變形位移、?yīng)力及塑性區(qū)分布等相關(guān)方面的研究成果，得出“對(duì)向開挖”的施工方案優(yōu)于“同向滯后開挖”方案的結(jié)論。同時(shí)也表明FLAC3D用于隧道圍巖變形分析是可行的。

隧道工程；圍巖穩(wěn)定；數(shù)值模擬；有限差分法；FLAC

隨著我國(guó)西部大開發(fā)的深入，大量的地下工程要開工建設(shè)，探討地下工程穩(wěn)定性的方法就顯得尤為必要。目前，地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析方法大致可分為解析法、數(shù)值分析法、工程地質(zhì)類比法、模型試驗(yàn)法、不確定性法等幾種，各種方法均有優(yōu)缺點(diǎn)［1－2］。FLAC有限差分法克服了有限元等其他數(shù)值分析方法不能求解大變形問(wèn)題的缺陷，能更好地考慮巖土體的不連續(xù)和大變形特性，是目前研究地下洞室工程的一種重要手段［3－7］。

云南某地正在修建的小凈距雙線穿山隧道，均為直墻拱型，頂拱半徑為5.0m，直墻高5.0m。兩洞中隔墻厚10.0m。洞口天然斜坡分為38.7°、33.7°、26.6°3個(gè)等級(jí)，巖體較完整，巖層產(chǎn)狀近水平，巖性大致呈階梯狀展布，分上、中、下3層。目前，雙孔近距離平行隧道常見的開挖方式有同向滯后開挖、對(duì)向同步開挖2大類開挖方法。由于近距離雙線隧道開挖過(guò)程中相互影響，圍巖極易松弛和失穩(wěn)，給施工帶來(lái)很大難度。因此，為了確定較為合理的施工方案，現(xiàn)急需對(duì)兩隧道不同開挖順序下的圍巖穩(wěn)定性作以對(duì)比分析，以選擇合理的洞挖方案。為此，本文利用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬法對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 計(jì)算模型網(wǎng)格剖分及物理力學(xué)參數(shù)選取

由于需分析比線隧道不同工況下洞身圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題，故采用了三維計(jì)算。根據(jù)圍巖發(fā)生的變形情況及圍巖的材料特性，采用了彈塑性本構(gòu)模型和摩爾－庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則。

模型計(jì)算范圍為：上取至地面，下取至隧道底部以下5.5D，橫向取至距洞室中心線兩側(cè)各5D，模型長(zhǎng)度在隧道前進(jìn)方向取15D，在負(fù)方向取6D。坐標(biāo)原點(diǎn)建立在兩條隧道洞軸線連線的中心位置（圖1）。計(jì)算模型除上部為垂直荷載邊界外，其余各側(cè)面和底面為法向約束邊界，計(jì)算時(shí)僅按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。計(jì)算穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)選為1×10－5。 隧道及其附近20m×20m區(qū)域采用方形放射狀網(wǎng)格，其余部位主要采用八面體網(wǎng)格（5m×5m×5m），天然斜坡表面采用五面體、六面體網(wǎng)格，共計(jì)32592個(gè)單元，34918個(gè)結(jié)點(diǎn)。

根據(jù)勘察成果，選取物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)常規(guī)，小凈距雙線隧道施工時(shí)，一般采用同向滯后開挖和對(duì)向開挖。同向滯后開挖時(shí)，滯后隧道較先行隧道要滯后一段合理距離；對(duì)向開挖時(shí)，一般在兩洞匯集點(diǎn)附近需相隔一定時(shí)間，以減小對(duì)相鄰隧道施工造成的不良影響。但對(duì)向開挖時(shí)應(yīng)盡量避免兩線處于相互影響范圍內(nèi)同時(shí)施工，兩線掌子面間的距離應(yīng)大于一定值（另作討論），當(dāng)距離小于一定值時(shí)，應(yīng)停止其中一線的施工，待間距超過(guò)合理距離時(shí)兩線再同時(shí)對(duì)向推進(jìn)。參照相關(guān)工程的施工經(jīng)驗(yàn)，以及采用數(shù)值模擬的方法反復(fù)試算比較，本工程主要按以下參數(shù)設(shè)置初期支護(hù)：①布置徑向錨桿，排間距1.5m，每排13根，頂拱180°范圍內(nèi)放射狀均勻分布，長(zhǎng)5m。力學(xué)參數(shù)?。簵钍夏Ａ?5×109Pa，橫截面面積6.158×10－4m2，漿液暴露周長(zhǎng)1，抗拉強(qiáng)度250×106Pa，漿液固結(jié)剛度17.5×106Pa，漿液最大剪切力20×104Pa，內(nèi)摩擦角30.0°。②頂拱180°范圍內(nèi)設(shè)置網(wǎng)噴混凝土，厚0.2m。 力學(xué)參數(shù)?。嚎箟簭?qiáng)度10.5×109Pa，泊松比0.25，密度2500kg/m3。

本例中，當(dāng)采用同向開挖時(shí)其滯后距離按50m考慮，模擬兩隧道均開挖完且計(jì)算平衡后的圍巖穩(wěn)定性等問(wèn)題，開挖循環(huán)步長(zhǎng)取5m，初期支護(hù)滯后掌子面的距離按2個(gè)開挖段（2.5m×2m）進(jìn)行了模擬。

2.1 最大剪應(yīng)變?cè)隽?/h3>

從隧道支護(hù)后圍巖剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D（圖2）表明，隧道由于受到自重應(yīng)力和滑坡作用力的影響，在隧道兩側(cè)拱腳處剪應(yīng)變?cè)隽枯^大，由此可推斷此四處是應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以掌握圍巖發(fā)生的剪切變形數(shù)據(jù)。從兩圖對(duì)比可以看出，采用對(duì)向開挖時(shí)同等級(jí)的剪應(yīng)變?cè)隽糠植济娣e較小，且剪應(yīng)變?cè)隽孔畲笾狄蚕鄬?duì)較小。

2.2 地層位移

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果（圖3），隧道縱斷面位移最大值分布在淺埋段（0～50m），最大值為2.82cm；橫斷面位移最大值分布在中隔墻側(cè)拱腳處，兩隧道靠近中隔墻一側(cè)的拱頂變形位移量均較大，說(shuō)明隧道如發(fā)生破壞，應(yīng)先從先行施工隧道靠中隔墻一側(cè)的拱頂開始。從兩圖對(duì)比可以看出，采用對(duì)向開挖時(shí)同等級(jí)的地層變形位移值分布面積較小，且位移最大值也相對(duì)較小。

2.3 地層應(yīng)力

從支護(hù)后局部第一主應(yīng)力等值線云圖（圖4）可以看出，隧道附近圍巖普遍處于低應(yīng)力狀態(tài)，大部分范圍內(nèi)仍處于受壓狀態(tài)；采用同向滯后施工順序時(shí)，兩邊墻局部和中隔墻部位壓應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，中隔墻中心最大壓應(yīng)力值為0.772MPa，兩邊墻部位最大壓應(yīng)力值為0.6MPa，深5～10m；采用對(duì)向施工順序時(shí)，僅在中隔墻部位出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力值為0.5MPa。

隧洞邊墻淺部及底部仰拱部位明顯出現(xiàn)了應(yīng)力松弛現(xiàn)象，該部位圍巖基本處于低應(yīng)力狀態(tài)，但是兩邊墻拱腳及底拱小范圍出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用同向施工順序時(shí)最大拉應(yīng)力達(dá)到0.076MPa，采用對(duì)向施工順序時(shí)最大拉應(yīng)力達(dá)到0.093MPa，接近圍巖的抗拉強(qiáng)度，所以結(jié)合施工實(shí)際情況，兩邊墻和底板可補(bǔ)充增加初期支護(hù)，或者洞挖后及時(shí)進(jìn)行二次襯砌。

2.4 地層塑性區(qū)

根據(jù)支護(hù)后圍巖塑性區(qū)分布圖（圖5）可以看出，在模型運(yùn)行開始階段大部分范圍進(jìn)入過(guò)剪切屈服狀態(tài)，后來(lái)由于應(yīng)力重分布已退出塑性狀態(tài)，深部圍巖目前大范圍處于彈性狀態(tài)。模型完成開挖且計(jì)算平衡后，采用同向施工時(shí)接近活動(dòng)塑性域的單元分布在兩邊墻、中隔墻及其基礎(chǔ)地層中，其中兩邊墻接近活動(dòng)塑性域的深度5m，并向坡體淺部發(fā)展，表現(xiàn)為剪切屈服；中隔墻地層接近活動(dòng)塑性域的單元表現(xiàn)為剪切屈服，深度15m。采用對(duì)向施工時(shí)，單元接近活動(dòng)塑性域的面積稍有減少，而且中隔墻基礎(chǔ)地層已處于彈性狀態(tài)。

2.5 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

采用兩種施工方案時(shí)，加固錨桿軸力隨時(shí)間步長(zhǎng)的變化規(guī)律基本相同。從分析可知，錨桿安裝后即發(fā)揮其效用，其軸力開始增長(zhǎng)緩慢，到后來(lái)迅速增大，隨著計(jì)算時(shí)步的增加，最終又趨于一個(gè)穩(wěn)定值，說(shuō)明初期支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮了應(yīng)有作用。兩種施工方案下錨桿軸力均表現(xiàn)為拉張力，采用同向施工時(shí)錨桿最大軸力為6.521×105Pa，而采用對(duì)向施工時(shí)錨桿最大軸力為1.163×105Pa。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬研究結(jié)果，說(shuō)明按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行初期支護(hù)后，小凈距隧道圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)，且采用“對(duì)向開挖”的方案優(yōu)于“同向滯后開挖”的施工方案，如隧道兩側(cè)進(jìn)洞口均具備作業(yè)條件，則可優(yōu)先考慮“對(duì)向開挖”的施工方案，有利于提高施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。總之，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬法在本例中的成功應(yīng)用，為該工程選擇合理的施工方案提供了可信證據(jù)，其方法也值得同類工程借鑒。

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Numerical Simulation Analyses on the Construction Sequence of Twin－tunnel with Short Separation by FLAC3D

LI Rong－wei1，2
（1.Baoding Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Insititute， Baoding 071051， China；
2.Baoding River Water Conservancy Project Management and Consulting Co.， Ltd.， Baoding 071051， China）

In accordance with one twin－tunnel with short separation in Yunnan province， a comparative study was carried out by numerical simulation program FLAC3Don the behavior of the construction process of two closely－spaced parallel tunnels， considering two options of construction， namely asynchronous excavation in the same direction and excavation in opposite direction.Results of the numerical analyses indicate， with different construction sequence of twin－tunnel， many reasonable conclusions on relevant research， such as shear strain increment， the maximum displacement， the maximum principal stresses， the plastic zones and so on， are gained.At the same time， the article revealed the result of the excavation in opposite directions is much better than the other option.Finally， the article indicates that FLAC3Dis very capable of solving the deformation analysis of the tunnel surrounding rock.

tunneling engineering；the stability of surrounding rock；numerical simulation；finite difference method；FLAC

TV52

A

1672-9900（2011）01-0082-03

2010－12－31

李榮偉（1974－），男（漢族），甘肅隴西人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程勘察設(shè)計(jì)與研究工作，（Tel）18931261505。