小凈距隧道拓寬前后圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析

周成濤，陳俊濤

（1.重慶市勘測(cè)院，重慶400020；2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶400074）

渝州隧道位于重慶市渝北區(qū)龍王洞背斜東翼，巖層傾角稍陡，線路走向?yàn)?4°～48°，與地質(zhì)構(gòu)造線小角度斜交，屬構(gòu)造剝蝕淺丘地貌，地形坡度一般為10°～20°，局部由于人工開(kāi)挖形成陡坎，坡度達(dá)60°～70°，上覆土層為殘坡積粉質(zhì)粘土，一般厚為0m～1m，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖、砂質(zhì)泥巖。

經(jīng)調(diào)查，隧道現(xiàn)狀分左、右雙洞，均為單向兩車道隧道，平面成喇叭型布置，進(jìn)口段兩隧道結(jié)構(gòu)間凈距約10m，出口段為15m。隧道凈寬10m，凈高6.6m，圓拱直墻，拱厚75cm，邊墻厚110cm。采用礦山法施工，復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)以噴射混凝土，錨桿和鋼筋網(wǎng)為主要支護(hù)手段；二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)洞壁穩(wěn)定，無(wú)變形跡象，局部有水痕。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)擬對(duì)原有的渝州隧道進(jìn)行擴(kuò)挖，但不改變?cè)淼雷呦蚣伴L(zhǎng)度。擴(kuò)挖后，隧道洞凈跨17.5m，洞高約8m，雙向四車道，擬采用復(fù)合式襯砌，礦山法施工。

上述工程為典型的小凈距隧道施工問(wèn)題。在采用鉆爆法進(jìn)行隧道拓寬施工過(guò)程，將對(duì)圍巖進(jìn)行二次擾動(dòng)，這是一個(gè)周邊松動(dòng)圍巖發(fā)生進(jìn)一步變形及圍巖應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)重新建立的過(guò)程［1－5］。一般小凈距隧道施工對(duì)隧道圍巖受力分布及圍巖變形有重要的影響［6－11］。針對(duì)渝州隧道工程特點(diǎn)，本文基于有限元理論方法對(duì)小凈距隧道拓寬前后圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析，為類似工程安全施工提供理論支持。

1 隧道有限元模型

模型取隧道受偏壓最嚴(yán)重的最不利斷面進(jìn)行分析；為了減小邊界效應(yīng)，設(shè)置隧道邊緣至模型邊緣為隧道寬度的3倍，隧道低部至模型邊緣設(shè)置為隧道高度的3倍，模型的尺寸為72m×152m［12］。

計(jì)算模型左、右邊界為X方向約束，底部邊界為Y方向約束，頂部邊界為自由面。計(jì)算模型詳見(jiàn)圖1［13］。

另外，在模擬巖土體開(kāi)挖時(shí)，采用單元的生死狀態(tài)模擬計(jì)算。根據(jù)“殺死”單元部分的應(yīng)力值，計(jì)算得到開(kāi)挖邊界面各節(jié)點(diǎn)處，由 “死”單元作用的節(jié)點(diǎn)力，通過(guò)把與上述節(jié)點(diǎn)力等值反向的力施加到開(kāi)挖邊界對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上?！皻⑺馈眴卧獣r(shí)，程序用一個(gè)很小的因數(shù)乘以單元的剛度系數(shù)，并從總的質(zhì)量矩陣中消去單元的質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)“殺死”單元［14］。

圖1 有限元分析模型

2 計(jì)算結(jié)果分析

隧道圍巖開(kāi)挖后，改變了之前原始的應(yīng)力狀態(tài)，選取圍巖作為分析對(duì)象，可以更加直觀地反應(yīng)出隧道拓寬前后圍巖的穩(wěn)定情況［15］。

2.1 圍巖位移對(duì)比分析

如圖2、圖3所示分別為原有隧道及隧道拓寬后圍巖所發(fā)生的水平位移云圖。從圖2中我們可以看出，由于受偏壓影響，圍巖的最大水平位移主要發(fā)生在地表上部、隧道左洞右上角：向左方向的水平位移最大值為0.5mm，向右的水平位移最大值約0.4mm；由圖3我們可看到隧道拓寬后圍巖水平位移明顯增大，向左方向最大值達(dá)到1mm。同時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)左洞隧道拱頂右側(cè)圍巖松動(dòng)圈的范圍明顯擴(kuò)大。

圖2 原有隧道施工完成時(shí)水平位移云圖（m）

圖3 隧道拓寬后水平位移云圖（m）

如圖4、圖5所示分別為原有隧道及隧道拓寬后圍巖所發(fā)生的豎向位移云圖。從圖4可以看出，由于受偏壓影響，隧道右洞的豎向位移大于左洞，并且右洞拱頂圍巖的松動(dòng)范圍也比左洞更大。其中，最大拱頂沉降位移為2.7mm。由圖5可看到隧道拓寬后圍巖豎向位移明顯增大，最大拱頂沉降位移為5.0mm。

2.2 圍巖拉應(yīng)力對(duì)比分析

如圖6、圖7所示分別為原有隧道及隧道拓寬后圍巖拉應(yīng)力云圖。從圖6中可以看出最大拉應(yīng)力主要發(fā)生在右洞拱頂右側(cè)附近，其中最大值為0.33MPa。從圖7中可以看出最大拉應(yīng)力主要發(fā)生在右洞右邊墻附近，其中最大值為0.49MPa。

圖4 原有隧道施工完成時(shí)豎向位移云圖（m）

圖5 隧道拓寬后豎向位移云圖（m）

圖6 原有隧道圍巖拉應(yīng)力分布云圖（Pa）

圖7 隧道拓寬后圍巖拉應(yīng)力分布云圖（Pa）

2.3 圍巖壓應(yīng)力對(duì)比分析

如圖8、圖9所示分別為原有隧道施工完成時(shí)、隧道拓寬后圍巖壓應(yīng)力云圖。從圖5中可以看出最大壓應(yīng)力主要發(fā)生在兩隧道的左右邊墻附近，其中右洞壓應(yīng)力明顯大于左洞，最大值為－2.86MPa。從圖5可以看出圍巖壓應(yīng)力分布情況基本同隧道拓寬以前一樣，但是最大值增大為－3.22MPa。

2.4 圍巖塑性區(qū)對(duì)比分析

如圖10所示為原隧道圍巖塑性區(qū)主要發(fā)生在兩隧道的右邊墻附近，但是塑性變形并不大，為0.21×10－3。從圖11中，我們可以看到塑性應(yīng)變的分布狀況基本不變，但是塑性變形增大到0.39×10－3。

圖8 原有隧道圍巖壓應(yīng)力分布云圖（Pa）

圖9 隧道拓寬后圍巖壓應(yīng)力分布云圖（Pa）

圖10 原有隧道塑性變形云圖

圖11 隧道拓寬后塑性變形云圖

3 結(jié) 論

通過(guò)以上對(duì)隧道拓寬前后圍巖位移、應(yīng)力應(yīng)變及塑性區(qū)的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）隧道拓寬后，圍巖豎向位移明顯增大；左右隧道拱頂松動(dòng)圈擴(kuò)展也較迅速，甚至可能貫通至地表，建議在拓寬施工過(guò)程中及時(shí)對(duì)拱頂進(jìn)行支護(hù)。

2）隧道拓寬后，圍巖的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力明顯增大；受上部偏壓影響，其最大值主要是分布在中央巖柱及右洞右邊墻附近。

3）通過(guò)對(duì)塑性區(qū)的分析，可以發(fā)現(xiàn)右洞右邊墻塑性應(yīng)變較大，在隧道拓寬施工過(guò)程中需要加強(qiáng)支護(hù)力度。

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