復(fù)雜地質(zhì)條件下某隧道圍巖穩(wěn)定性分析及施工優(yōu)化

■程李鈺

（重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院 重慶 400044）

復(fù)雜地質(zhì)條件下某隧道圍巖穩(wěn)定性分析及施工優(yōu)化

■程李鈺

（重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院 重慶 400044）

本文采用彈塑性理論，利用通用有限差分程序Flac3D建立某公路隧道的二維模型以模擬其實(shí)際的隧道開(kāi)挖過(guò)程，并利用數(shù)值模擬的方法對(duì)其開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行分析研究，避免了人員傷亡事故的發(fā)生同時(shí)增加施工效率。同時(shí)通過(guò)分析開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律和變形規(guī)律，為不同圍巖條件下隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程施工提供參考。

復(fù)雜地質(zhì)條件隧道施工圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

0 引言

隨著工程力學(xué)理論的研究和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬因其能夠進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)測(cè)及有效圍巖穩(wěn)定性分析，同時(shí)克服了試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控耗費(fèi)時(shí)間、資金以及人力浪費(fèi)等問(wèn)題，而被廣泛應(yīng)用于隧道工程的理論研究和工程實(shí)踐。運(yùn)用有限差分軟件Flac3D對(duì)隧道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析已是解決不同巖體結(jié)構(gòu)、圍巖與支護(hù)相互作用、隧道圍巖壓力、圍巖應(yīng)力與變形、圍巖破壞過(guò)程與破壞機(jī)制的主要方法。本文以某隧道為例，利用Flac3D有限差分軟件對(duì)隧道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析，探究該隧道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律與位移變形規(guī)律，以此指導(dǎo)施工進(jìn)行相應(yīng)的措施，確保施工安全。

1 隧道基本情況

1.1 隧道基本參數(shù)

隧道屬于高瓦斯特長(zhǎng)隧道。左線長(zhǎng)7285米；右線長(zhǎng)7310米，設(shè)計(jì)為分離式隧道。設(shè)計(jì)有斜井2個(gè)、豎井1個(gè)。豎井深度258.163m，該隧道主洞與豎井交叉段凈空較大，對(duì)圍巖的穩(wěn)定極為不利，施工難度非常大。

1.2 地質(zhì)背景及原始數(shù)據(jù)

隧道位于某山背斜中南部，區(qū)域構(gòu)造具有背斜陡急，向斜寬緩的“隔擋式構(gòu)造”特征。隧道洞身段主要為鹽溶角礫巖、灰?guī)r破碎巖體，隧道洞深段巖性主要為頁(yè)巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，本區(qū)的地應(yīng)力并不高，僅局部可能存在構(gòu)造應(yīng)力集中帶。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)驗(yàn)，得出計(jì)算所需的參數(shù)如表1：

表1 不同位置巖石參數(shù)

2 隧道圍巖理論

其中，

3 模型的建立

本文采用的是Mohr-Coulomb模型,模擬過(guò)程中采用的不同土層的內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c值,是結(jié)合實(shí)際工程情況取值的。

式中:Tf為抗剪強(qiáng)度；c為粘聚力；σ為作用于剪切面上的法向應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

4 圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值分析

按照施工步驟進(jìn)行計(jì)算模擬,得出分布開(kāi)挖過(guò)程中隧道圍巖初始狀態(tài)遭到破壞后的應(yīng)力圖，如圖。

圖1 下臺(tái)階開(kāi)挖后垂向應(yīng)力網(wǎng)格圖

由圖可知,當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖后,在拱部中央?yún)^(qū)域和開(kāi)挖面的底部以及左右肩部圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,拱頂部的最大應(yīng)力為3.12MPa；下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱底部的最大應(yīng)力為3.9MPa,應(yīng)力集中在左右肩部，而拱頂中央?yún)^(qū)及底部中央?yún)^(qū)域應(yīng)力得到緩解，應(yīng)力較低；并且拱頂和底部的應(yīng)力較上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)有所增大。另外，兩側(cè)幫的應(yīng)力也較大，遇到破碎的巖石很有可能發(fā)生片幫及落石危險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

5 結(jié)論

通過(guò)有限元模型的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，每一次開(kāi)挖結(jié)束后,圍巖中的應(yīng)力將重新分布并產(chǎn)生一定的變形,打上支護(hù)以后支護(hù)會(huì)阻礙圍巖的變形,并且降低了巖體中的應(yīng)力,較大程度上緩解了應(yīng)力集中問(wèn)題。對(duì)隧道進(jìn)行數(shù)值分析的結(jié)果表明隧道開(kāi)挖過(guò)后拱頂、底部及側(cè)壁的變形過(guò)大、應(yīng)力較集中，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，這些部位在施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，這也是信息化反饋施工必須重點(diǎn)監(jiān)控的部位。

[1]華薇.公路隧道開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究 ［D］.吉林：吉林大學(xué)，2007.

[2]謝和平,周宏偉,王金安等.FLAC在煤礦開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用及對(duì)比分析 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1999,18(4):397-401.

The paper using the general-purpose finite element program Flac3D,elastic-plastic theory,establish the highway tunnel two-dimensional finite element model to simulate the actual tunnelingprocess,analysis of surrounding rock stress field and displacement field in the excavation process,using finite element numerical simulation method instead of the actual excavation process.In this way,personnel casualties are avoided and construction efficiency is increased. by analyzing the changing of the surrounding rock stress and displacement variation,the paper contributes to the structural design and construction of the tunnel under the different rock conditions.

Complex geological conditions,Highway tunnel,surrounding rock stability,numerical simulation,finite element

P54[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-10-95-2

薛炯（1988～），男，2011年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)學(xué)專業(yè)，本科，助理工程師，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)礦產(chǎn)勘查。