不同開挖方式下隧洞數(shù)值模擬分析

張 國(guó) 平

(鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 210049)

不同開挖方式下隧洞數(shù)值模擬分析

張 國(guó) 平

(鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 210049)

以Ⅱ類圍巖為例，通過建立隧洞的三維FLAC3D數(shù)值模擬模型，分別分析了隧洞施工過程中全斷面開挖和上下臺(tái)階開挖兩種開挖方式對(duì)隧洞圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性區(qū)的影響，為解決隧洞開挖的設(shè)計(jì)和施工提供了重要的理論意義和工程實(shí)際價(jià)值。

開挖方式，隧洞，穩(wěn)定性，模擬分析

0 引言

圍巖穩(wěn)定性問題一直是巖土工程界研究的課題之一，在隧洞開挖過程中，不同的施工開挖方式會(huì)對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生不同的影響，直接影響著工程的質(zhì)量、進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)等方面。選擇合理的施工開挖方式，可以更好的有利于圍巖穩(wěn)定。目前，隧洞開挖方法主要有全斷面法、上下臺(tái)階法、分部開挖法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法、交叉中壁法等。每種開挖方法都有其最適合的地質(zhì)條件，其中，全斷面法是按照設(shè)計(jì)要求一次成型的施工方法，此方法一般適用于巖質(zhì)完整的硬巖石。上下臺(tái)階法主要適用于Ⅱ，Ⅲ類圍巖。不同的開挖方法其施工工藝、施工效果均不相同，在掌握隧洞圍巖力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)其地質(zhì)條件選擇適合的施工開挖方法。

1 隧洞開挖方案的數(shù)值模擬

1)計(jì)算模型與參數(shù)。

筆者采用FLAC3D三維數(shù)值分析軟件[3]進(jìn)行模擬，圖1表明了FLAC3D所包含的一般計(jì)算過程，此軟件采用顯式差分方法，可以求得任意的非線性應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)方程。數(shù)值模擬計(jì)算選用摩爾—庫(kù)侖模型，其是FLAC3D內(nèi)置有多個(gè)力學(xué)模型中的其中一種，這種模型的破壞線對(duì)應(yīng)于摩爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則加上拉伸分離點(diǎn)，與拉應(yīng)力流動(dòng)法則相關(guān)聯(lián)而與剪切流動(dòng)不相關(guān)聯(lián)。由于摩爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則體現(xiàn)了巖土材料壓剪破壞的實(shí)質(zhì)，所以得到了廣泛的應(yīng)用。

某工程含四個(gè)隧洞，平均洞線長(zhǎng)度約16.67 km，洞徑13 m，一般埋深1 500 m～2 000 m，筆者選取具有代表性的Ⅱ類圍巖建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算模型選擇在距離進(jìn)水口+10 900 m處，三維數(shù)值模擬模型在隧洞軸向取300 m，垂直隧洞軸線方向取420 m，鉛直方向由隧洞軸線高程上取200 m、下取150 m，此范圍內(nèi)隧洞巖石基本為三迭系中統(tǒng)白山組，模擬計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

其中，Mohr-Coulomb彈塑性材料模型中的體積模量K和剪切模量G采用以下公式換算求得：

(1)

(2)

其中，E為彈性模量；μ為泊松比。

2)開挖方案。

為了盡可能考慮實(shí)際的施工情況，在隧洞的開挖模擬過程中采用全斷面開挖與上下臺(tái)階開挖兩種開挖方式。即①進(jìn)行全斷面開挖模擬計(jì)算；②進(jìn)行上下臺(tái)階開挖計(jì)算，首先開挖上半斷面，最后開挖下半隧洞。對(duì)這兩種開挖施工方法導(dǎo)致的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性區(qū)進(jìn)行分析比較，以此判斷隧洞在不同開挖方法下圍巖的穩(wěn)定情況，為解決隧洞開挖的設(shè)計(jì)和施工提供重要的理論意義和工程實(shí)際價(jià)值。

2 模擬結(jié)果分析

1)應(yīng)力場(chǎng)分析。

隧洞經(jīng)過開挖使得圍巖發(fā)生卸荷回彈變形和應(yīng)力重分布，應(yīng)力場(chǎng)變?yōu)椴痪鶆驊?yīng)力場(chǎng)。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，隧洞側(cè)壁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并不斷向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，在圍巖內(nèi)部、洞周出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象，最終在圍巖內(nèi)部形成高應(yīng)力區(qū)。

從表2中可以看出，方案①開挖后的最大主應(yīng)力為96.07MPa，比方案②增加了1.5MPa，兩種方案產(chǎn)生的最終應(yīng)力場(chǎng)基本相同。但是，方案②使得圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化影響較大。根據(jù)模擬過程看出，上臺(tái)階開挖后，上半洞周出現(xiàn)了一部分拉應(yīng)力區(qū)域，此時(shí)最大主應(yīng)力比方案①大，達(dá)到了97.37MPa；隨著下臺(tái)階開挖完畢，圍巖應(yīng)力最終都為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力現(xiàn)象消失，且壓應(yīng)力主要發(fā)生在隧洞的左右側(cè)墻處，最后達(dá)94.43MPa。

2)位移場(chǎng)分析。

側(cè)墻位移、頂拱位移及底部位移是隧洞開挖過程中位移監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容，也是圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化的最直接反映。采用不同方式開挖時(shí)，監(jiān)測(cè)位移見表2。根據(jù)表2的模擬計(jì)算結(jié)果可知，采用上下臺(tái)階開挖法時(shí)，其位移均大于全斷面開挖，尤其頂拱位移在兩種開挖方式相差較大。

兩種開挖方案的變形過程與全斷面開挖變形規(guī)律基本相同。由于全斷面開挖是一次性開挖完成，而對(duì)于第②種開挖方案，上下臺(tái)階開挖當(dāng)上半部分隧洞開挖完成后，各監(jiān)測(cè)位移場(chǎng)均出現(xiàn)了很大的變化，尤其圍巖的頂拱位移下沉已達(dá)位移總量的90%，側(cè)墻位移達(dá)75%，當(dāng)下半部分隧洞開挖完成后，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，下臺(tái)階開挖所導(dǎo)致的頂拱位移較小于對(duì)側(cè)墻的影響。

表2 隧洞圍巖應(yīng)力及位移模擬計(jì)算成果

3)塑性區(qū)分析。

圖2和圖3反映了隧洞在兩種開挖方法之下的塑性狀態(tài)，從中可以看出，兩種開挖方案的塑性區(qū)狀態(tài)基本相同，隧洞開挖后洞周均出現(xiàn)一定的塑性區(qū)，由于在模擬分析計(jì)算中并沒有施加支護(hù)，所以塑性區(qū)范圍都較大，達(dá)6.5m～8m。但相比較，方案②拉剪破壞的范圍比方案①小，尤其是在下半斷面的洞周并沒有出現(xiàn)拉剪破壞。所以，相比之下，上下臺(tái)階開挖在塑性區(qū)方面優(yōu)于全斷面開挖。

3 結(jié)語(yǔ)

通過FLAC3D三維數(shù)值分析軟件對(duì)全斷面開挖和上下臺(tái)階開挖兩種開挖方式進(jìn)行了模擬分析。根據(jù)模擬分析結(jié)果可知，采用上下臺(tái)階開挖產(chǎn)生的洞周各部分監(jiān)測(cè)位移量較大，不過頂拱位移與側(cè)墻位移主要發(fā)生在上半隧洞開挖完成后。雖然方案②在上半隧洞開挖后，洞周出現(xiàn)了一部分拉應(yīng)力區(qū)域，但兩種開挖方案產(chǎn)生的最終應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)分布的范圍卻基本相同，圍巖整個(gè)區(qū)域處于受壓狀態(tài)，且壓應(yīng)力主要發(fā)生在隧洞的左右側(cè)墻處，開挖完成后最大主應(yīng)力值僅相差1.5MPa。很顯然，兩種開挖方法產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性區(qū)的影響并沒有產(chǎn)生太大的差別。但采用上下臺(tái)階開挖法施工時(shí)，對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，應(yīng)力重分布的過程較復(fù)雜。

[1] 楊彥亮，李錫波，毛洪錄.高地應(yīng)力條件下深埋隧道開挖方式數(shù)值優(yōu)選及工程應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2013，9(33)：735-740.

[2] 張 括.公路隧道洞口施工的綜合評(píng)價(jià)[J].山西建筑，2008,6(34)：309-310.

[3] 劉 波，韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社,2005.

[4] 王鐵男，楊青潮，郝 哲.沈陽(yáng)地鐵隧道開挖方案技術(shù)優(yōu)化研究[J].巖土工程技術(shù)，2012,3(26):120-124.

[5] 鄒立剛.雙線鐵路隧道開挖方式數(shù)值模擬分析[J].市政技術(shù)，2011,2(29)：99-102.

Numerical simulation analysis about tunnels under different excavation modes

Zhang Guoping

(CollegeofCivil&EnvironmentEngineering,ZhongshanVocationalCollege,Nanjing210049,China)

Take the second class surrounding rock as the research object, through the FLAC3Dnumerical simulation, this paper analyzed the variation rules of stress, deformation and plastic range of the surrounding rock in the process of excavation, selected full-face and up-down excavation, to provide important theoretical significance and practical value about design and construction of tunnels.

excavation modes, tunnels, stability, simulation analysis

2014-12-12

張國(guó)平(1979- )，男，講師

1009-6825(2015)06-0178-02

U455

A