不同開挖方式下淺埋隧道施工數(shù)值模擬分析

李茂良， 龍欽初

(1.湖南湘潭公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司， 湖南 湘潭　411104；　2.湘潭市公路管理局， 湖南 湘潭　411100)

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不同開挖方式下淺埋隧道施工數(shù)值模擬分析

李茂良1， 龍欽初2

(1.湖南湘潭公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司， 湖南 湘潭411104；2.湘潭市公路管理局， 湖南 湘潭411100)

摘要：伴隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，層狀圍巖淺埋隧道在交通工程建設(shè)領(lǐng)域中越來越頻繁地出現(xiàn)，而圍巖穩(wěn)定性對于淺埋隧道的施工尤為重要。以某隧道為例，利用數(shù)值模擬的方法研究不同開挖方法對淺埋隧道層狀圍巖力學(xué)特征的影響，從而合理地選擇開挖方法指導(dǎo)層狀圍巖淺埋隧道的施工。

關(guān)鍵詞：隧道施工； 層狀圍巖； 開挖方案； 數(shù)值模擬； 力學(xué)特征

0引言

伴隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，層狀圍巖淺埋隧道在交通工程建設(shè)領(lǐng)域中越來越頻繁地出現(xiàn)，淺埋隧道圍巖穩(wěn)定性一直是隧道工程研究的重點(diǎn)之一。圍巖不穩(wěn)定主要表現(xiàn)為巖爆、圍巖或者襯砌開裂、頂板塌落、邊墻擠入、底板隆起、地表沉降過大等，在隧道施工開挖過程中，圍巖不穩(wěn)定可能會誘發(fā)隧道塌方災(zāi)害，造成人員傷亡和施工機(jī)具損毀以致于財產(chǎn)損失，對社會造成不利的影響。因此，為確保隧道施工安全順利的推進(jìn)，近年來國內(nèi)外眾多學(xué)者對淺埋隧道圍巖穩(wěn)定性做了大量的研究，并得到了相應(yīng)的科研成果。Dias D和Janin J P(1991)[1]利用三維數(shù)值模擬的方法，研究了隧道掌子面在壓力盾構(gòu)作業(yè)下的穩(wěn)定性；Anagnostou和Kovári(1994)[2]通過建立三維模形對隧道掌子面的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了圍巖力學(xué)平衡方程，得出確保掌子面穩(wěn)定的最小支護(hù)力；王祥秋(2002)[3]研究了含軟弱夾層層狀圍巖非線性有限元分析；鐘放平(2008)[4]對層狀圍巖中隧道開挖支護(hù)措施進(jìn)行了優(yōu)化，利用現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，分析了噴錨支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后錨桿受力和圍巖變化特征；李曉紅(2010)[5]利用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法，研究了層狀圍巖中深埋隧道變形破壞特征。

本文以某隧道為例，利用數(shù)值模擬的方法研究不同開挖方法對淺埋隧道層狀圍巖變形和力學(xué)特性的影響規(guī)律，從而合理地選擇開挖方法指導(dǎo)層狀圍巖淺埋隧道的施工，確保隧道施工的安全推進(jìn)。

1工程背景

D隧道為雙向分離式4車道公路隧道，行車速度設(shè)計值為50 km/h。左洞起止里程：LK43+696.11、LK43+919.67，長223.56 m，起止點(diǎn)高程分別為776.27 m、769.57 m；右洞起止里程：K43+675、K43+905，起止點(diǎn)高程分別為775.99 m、767.67 m。隧道為直線單向縱坡隧道，隧道左洞的坡度設(shè)計值是-1.22%，隧道右洞的坡度設(shè)計是-1.5%。隧道左線埋深最大值約為86 m，右線埋深最大約為87 m。洞身有存在幾處埋深比較淺工段，最小埋深約為14 m。

隧道左線LK43+696.11、LK43+919.67，右線K43+675、K43+905均2次穿越煤巷采空區(qū)下部(最小距離約80 m)，3次穿越含煤層。穿越煤巷采空區(qū)下部有可能遇到煤巷積水突涌。隧道左線LK44+067～LK44+077，右線K44+063～K44+070在施工過程中為溶洞。隧道最大埋深約415.6 m，大多數(shù)地段埋深超過100 m，洞口段為淺埋，本文在考慮巖體層理特征的條件下，結(jié)合隧址區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征，對洞口淺埋段Ⅴ級層狀圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了層狀圍巖在不同開挖方法下的力學(xué)特征。根據(jù)隧道的工程概況，淺埋地段為Ⅴ級圍巖，埋深取20 m，其用于比較的施工方案為三臺階法、CD法。

2不同開挖方案對層狀巖體隧道力學(xué)特征的影響

2.1應(yīng)力特征

1) 三臺階法對層狀圍巖穩(wěn)定性的影響。

采用三臺階法其最小、最大主應(yīng)力等值線見圖1。

　a) 最小主應(yīng)力等值線　

　b) 最大主應(yīng)力等值線　

2) CD法對層狀圍巖穩(wěn)定性的影響。

采用CD法其最小、最大主應(yīng)力等值線見圖2。

從表1中兩種開挖方法的最小和最大主應(yīng)力值對比可以看出：

① 采用三臺階法施工得到的隧道層狀圍巖最小、最大主應(yīng)力值略小于CD法。

② 應(yīng)力的分布范圍和主應(yīng)力最值出現(xiàn)的位置也有所不同：

a) 采用三臺階法開挖時，最小、最大主應(yīng)力的分布范圍要大于CD法；其最小主應(yīng)力主要分布在邊墻、拱腳處，最大主應(yīng)力主要分布在拱腰至拱腳處；從云圖上來看，隨著隧道掘進(jìn)面的前進(jìn)，最小主應(yīng)力的最大值向隧道縱深蔓延，并且在拱底處出現(xiàn)了拉應(yīng)力(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))，但是拉應(yīng)力范圍非常小。

b) 采用CD法開挖時，最小、最大主應(yīng)力的分布范圍要小于三臺階法；最小主應(yīng)力主要分布在邊墻、拱腳處，最大主應(yīng)力主要分布在拱腰至拱腳處；從云圖上來看，隨著隧道掘進(jìn)面的前進(jìn)，最小主應(yīng)力的最大值向隧道縱深蔓延，并且在拱頂、拱底處出現(xiàn)了拉應(yīng)力(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))，但是拉應(yīng)力范圍非常小。

　a) 最小主應(yīng)力等值線　

　b) 最大主應(yīng)力等值線　

表1 兩種開挖方法下Ⅴ級淺埋隧道層狀圍巖最小、最大主應(yīng)力值的比較MPa應(yīng)力三臺階法CD法最小主應(yīng)力-1.16-1.55最大主應(yīng)力-0.58-1.08

2.2塑性應(yīng)變特征

如圖3、圖4所示，采用三臺階法開挖時層狀圍巖的塑性區(qū)范圍較大，采用CD法開挖時層狀圍巖的塑性區(qū)范圍較小(其中：n表示該區(qū)域現(xiàn)在處于塑性狀態(tài)，p表示該區(qū)域過去屈服現(xiàn)在已離開屈服面恢復(fù)彈性狀態(tài))；但是塑性區(qū)的破壞形式基本上一樣：

1) 拱腰至拱腳的塑性區(qū)主要是由剪切破壞引起的，其中有一小部分塑性區(qū)是由剪切破壞和拉伸破壞共同引起的；但是這些塑性區(qū)都只是在開挖時出現(xiàn)過，支護(hù)做完穩(wěn)定后又恢復(fù)到了彈性狀態(tài)。

2) 采用三臺階法開挖時隧道拱頂和拱底的塑性區(qū)主要是由拉伸破壞引起的。采用CD法開挖時隧道拱頂?shù)乃苄詤^(qū)主要是由剪切破壞和拉伸破壞共同引起的，其中有一小部分塑性區(qū)是單獨(dú)由拉伸破壞引起的；其拱底的塑性區(qū)主要是由拉伸破壞引起的，其中有一小部分塑性區(qū)是由拉伸破壞和剪切破壞共同引起的；但是這些塑性區(qū)都只是在開挖時出現(xiàn)過，支護(hù)做完穩(wěn)定后又恢復(fù)到了彈性狀態(tài)。

圖3　三臺階法層狀圍巖的塑性區(qū)分布

圖4　CD法層狀圍巖的塑性區(qū)分布

2.3位移特征

1) 三臺階法對層狀圍巖穩(wěn)定性的影響。

采用三臺階法其層狀圍巖的位移分布見圖5。

　a) 三臺階法z方向位移等值線　

　b) 三臺階法x方向位移等值線　

2) CD法對層狀圍巖穩(wěn)定性的影響。

采用CD法其層狀圍巖的位移分布見圖6。

　a) CD法z方向位移等值線　

　b) CD法x方向位移等值線　

3) 位移特征對比、分析。

從表2中可以看出：

表2 兩種開挖方法下Ⅴ級淺埋隧道層狀圍巖各監(jiān)測點(diǎn)的x方向位移mm開挖方法左拱肩右拱肩左拱腰右拱腰左拱腳右拱腳三臺階法0.548-0.5631.038-1.0470.347-0.335CD法0.532-0.5511.001-1.2140.324-0.319

① 在Ⅴ級淺埋層狀圍巖條件下，不管是采用三臺階法施工還是采用CD法施工，隧道左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳的水平位移都是趨向于壓縮隧道(向里)的方向。

② 在Ⅴ級淺埋條件下，采用三臺階法施工時，隧道左拱肩、右拱肩、左拱腰、左拱腳、右拱腳的水平位移略大于CD法，但是右拱腰的水平位移略小于CD法。

從表3中可以看出：

表3 兩種開挖方法下Ⅴ級淺埋隧道層狀圍巖各監(jiān)測點(diǎn)的Z方向位移mm開挖方法拱頂拱底三臺階法-3.211.50CD法-2.771.45

① 在Ⅴ級淺埋條件下，不管是采用三臺階法

施工還是采用CD法施工，拱頂會產(chǎn)生沉降，拱底會凸起。

② 采用三臺階法施工時，拱頂、拱底產(chǎn)生的位移略大于CD法。

3結(jié)論

在Ⅴ級淺埋條件下，采用三臺階法施工時，隧道層狀圍巖的最小、最大主應(yīng)力值略小于CD法，但是其應(yīng)力分布范圍要大于CD法；層狀圍巖的塑性區(qū)范圍也較大；隧道的水平位移、拱頂、拱底產(chǎn)生的位移也略大于CD法。所以，采用CD法施工較適合Ⅴ級淺埋隧道的施工方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] Dias D，Janin J P.Three-dimensional face stability analysis of circular tunnels by numerical simulations[J].GeoCongress，2008，23(6)：886-893.

[2] Anagnostou G，Kovári K.The face stability of slurry-shield-driven tunnels[J].Tunnelling and Underground Space Technology，1994，9(2)：165-174.

[3] 王祥秋，楊林德，高文華.含軟弱夾層層狀圍巖地下洞室平面非線性有限元分析[J].巖土工程學(xué)報，2002(6)：729-732.

[4] 鐘放平.水平層狀圍巖隧道錨噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2008(1)：59-63.

[5] 李曉紅，夏彬偉，李丹，等.深埋隧道層狀圍巖變形特征分析[J].巖土力學(xué)，2010(4)：1163-1167.

文章編號：1008-844X(2016)02-0221-03

收稿日期:2016-01-07

作者簡介:李茂良( 1978-) ，男，工程師，研究方向: 橋梁與隧道工程。

中圖分類號：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B