復(fù)雜地質(zhì)中隧道施工數(shù)值模擬分析與研究

吳衛(wèi)強(qiáng),趙之連,葉 瓊，劉郭潔

(1.江西國泰五洲爆破工程有限公司， 江西 南昌 330038； 2.贛州有色冶金研究所，江西 贛州市 341000； 3.江西省新干中學(xué)， 江西 吉安市 331300)

復(fù)雜地質(zhì)中隧道施工數(shù)值模擬分析與研究

吳衛(wèi)強(qiáng)1,趙之連2,葉 瓊3，劉郭潔1

(1.江西國泰五洲爆破工程有限公司， 江西 南昌 330038； 2.贛州有色冶金研究所，江西 贛州市 341000； 3.江西省新干中學(xué)， 江西 吉安市 331300)

隧道開挖到復(fù)雜地質(zhì)時(shí)，由于條件不明而不能直接施工，為了得到相關(guān)參數(shù)，采用數(shù)值模擬分析隧道開挖時(shí)的位移和應(yīng)力變化，以此研究其穩(wěn)定性影響。模擬結(jié)果表明，泥土區(qū)域不適合直接開挖，否則會(huì)發(fā)生垮塌，在其開挖之前必須先進(jìn)行穩(wěn)定性加固，但是，泥土開挖對已經(jīng)支護(hù)的隧道的穩(wěn)定性影響非常小。因此，泥土區(qū)域被加固之后，可以對其進(jìn)行施工而不影響隧道的穩(wěn)定性。

隧道施工；泥土開挖；數(shù)值模擬；復(fù)雜地質(zhì)

0 引 言

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，鐵路與公路遍布祖國大地各個(gè)角落。在鐵路與公路施工中，不可避免地會(huì)遇到山嶺，為了道路的平直和節(jié)約成本等其它因素，不得不通過開挖隧道來貫穿山嶺。而地質(zhì)環(huán)境很難捉摸，即使進(jìn)行了地質(zhì)鉆探，也不敢完全斷定工程所在地的地質(zhì)條件，只能進(jìn)行大概的預(yù)測。在隧道開挖過程中，最常見的是遇到不連續(xù)介質(zhì)，比如泥石混雜、一段巖石一段泥土等，這些不連續(xù)介質(zhì)給隧道開挖帶來了很大的影響。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

隧道所在區(qū)域出露地層有第四系全新統(tǒng)、元古界庫里組、燕山期晚期。第四系全新統(tǒng)地層主要為發(fā)育于山坡處的殘坡積層；千枚巖為灰褐色，灰白色，全～強(qiáng)風(fēng)化，廣泛出露；花崗巖為褐黃色，全風(fēng)化，基巖組織結(jié)構(gòu)完全破壞，完全風(fēng)化呈砂土狀，原巖不易辯認(rèn)，部分礦物成分再生為次粘性礦物質(zhì)；隧道掘進(jìn)的區(qū)域主要為石灰?guī)r。

地表水系不發(fā)育，地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系孔隙潛水主要分布于山體頂部至半坡殘積層和全風(fēng)化層及山間谷地的沖洪積層中，水量較??；基巖裂隙水主要分布于低山區(qū)中節(jié)理、裂隙發(fā)育的基巖中，一般節(jié)理裂隙發(fā)育地帶水量較豐富。

1.2 工程背景

隧道屬于鐵路隧道，斷面較大，半徑約為7 m，計(jì)劃穿過山體一側(cè)。開挖到中途，逐漸遇到泥土，預(yù)估隧道要經(jīng)過一段長達(dá)20 m左右的泥土區(qū)域，這給工程施工帶來了很大的影響，如果貿(mào)然施工，隧道會(huì)出現(xiàn)塌方、沉降等問題，嚴(yán)重危及隧道施工安全。為了隧道施工的質(zhì)量和安全，必須對其進(jìn)行模擬分析，找出應(yīng)對之法[1]。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 隧道參數(shù)

隧道斷面7 m，開挖到200 m左右遇到一段20 m左右的泥土區(qū)域，泥土主要為黃土，在開挖泥土區(qū)域之前，對已經(jīng)開挖的隧道進(jìn)行了永久支護(hù)。隧道支護(hù)及時(shí)，每掘進(jìn)一段長度便立即進(jìn)行相應(yīng)的初期臨時(shí)支護(hù)，初期臨時(shí)支護(hù)為工字鋼和噴漿混合支護(hù)，而后進(jìn)行永久支護(hù)，永久支護(hù)為鋼筋混凝土襯砌，支護(hù)總厚度為0.5 m左右。

2.2 材料參數(shù)

隧道掘進(jìn)通過的區(qū)域，其中巖石主要為石灰?guī)r，泥土主要為黃土，通過查閱材料和工程類比等方法獲得材料參數(shù)[2-4]，見表1和表2。

表1 石灰?guī)r材料參數(shù)

表2 黃土材料參數(shù)

2.3 模型建立

本文采用flac3D軟件建立模型并進(jìn)行數(shù)值分析主要研究開挖泥土區(qū)域時(shí)隧道的變化，在遇到泥土區(qū)域之前，隧道已經(jīng)掘進(jìn)一段長度，并已經(jīng)進(jìn)行了永久支護(hù)。模型包括前期成型的隧道及周邊、泥土開挖區(qū)域及周邊和穿過泥土區(qū)域后的局部正常區(qū)域。模型如圖1和圖2所示，圖中黃色區(qū)域?yàn)槟嗤羺^(qū)域(見電子版)[5-6]。

圖1 隧道整體三維模型與網(wǎng)格劃分

圖2 隧道內(nèi)部三維模型與網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果與分析

主要分析泥土區(qū)域、與泥土區(qū)域接觸的隧道局部和其他位置的位移與應(yīng)力。以隧道進(jìn)口面的圓心為原點(diǎn)，重力方向反向?yàn)閆軸方向，隧道掘進(jìn)方向?yàn)閅軸方向，進(jìn)行了永久支護(hù)的隧道范圍在Y方向0～200 m，泥土區(qū)域范圍在Y方向200～220 m，正常區(qū)域范圍在Y方向220 m以后。模擬掘進(jìn)1 m，比較不同大小斷面掘進(jìn)的結(jié)果，通過不同斷面開挖的結(jié)果對比分析，研究泥土開挖的影響。

3.1 不同斷面開挖對比分析

圖3～圖6是采用不同斷面開挖泥土區(qū)域時(shí)同一個(gè)位置的Z位移等值線圖，由圖可知，在其他條件相同的情況下，依次減小開挖面積，開挖之后，泥土區(qū)域都會(huì)產(chǎn)生很大的位移，而且位移分布和位移值大小都很接近，這說明泥土區(qū)域不適合直接開挖，即使采用很小的斷面開挖，也會(huì)產(chǎn)生很大的位移，泥土區(qū)域因?yàn)殚_挖而垮塌；由圖也可知，最大位移都在開挖區(qū)域的兩側(cè)，其次在上部。

圖7～圖10是采用不同斷面開挖泥土區(qū)域時(shí)同一個(gè)位置的Z方向應(yīng)力等值線圖，由圖可知，應(yīng)力分布相似且應(yīng)力值大小很接近，從整體上看，越大斷面開挖對泥土區(qū)域的應(yīng)力影響越大；而圖中棕色區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力異常，應(yīng)力方向與重力方向相反。

圖3 全斷面Y軸200.9位移分布

圖4 半斷面Y軸200.9位移分布

圖5 四分之一斷面Y軸200.9位移分布

圖6 十分之一斷面Y軸200.9位移分布

圖7 全斷面Y軸200.9應(yīng)力分布

圖8 半斷面Y軸200.9應(yīng)力分布

圖9 四分之一斷面Y軸200.9應(yīng)力分布

圖10 十分之一斷面Y軸200.9應(yīng)力分布

圖11～圖14是不同斷面開挖時(shí)靠近泥土區(qū)域的隧道同一位置的Z位移等值線圖，從圖中可知，雖然泥土區(qū)域采用了不同的斷面開挖，但是進(jìn)行了永久支護(hù)的隧道產(chǎn)生的位移分布和位移值大小都極為接近，而且位移值非常小，這說明不管采用何種斷面開挖泥土區(qū)域，對已經(jīng)永久支護(hù)的隧道的影響很小。同時(shí)，從位移分布可知，隧道上部的位移相對其它部位較大。

圖11 全斷面Y軸199.9位移分布

圖12 半斷面Y軸199.9位移分布

圖13 四分之一斷面Y軸199.9位移分布

圖14 十分之一斷面Y軸199.9位移分布

圖15～圖19是不同斷面開挖時(shí)靠近泥土區(qū)域的隧道同一位置的Z方向應(yīng)力等值線圖，由圖可知，四種情況下的應(yīng)力分布幾乎一致，只是應(yīng)力值有些微小差別，大小順序分別為全斷面開挖、半斷面開挖、四分之一斷面開挖和十分之一斷面開挖，這表明泥土區(qū)域不同斷面開挖對隧道應(yīng)力影響雖然有大小之分，但是這些影響的差別很小，可以推斷泥土區(qū)域開挖對已經(jīng)支護(hù)的隧道影響非常小。另一方面，從圖可知應(yīng)力主要集中在隧道支護(hù)層左右兩側(cè)。

圖15 全斷面Y軸199.9應(yīng)力分布

圖16 半斷面Y軸199.9應(yīng)力分布

圖17 全斷面Y軸199.9應(yīng)力分布

圖18 半斷面Y軸199.9應(yīng)力分布

3.2 同一斷面開挖的不同位置分析

圖19～圖21是采用四分之一斷面開挖泥土區(qū)域時(shí)泥土區(qū)域部分位置Z位移等值線圖，從圖可知，越靠近泥土區(qū)域，位移分布越復(fù)雜且位移值相對越大；較大位移均在開挖部位兩側(cè)，其次在上部；產(chǎn)生的位移都很大，說明開挖之后泥土區(qū)域發(fā)生了垮塌。

圖19 四分之一斷面Y軸200.9位移分布

圖20 四分之一斷面Y軸200.5位移分布

圖21 四分之一斷面Y軸200.1位移分布

圖21～圖23是采用四分之一斷面開挖泥土區(qū)域時(shí)泥土區(qū)域部分位置Z方向應(yīng)力等值線圖，由圖可知，部分區(qū)域應(yīng)力異常，應(yīng)力方向與重力方向相反，說明開挖之后，泥土結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞。

圖22 四分之一斷面Y軸200.9應(yīng)力分布

圖23 四分之一斷面Y軸200.5應(yīng)力分布

圖24 四分之一斷面Y軸200.1應(yīng)力分布

圖25～圖26分別是采用四分之一斷面開挖泥土區(qū)域時(shí)靠近泥土區(qū)域和遠(yuǎn)離泥土區(qū)域的兩個(gè)隧道橫截面位移分布圖，由圖可知，兩者的位移都很接近且非常小，說明隧道整體受開挖的影響極小，而靠近泥土區(qū)域的隧道受開挖影響相對較大。

圖25 四分之一斷面Y軸199.9位移分布

圖26 四分之一斷面Y軸150位移分布

圖27～圖28分別是采用四分之一斷面開挖泥土區(qū)域時(shí)靠近泥土區(qū)域和遠(yuǎn)離泥土區(qū)域的兩個(gè)隧道橫截面應(yīng)力分布圖，由圖可知，隧道的較大應(yīng)力均集中在支護(hù)層兩側(cè)，靠近泥土區(qū)域的隧道應(yīng)力受開挖擾動(dòng)影響較大。

圖27 四分之一斷面Y軸199.9應(yīng)力分布

圖28 四分之一斷面Y軸150應(yīng)力分布

4 工程應(yīng)用

由以上分析可知，泥土區(qū)域可以進(jìn)行施工，施工對已經(jīng)永久支護(hù)的隧道的穩(wěn)定性影響非常小，但是不能直接對泥土區(qū)域直接開挖，因?yàn)橹苯娱_挖會(huì)發(fā)生垮塌，而應(yīng)該先對將開挖的區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性加固，以便于安全施工。進(jìn)行穩(wěn)定性加固的方式主要為注漿，在將開挖的區(qū)域四周鉆孔注漿，鉆孔密度為1 m1 m，注漿加固之后，泥土區(qū)域穩(wěn)定性加強(qiáng)，開挖之后，隧道受影響很小。

5 結(jié) 論

(1) 泥土區(qū)域不適合直接開挖，即使采用小斷面開挖，泥土區(qū)域也會(huì)發(fā)生大位移垮塌，而且斷面過小不利于施工；

(2) 模擬泥土區(qū)域直接開挖，可知已經(jīng)永久支護(hù)的隧道靠近泥土區(qū)域的部位受影響相對較大，但是整體受開挖影響都非常小，實(shí)際中可以對泥土區(qū)域進(jìn)行施工；

(3) 模擬直接對泥土區(qū)域開挖時(shí)，發(fā)現(xiàn)開挖部位兩側(cè)和上部位移較大，說明這些部位容易坍塌，在實(shí)際開挖之前，應(yīng)先對泥土區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性加固，特別是兩側(cè)和上部要進(jìn)行加固，可采用注漿等；

(4) 隧道較大的應(yīng)力主要集中在支護(hù)層兩側(cè)，說明實(shí)際施工中應(yīng)注意加強(qiáng)支護(hù)層兩側(cè)的強(qiáng)度。

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2017-02-05)

吳衛(wèi)強(qiáng)(1989-)，男，江西上饒人，碩士研究生，主要從事爆破工程、采礦工程等工作，Email：465719156@qq.com。