软弱隧道环形预留核心土开挖过程数值分析

冯家鑫 郇 澜

1 工程概况

昆仑隧道位于大埔县银江镇昆仑—大麻镇岌头村之间，本隧道为分离式长隧道，起止桩号左线ZK42+180～ZK44+975，长2 795 m;右线 K42+193～K44+998，长2 805 m。

隧道穿越昆仑山，为丘陵地貌，起伏较大。隧道进口位于山体西坡，坡度较缓，基本与等高线正交，山上植被为桉树林，覆盖层较厚，出口位于冲沟南侧山嘴处，山间植被茂密，基本为松树、农田和灌木。

隧址区内地层结构较为复杂，地质构造复杂，岩性变化很大，勘察揭露隧道址区内存在有较多的断裂构造带，隧址区地层上部为第四纪残坡积层覆盖，下伏基岩为侏罗系漳平组(J2zh)砂岩、泥质岩以及前泥盆系(AnD)变质砂岩、板岩。隧道埋深较浅。隧道开挖断面高度为10.38 m，宽12.92 m。

2 有限元模型的建立

2.1 计算范围

根据圣维南原理，开挖只在洞周一定范围内引起应力重分布。实践和理论分析表明，在均质弹性无限域中开挖的圆形隧道，由于荷载释放而引起的洞室周围介质的应力和位移的变化，在5倍洞径范围之外将小于1%，在3倍洞径之外约小于5%。因此，依据工程的具体要求和有限元法的离散误差以及计算误差，一般选取的计算范围沿洞径各个方向均不小于3倍～5倍洞径［1-3］。因此，隧道几何模型的取值范围左右两侧从隧道中心向外各延深50 m，上下部边界均取为30 m。

2.2 计算参数的确定

根据工程勘察报告，并结合《公路隧道设计规范》［4］，选取的岩土体参数为:弹性模量E=200 MPa，泊松比μ=0.4，重度γ=20 kN/m3，凝聚力 c=55 kPa，内摩擦角 φ =29.5°。

初期支护结构的弹性模量 E=25 GPa，μ =0.20，γ =30 kN/m3。

2.3 施工工序模拟

进行有限元模拟时，将整个施工过程分为7步:

第1步:自重应力场计算;

第2步:开挖上台阶;

第3步:支护上台阶;

第4步:开挖核心土;

第5步:开挖下台阶;

第6步:支护下台阶;

第7步:开挖仰拱;

第8步:支护仰拱。

3 计算结果分析

3.1 围岩应力场分析

隧道在没有开挖前，围岩在自重应力作用下处于初始应力状态，开挖隧道后引起围岩应力重新分布，使围岩处于二次应力状态和三次应力状态。研究开挖过程中应力发展变化规律(见图1)，为隧道围岩和支护结构稳定性分析提供依据。

图1 各工序开挖后第一主应力等值线图

根据计算结果，对不同工序下围岩拱顶、左右拱脚、左右边墙及仰拱的中点六个关键点的应力分布情况进行提取，具体见表1。

表1 各关键点的第一、第三主应力MPa

从表1各关键点第一、第三主应力中可以看出，上台阶开挖后拱顶处于受拉状态，左右拱脚出现应力集中。核心土开挖后，对各监测点处的第一、第三主应力影响很小。下台阶开挖后，左右边墙脚出现应力集中。在仰拱支护施作后，拱顶岩体由受拉状态转为受压状态，左右拱脚和左右边墙脚的受力得到了改善。因此在软弱隧道环形预留核心土开挖过程中，要加强对拱顶、左右拱脚和左右边墙脚的支护，防止受拉和应力集中的部位围岩坍塌，并且应该及时施作仰拱，来改善围岩的整体受力。

3.2 围岩位移场分析

根据计算结果，对不同工序下围岩拱顶、左右拱腰、左右边墙及仰拱的中点六个关键点的x，y方向的位移进行提取，具体见表2。

从表2中可以看出，最大水平位移发生在左右边墙中部。拱顶竖向位移在隧道开挖后发生了较大变化，上台阶开挖后拱顶处位移量达2.93 mm，下台阶开挖后位移量又有所增加，这是由于随着开挖断面的增大，围岩体应力重新调整的结果，当仰拱施作后，拱顶位移有所减小，为2.87 mm，这表明施作仰拱对拱顶竖向位移有一定的限制作用。左右拱腰处的水平位移和竖向位移，在上台阶开挖后，达到总位移的70%以上，这说明要加强上台阶的支护。左右边墙中部向上隆起，在施作仰拱后，明显减小。拱顶和仰拱中点处的水平位移为0，这是因为在数值模拟时，取的模型是对称模型。

表2 各关键点x，y方向位移值mm

4 结语

本文以昆仑隧道Ⅴ级围岩段环形预留核心土开挖过程为研究对象，利用数值模拟的方法，得到各个施工工序的应力和位移的变化规律，得出了一些对施工有益的结论。

1)软弱隧道在运用环形预留核心土开挖方法时，应加强对拱顶、左右拱脚和左右边墙脚的支护，防止围岩因受拉和应力集中引发坍塌，并且应该及时施作仰拱，来改善围岩的整体受力。

2)核心土对围岩水平方向和竖直方向的应力和位移的变化有影响，但是影响不大。

3)拱顶竖向位移值以及左右拱腰处的水平位移和竖向位移，在上台阶开挖后，达到总位移的70%以上，这表明加强上台阶的支护可以有效的控制位移的变形值。

［1］ 阳志元.大断面浅埋暗挖隧道施工过程数值模拟［J］.山西建筑，2008，34(9):318-320.

［2］ 张小旺.浅埋隧道施工过程仿真分析［D］.郑州:郑州大学硕士学位论文，2003.

［3］ 王茂和，刘学增，何燕云.龙山浅埋大跨连拱隧道施工过程的数值模拟［J］.山西建筑，2007，33(23):307-308.

［4］ JTG D70-2004，公路隧道设计规范［S］.

［5］ 霍润科，王艳波，宋战平，等.黄土隧道初期支护性能分析［J］.岩土力学，2009，30(2):287-290.