冲沟走向对大跨软岩隧道稳定性影响研究

刘伟

(陕西省公路局，陕西西安 710068)

0 引言

本文以京新高速公路集宁至呼和浩特段旗下营隧道为研究背景，该隧道区属剥蚀丘陵山地地貌，地形起伏较大，进出口均处于山前斜坡地带，山坡处于稳定状态。隧道所处工程地质情况:隧址区上覆为第四系更新统坡积成因的粉土、砾砂、粉土及碎石，下伏基岩为上太古界集宁群花岗岩。隧址区地表水不发育，隧道山体冲沟发育，雨季雨水汇集可产生暂时性水流。因此在该地区冲沟对围岩稳定性的影响较大，有待进一步研究。

本文以集呼高速旗下营隧道为依托，运用ABAQUS有限元软件建立隧道三维模型，数值模拟了不同冲沟走向对隧道围岩稳定性的影响。结果表明，冲沟的存在对隧道拱顶沉降的影响较大，对隧道的周边收敛影响相对较小。冲沟走向平行隧道轴线方向时，冲沟对隧道围岩拱顶沉降和周边收敛影响较大。所得结论可为冲沟密布地区隧道施工提供理论参考。

1 有限元模型

1.1 隧道开挖支护工艺

现场施工时，隧道采用两台阶五步开挖工艺，隧道开挖支护顺序如图1所示。开挖顺序为1，4，6，8，10;2，3，5，7，9，11为初期支护，紧跟开挖步施工。上台阶超前10 m后，上下台阶按每进尺2 m循环开挖施工。

图1 隧道开挖支护工艺（单位：cm）

本文数值分析时，上台阶开挖总进尺为40 m，下台阶开挖总进尺为30 m。

1.2 有限元模型及参数选取

有限元模型采用平面应变弹塑性模型，岩体初始应力只考虑自重，计算模型水平方向左右边界取距隧道左右边墙50 m，垂直方向边界取至地表20 m，下边界取距隧道底面60 m，左右边界为水平约束，下边界为垂直约束。

本文就与隧道纵向垂直、与隧道纵向平行两种冲沟走向进行模拟，来分析冲沟走向对隧道开挖后围岩稳定性的影响。图2给出了横向冲沟，纵向冲沟，无冲沟隧道的三维模型。模型的纵向长度为40 m。计算参数见表1。冲沟是在隧道断面上部，冲沟上部最大宽度为10 m，深度为15 m。其中与隧道垂直的冲沟所在位置，为沟底距模型开挖进口断面15 m处，与隧道平行冲沟的位置在隧道正上方。

图2 冲沟不同走向时网格模型

1.3 计算参数选取

本次计算采用Mohr-Coulomb等面积圆屈服准则，其表达式为:

其中，I1，J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量:

α，k分别为与岩土材料内摩擦角φ和粘聚力c有关的常数，α，k满足下列表达式:

Mohr-Coulomb等面积圆屈服准则是与Mohr-Coulomb破坏准则准确匹配的岩土材料塑性屈服准则，应用Mohr-Coulomb等面积圆屈服准则可取得较为精确的结果。

围岩初始地应力在考虑自重应力达到平衡情况下进行开挖模拟。围岩采用实体单元进行模拟，初期支护采用ABAQUS中的具有追踪功能的单元模拟，锚杆加固区通过强度等效法进行模拟。开挖过程中的应力释放通过强度折减法［1］实现。

围岩及支护结构的参数见表1。

2 数值结果

2.1 隧道拱顶沉降分析

图3给出了拱顶沉降沿隧道纵向变化趋势图。由图3可知，纵向冲沟下的隧道拱顶沉降最大，横向冲沟下的隧道拱顶沉降最小。

无冲沟情况下，前20 m内拱顶沉降值变化不大;由于距掌子面距离的减小，拱顶沉降值随之降低，特别是22 m处拱顶沉降变化明显。有横向冲沟情况下，前14 m内拱顶沉降值变化不大，在冲沟位置附近拱顶沉降值显著降低，而后略有上升。而沿隧道轴线走向的冲沟存在时隧道拱顶沉降最大，但其沿隧道轴向变化趋势与无冲沟情况下基本一致。

图3 拱顶沉降沿隧道纵向变化趋势图

图4 水平净空收敛沿隧道纵向变化趋势图

2.2 隧道周边收敛分析

图4给出了水平净空收敛沿隧道纵向变化趋势图。

由图4可知，三种情况下，沿隧道轴向边墙位置收敛值变化趋势基本一致，有纵向冲沟时收敛值最大，横向冲沟存在时收敛值最小;边墙位置水平净空收敛沿隧道纵向呈阶梯形变化。

沿隧道轴向拱腰位置收敛值变化趋势亦基本一致，无冲沟时收敛值最大，纵向冲沟存在时收敛值最小;拱腰位置收敛值均小于边墙位置。

3 结语

本文以集呼高速旗下营隧道为依托，运用ABAQUS有限元软件，数值模拟了不同冲沟走向对隧道围岩稳定性的影响，得到了一些有益结论。冲沟的存在对隧道拱顶沉降的影响较大，对隧道的周边收敛影响相对较小。隧道施工过程中，应加强拱顶沉降的监控量测与控制工作。

冲沟走向垂直于隧道走向时，冲沟对隧道围岩拱顶沉降和周边收敛影响不大。冲沟走向平行隧道轴线方向时，冲沟对隧道围岩拱顶沉降和周边收敛影响较大。当存在平行于隧道轴线方向的冲沟时需加强围岩支护，必要时可对冲沟进行处理，以保证隧道安全施工。

［1］ 张黎明，郑颖人，王在泉，等.有限元强度折减法在公路隧道中的应用探讨［J］.岩土力学，2007，28(1)：97-106.