不同开挖方式下浅埋隧道施工数值模拟分析

李茂良， 龙钦初

(1.湖南湘潭公路桥梁建设有限责任公司， 湖南 湘潭　411104；　2.湘潭市公路管理局， 湖南 湘潭　411100)



不同开挖方式下浅埋隧道施工数值模拟分析

李茂良1， 龙钦初2

(1.湖南湘潭公路桥梁建设有限责任公司， 湖南 湘潭411104；2.湘潭市公路管理局， 湖南 湘潭411100)

摘要：伴随着交通基础设施的发展，层状围岩浅埋隧道在交通工程建设领域中越来越频繁地出现，而围岩稳定性对于浅埋隧道的施工尤为重要。以某隧道为例，利用数值模拟的方法研究不同开挖方法对浅埋隧道层状围岩力学特征的影响，从而合理地选择开挖方法指导层状围岩浅埋隧道的施工。

关键词：隧道施工； 层状围岩； 开挖方案； 数值模拟； 力学特征

0引言

伴随着交通基础设施的发展，层状围岩浅埋隧道在交通工程建设领域中越来越频繁地出现，浅埋隧道围岩稳定性一直是隧道工程研究的重点之一。围岩不稳定主要表现为岩爆、围岩或者衬砌开裂、顶板塌落、边墙挤入、底板隆起、地表沉降过大等，在隧道施工开挖过程中，围岩不稳定可能会诱发隧道塌方灾害，造成人员伤亡和施工机具损毁以致于财产损失，对社会造成不利的影响。因此，为确保隧道施工安全顺利的推进，近年来国内外众多学者对浅埋隧道围岩稳定性做了大量的研究，并得到了相应的科研成果。Dias D和Janin J P(1991)[1]利用三维数值模拟的方法，研究了隧道掌子面在压力盾构作业下的稳定性；Anagnostou和Kovári(1994)[2]通过建立三维模形对隧道掌子面的围岩稳定性进行了分析，推导了围岩力学平衡方程，得出确保掌子面稳定的最小支护力；王祥秋(2002)[3]研究了含软弱夹层层状围岩非线性有限元分析；钟放平(2008)[4]对层状围岩中隧道开挖支护措施进行了优化，利用现场试验和数值模拟的方法，分析了喷锚支护参数优化后锚杆受力和围岩变化特征；李晓红(2010)[5]利用现场监测和数值模拟的方法，研究了层状围岩中深埋隧道变形破坏特征。

本文以某隧道为例，利用数值模拟的方法研究不同开挖方法对浅埋隧道层状围岩变形和力学特性的影响规律，从而合理地选择开挖方法指导层状围岩浅埋隧道的施工，确保隧道施工的安全推进。

1工程背景

D隧道为双向分离式4车道公路隧道，行车速度设计值为50 km/h。左洞起止里程：LK43+696.11、LK43+919.67，长223.56 m，起止点高程分别为776.27 m、769.57 m；右洞起止里程：K43+675、K43+905，起止点高程分别为775.99 m、767.67 m。隧道为直线单向纵坡隧道，隧道左洞的坡度设计值是-1.22%，隧道右洞的坡度设计是-1.5%。隧道左线埋深最大值约为86 m，右线埋深最大约为87 m。洞身有存在几处埋深比较浅工段，最小埋深约为14 m。

隧道左线LK43+696.11、LK43+919.67，右线K43+675、K43+905均2次穿越煤巷采空区下部(最小距离约80 m)，3次穿越含煤层。穿越煤巷采空区下部有可能遇到煤巷积水突涌。隧道左线LK44+067～LK44+077，右线K44+063～K44+070在施工过程中为溶洞。隧道最大埋深约415.6 m，大多数地段埋深超过100 m，洞口段为浅埋，本文在考虑岩体层理特征的条件下，结合隧址区的地质构造特征，对洞口浅埋段Ⅴ级层状围岩进行数值模拟，分析了层状围岩在不同开挖方法下的力学特征。根据隧道的工程概况，浅埋地段为Ⅴ级围岩，埋深取20 m，其用于比较的施工方案为三台阶法、CD法。

2不同开挖方案对层状岩体隧道力学特征的影响

2.1应力特征

1) 三台阶法对层状围岩稳定性的影响。

采用三台阶法其最小、最大主应力等值线见图1。

　a) 最小主应力等值线　

　b) 最大主应力等值线　

2) CD法对层状围岩稳定性的影响。

采用CD法其最小、最大主应力等值线见图2。

从表1中两种开挖方法的最小和最大主应力值对比可以看出：

① 采用三台阶法施工得到的隧道层状围岩最小、最大主应力值略小于CD法。

② 应力的分布范围和主应力最值出现的位置也有所不同：

a) 采用三台阶法开挖时，最小、最大主应力的分布范围要大于CD法；其最小主应力主要分布在边墙、拱脚处，最大主应力主要分布在拱腰至拱脚处；从云图上来看，随着隧道掘进面的前进，最小主应力的最大值向隧道纵深蔓延，并且在拱底处出现了拉应力(拉应力为正，压应力为负)，但是拉应力范围非常小。

b) 采用CD法开挖时，最小、最大主应力的分布范围要小于三台阶法；最小主应力主要分布在边墙、拱脚处，最大主应力主要分布在拱腰至拱脚处；从云图上来看，随着隧道掘进面的前进，最小主应力的最大值向隧道纵深蔓延，并且在拱顶、拱底处出现了拉应力(拉应力为正，压应力为负)，但是拉应力范围非常小。

　a) 最小主应力等值线　

　b) 最大主应力等值线　

表1 两种开挖方法下Ⅴ级浅埋隧道层状围岩最小、最大主应力值的比较MPa应力三台阶法CD法最小主应力-1.16-1.55最大主应力-0.58-1.08

2.2塑性应变特征

如图3、图4所示，采用三台阶法开挖时层状围岩的塑性区范围较大，采用CD法开挖时层状围岩的塑性区范围较小(其中：n表示该区域现在处于塑性状态，p表示该区域过去屈服现在已离开屈服面恢复弹性状态)；但是塑性区的破坏形式基本上一样：

1) 拱腰至拱脚的塑性区主要是由剪切破坏引起的，其中有一小部分塑性区是由剪切破坏和拉伸破坏共同引起的；但是这些塑性区都只是在开挖时出现过，支护做完稳定后又恢复到了弹性状态。

2) 采用三台阶法开挖时隧道拱顶和拱底的塑性区主要是由拉伸破坏引起的。采用CD法开挖时隧道拱顶的塑性区主要是由剪切破坏和拉伸破坏共同引起的，其中有一小部分塑性区是单独由拉伸破坏引起的；其拱底的塑性区主要是由拉伸破坏引起的，其中有一小部分塑性区是由拉伸破坏和剪切破坏共同引起的；但是这些塑性区都只是在开挖时出现过，支护做完稳定后又恢复到了弹性状态。

图3　三台阶法层状围岩的塑性区分布

图4　CD法层状围岩的塑性区分布

2.3位移特征

1) 三台阶法对层状围岩稳定性的影响。

采用三台阶法其层状围岩的位移分布见图5。

　a) 三台阶法z方向位移等值线　

　b) 三台阶法x方向位移等值线　

2) CD法对层状围岩稳定性的影响。

采用CD法其层状围岩的位移分布见图6。

　a) CD法z方向位移等值线　

　b) CD法x方向位移等值线　

3) 位移特征对比、分析。

从表2中可以看出：

表2 两种开挖方法下Ⅴ级浅埋隧道层状围岩各监测点的x方向位移mm开挖方法左拱肩右拱肩左拱腰右拱腰左拱脚右拱脚三台阶法0.548-0.5631.038-1.0470.347-0.335CD法0.532-0.5511.001-1.2140.324-0.319

① 在Ⅴ级浅埋层状围岩条件下，不管是采用三台阶法施工还是采用CD法施工，隧道左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚的水平位移都是趋向于压缩隧道(向里)的方向。

② 在Ⅴ级浅埋条件下，采用三台阶法施工时，隧道左拱肩、右拱肩、左拱腰、左拱脚、右拱脚的水平位移略大于CD法，但是右拱腰的水平位移略小于CD法。

从表3中可以看出：

表3 两种开挖方法下Ⅴ级浅埋隧道层状围岩各监测点的Z方向位移mm开挖方法拱顶拱底三台阶法-3.211.50CD法-2.771.45

① 在Ⅴ级浅埋条件下，不管是采用三台阶法

施工还是采用CD法施工，拱顶会产生沉降，拱底会凸起。

② 采用三台阶法施工时，拱顶、拱底产生的位移略大于CD法。

3结论

在Ⅴ级浅埋条件下，采用三台阶法施工时，隧道层状围岩的最小、最大主应力值略小于CD法，但是其应力分布范围要大于CD法；层状围岩的塑性区范围也较大；隧道的水平位移、拱顶、拱底产生的位移也略大于CD法。所以，采用CD法施工较适合Ⅴ级浅埋隧道的施工方法。

参考文献：

[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，杨林德，高文华.含软弱夹层层状围岩地下洞室平面非线性有限元分析[J].岩土工程学报，2002(6)：729-732.

[4] 钟放平.水平层状围岩隧道锚喷支护参数优化试验研究[J].铁道科学与工程学报，2008(1)：59-63.

[5] 李晓红，夏彬伟，李丹，等.深埋隧道层状围岩变形特征分析[J].岩土力学，2010(4)：1163-1167.

文章编号：1008-844X(2016)02-0221-03

收稿日期:2016-01-07

作者简介:李茂良( 1978-) ，男，工程师，研究方向: 桥梁与隧道工程。

中图分类号：U 455

文献标识码：B