查洲陽 趙志強(qiáng)

1 概述

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，地下工程難免會(huì)通過褶皺構(gòu)造、斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育地帶，由于圍巖本身的不穩(wěn)定和受地質(zhì)構(gòu)造作用而被切割成碎塊，致使其結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低，加之節(jié)理面有泥質(zhì)物及巖屑充填，并且由于支護(hù)的不及時(shí)而使圍巖暴露時(shí)間過長，或因其通過斷層，突然遇到較高水壓富水洞段，地下水向洞室內(nèi)漏出，掏空了斷層構(gòu)造帶中破碎巖體和充填物，或由于巖層產(chǎn)狀的不利，或因巖爆等諸多地質(zhì)原因而產(chǎn)生隧道施工過程中不同程度的塌方、突水和涌水、洞體縮徑和支護(hù)開裂［1］。因此隧道施工中的地質(zhì)災(zāi)害問題常常是影響隧道施工的關(guān)鍵問題。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

大瑤山隧道區(qū)屬南嶺山系，其中一號(hào)隧道屬構(gòu)造剝蝕～溶蝕切割中低山、低山地貌，進(jìn)口至DK1909+730段為碳酸鹽巖分布區(qū)，主要巖溶形態(tài)為溶峰、溶谷，表層溶溝、溶槽、石芽等較發(fā)育，地形起伏較小;DK1909+730至出口段為碎屑巖～淺變質(zhì)巖分布區(qū)，屬構(gòu)造剝蝕型低山，最大相對(duì)高差達(dá)750 m，陡坡、峽谷極為發(fā)育。

3 隧道施工過程數(shù)值模擬方法及ADINA實(shí)現(xiàn)

3.1 基本模擬思想

隧道開挖時(shí)破壞了巖體內(nèi)原有的應(yīng)力平衡，在圍巖內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)地應(yīng)力的作用下，均將力沿最短距離向消除了阻力的自由面方向移動(dòng)，引起圍巖內(nèi)應(yīng)力的重新分布，以達(dá)到最新的平衡，形成二次應(yīng)力場。但限于目前的計(jì)算手段，用真三維的計(jì)算模型來模擬上述復(fù)雜的地層特征和施工條件是很難辦到的，昂貴的計(jì)算費(fèi)用和有限的計(jì)算機(jī)內(nèi)存使人們束手無策，但可采用適當(dāng)簡化的模型，以盡量逼近真實(shí)原型。

現(xiàn)實(shí)中最常用的便是將地下結(jié)構(gòu)按平面應(yīng)變問題進(jìn)行計(jì)算，又因?yàn)閹r體的流變參數(shù)獲取困難，有時(shí)甚至不考慮巖體的流變特性，僅按現(xiàn)彈性或彈性處理，為此比較真實(shí)地模擬施工過程，常采用“應(yīng)力逐步釋放方法”來模擬隧道開挖與支護(hù)的時(shí)空效應(yīng)，本文將用“單元生死”方法來具體實(shí)現(xiàn)。其Ⅳ類圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 Ⅳ類圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 開挖斷面說明

1 )開挖①部，施工支護(hù)Ⅰ。2)開挖②部，施工支護(hù)Ⅱ，同①部。3)開挖③部，施作Ⅲ。4)開挖④部，支護(hù)Ⅳ，同③部。5)開挖⑤部，施作支護(hù)Ⅴ。6)開挖⑥部，同⑤部。7)拆除臨時(shí)支護(hù)。8)施作仰拱填充混凝土及全斷面施作二次襯砌(見圖1)。

3.3 邊界條件和初始地應(yīng)力場

為了確定力邊界條件，必須首先確定巖體內(nèi)的初始應(yīng)力場。常用的方法是根據(jù)自重應(yīng)力場及構(gòu)造應(yīng)力場的特點(diǎn)，確定比較符合計(jì)算區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)的力邊界條件，并利用部分量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和修正。自重應(yīng)力場的特點(diǎn)是垂直及水平方向?yàn)橹鲬?yīng)力方向，主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其大小與深度有關(guān)而與水平位置及時(shí)間無關(guān)。錨桿長度2.5m，間距0.5 m，跨度13.4 m，高度11 m，計(jì)算區(qū)域取左右兩側(cè)和上下兩側(cè)分別向外延伸隧道跨度和高度的5倍，其網(wǎng)格圖及標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖見圖2，圖3。

3.4 模擬結(jié)果分析

開挖到支護(hù)完畢達(dá)到最終變形，模擬分為了14步。由圖4看出在開挖支護(hù)完畢后隧道圍巖豎向位移變化，最大下沉值為0.162 3 m，最大回彈為0.168 8 m。繪制出拱頂下沉隨著時(shí)間步的變化曲線圖(見圖5)，每步開挖拱頂下沉都會(huì)突然增大，每步支護(hù)都會(huì)使下沉維持平衡，所以呈臺(tái)階狀，時(shí)間第8步以后位移變化不大，表示變形達(dá)到穩(wěn)定。由應(yīng)力隨時(shí)間步驟變化可以看出最初每逢開挖支護(hù)階段應(yīng)力就會(huì)突變(見圖6)，時(shí)間6步以后變化率逐漸減小，8步以后基本平衡，與位移變化規(guī)律吻合，表示應(yīng)力變化達(dá)到穩(wěn)定。隧道底隨開挖步驟的回彈變化同樣在開挖時(shí)陡然增大(見圖7)，支護(hù)時(shí)保持穩(wěn)定，時(shí)間第8步以后維持平衡狀態(tài)。到支護(hù)完畢變形穩(wěn)定時(shí)，錨桿所受最終錨固力為33.447 MPa，為錨桿設(shè)計(jì)布置提供了參考。監(jiān)測(cè)歷程為DK1917+960，實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)比，從開始到最終變形穩(wěn)定，曲線大概變化趨勢(shì)相似，最終收斂實(shí)測(cè)值為29.68 mm，計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值為32.01 mm，二者大小接近(見圖8，圖9)。

從圖10可以清晰的看出各巖層水平位移變化，實(shí)測(cè)橫向收斂值為39.5 mm，數(shù)值模擬值為36.2 mm，二者數(shù)值接近。由豎向、水平位移變形云圖可以看出，最大變形均在支護(hù)結(jié)構(gòu)的銜接處，所以在施工中尤其要注意對(duì)支護(hù)銜接處的特殊處理，減少應(yīng)力集中造成的危害，提高支護(hù)作用，避免事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)大瑤山隧道應(yīng)力變形場的監(jiān)測(cè)分析和數(shù)值模擬研究，得到了以下的結(jié)論與認(rèn)識(shí):

1 )針對(duì)斷面DK1917+960處運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)位移值進(jìn)行對(duì)比，二者數(shù)值接近，并且在支護(hù)銜接處容易造成應(yīng)力集中，變形最大，考慮到支護(hù)的有效、可靠必須處理好支護(hù)之間的銜接處。2)對(duì)圍巖應(yīng)力變形場隨開挖變形變化規(guī)律分析得出:該隧道開挖后拱頂最大下沉值為0.162 3 m，拱底最大回彈為0.168 8 m;模擬隧道開挖變形最終穩(wěn)定時(shí)，錨桿的錨固力為33.447 MPa，錨桿設(shè)計(jì)時(shí)可以參考該值。3)根據(jù)模擬隧道開挖變形隨時(shí)間步的變化得出結(jié)論:每逢開挖步時(shí)，隧道變形會(huì)突變，每逢支護(hù)時(shí)變形緩和，所以開挖時(shí)應(yīng)盡量減少擾動(dòng)，避免出現(xiàn)事故。

［1］ 劉 宏.隧道塌方的預(yù)防措施［J］.中南公路工程，2000 (10)：97-99.

［2］ 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］ 孫 均.地下工程設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［4］ 易匯萍麗.現(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：中國鐵道出版社，1986.

［5］ 王毅才.隧道工程(上、下冊(cè))［M］.北京：人民交通出版社，1987(上冊(cè))，1993(下冊(cè)).

［6］ 王明年.三車道隧道模型實(shí)驗(yàn)研究及有限元分析［J］.公路，1995(19)：75-77.

［7］ JTJ 024-94，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.