王鐵軍

(中鐵電氣化局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西西安 710032)

大跨軟巖隧道兩臺階法合理開挖比例的數(shù)值研究

王鐵軍

(中鐵電氣化局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西西安 710032)

以集呼高速旗下營隧道為例，建立隧道二維有限元模型，并對計算參數(shù)的選取進(jìn)行了探討，研究了Ⅳ級圍巖下兩臺階施工時不同臺階比例對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明，隧道兩臺階開挖上下臺階比例為1．4時，隧道施工對圍巖的穩(wěn)定性影響較小，可以保證施工的安全。

兩臺階，臺階比例，大跨隧道，圍巖穩(wěn)定

0 引言

本文以京新高速公路集寧至呼和浩特段旗下營隧道為研究背景，該隧道區(qū)屬剝蝕丘陵山地地貌，地形起伏較大，進(jìn)出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。隧道所處工程地質(zhì)情況：隧址區(qū)上覆為第四系更新統(tǒng)坡積成因的粉土、礫砂、粉土及碎石，下伏基巖為上太古界集寧群花崗巖。

本文以集呼高速旗下營隧道為依托，運用ABAQUS有限元軟件建立隧道二維模型，數(shù)值模擬了兩臺階開挖時不同臺階比例對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，大跨軟巖隧道兩臺階施工時上下臺階比例過小，圍巖豎向位移變化較大，上下臺階比例過大，初期支護(hù)拉、壓應(yīng)力峰值［1］較大。經(jīng)過分析比較認(rèn)為上下臺階比例為1．4時，隧道施工時圍巖穩(wěn)定性較好，且有利于機(jī)械的展開和出渣的方便。

1 有限元模型

1．1 隧道開挖支護(hù)工藝

現(xiàn)場施工時，隧道采用兩臺階五步開挖工藝，隧道開挖支護(hù)順序如圖1所示。

1．2 有限元模型及參數(shù)選取

有限元模型采用平面應(yīng)變彈塑性模型，巖體初始應(yīng)力只考慮自重，計算模型水平方向左右邊界取距隧道左右邊墻80 m，垂直方向邊界取至地表60 m，下邊界取距隧道底面75 m，左右邊界為水平約束，下邊界為垂直約束。

本文就兩臺階施工方法下不同臺階比例的開挖情況進(jìn)行模擬，來分析臺階比例對隧道開挖后圍巖穩(wěn)定性的影響。圖2給出了開挖隧道的網(wǎng)格劃分情況。開挖臺階比例分別為：1)上下臺階比例0．7;2)上下臺階比例1．0;3)上下臺階比例1．4;4)上下臺階比例 2．0。

1．3 計算參數(shù)選取

本次計算采用Mohr-Coulomb等面積圓屈服準(zhǔn)則，其表達(dá)式為：

其中，I1，J2分別為應(yīng)力張量的第一不變量和應(yīng)力偏張量的第二不變量，其中：

α，k是與巖土材料內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c有關(guān)的常數(shù)，α，k滿足下列表達(dá)式：

Mohr-Coulomb等面積圓屈服準(zhǔn)則是與Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則準(zhǔn)確匹配的巖土材料塑性屈服準(zhǔn)則，應(yīng)用Mohr-Coulomb等面積圓屈服準(zhǔn)則可取得較為精確的結(jié)果。

圍巖初始地應(yīng)力在考慮自重應(yīng)力達(dá)到平衡情況下進(jìn)行開挖模擬。圍巖采用實體單元進(jìn)行模擬，初期支護(hù)采用ABAQUS中的具有追蹤功能的單元模擬，錨桿加固區(qū)通過強(qiáng)度等效法進(jìn)行模擬。開挖過程中的應(yīng)力釋放通過強(qiáng)度折減法［2］實現(xiàn)。

圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

2 數(shù)值結(jié)果

2．1 隧道周邊位移分析

圖3為拱頂沉降隨開挖步變化趨勢圖。由圖3可知，隨開挖步的進(jìn)行，拱頂沉降逐漸增大，在第3開挖步完成后達(dá)到峰值，而后略有減小并逐漸趨于穩(wěn)定。上臺階開挖完后，四種臺階比例開挖情況下的拱頂沉降值基本在6 mm左右，下臺階開挖產(chǎn)生了2 mm左右的沉降。上臺階比例越小，上臺階開挖完后拱頂沉降相對較小，下臺階開挖完后最終拱頂沉降相對較大。

圖3 開挖步—拱頂沉降圖

圖4給出了拱腰處收斂值隨開挖步變化趨勢圖，數(shù)值分析中，收斂值測點位于第1開挖步區(qū)域內(nèi)。由圖4可知，上臺階開挖比例越大，收斂值基本呈增加趨勢。隨著上臺階開挖比例的增大，拱腰處應(yīng)及時加固，以防止圍巖變形過大，保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖4 開挖步—拱腰收斂圖

2．2 支護(hù)襯砌應(yīng)力分析

圖5給出了初期支護(hù)峰值拉應(yīng)力隨開挖步變化趨勢圖。不難看出，四種開挖比例下，初期支護(hù)峰值拉應(yīng)力隨開挖步的進(jìn)行呈先增大后減小的趨勢;原因是第5開挖步完成后初期支護(hù)封閉成環(huán)，使得其受力均勻。上臺階開挖比例越大，初期支護(hù)受到的峰值拉應(yīng)力越大;上臺階開挖比例為2．0時，初期支護(hù)峰值拉應(yīng)力約為0．58 MPa，但其小于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，不會威脅到初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

圖5 初支峰值拉應(yīng)力—開挖步變化趨勢圖

圖6給出了初期支護(hù)峰值壓應(yīng)力隨開挖步變化趨勢圖。由圖6易知，四種開挖比例下，第1和第2開挖步期間初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力呈增大趨勢，最大值出現(xiàn)在第2開挖步完成后上臺階開挖比例為2．0的情況下，初期支護(hù)峰值壓應(yīng)力約為10．77 MPa。第3～第5開挖步過程中初期支護(hù)峰值壓應(yīng)力逐漸降低，原因是當(dāng)?shù)?開挖步完成后，上臺階拱腳位置因幾何形狀造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象不再存在，使得初期支護(hù)壓應(yīng)力迅速減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 初支峰值壓應(yīng)力—開挖步變化趨勢圖

2．3 合理開挖比例的選擇

參照圖3～圖6的分析結(jié)果，并結(jié)合大跨軟巖隧道兩臺階開挖時施工機(jī)械的適用性及出渣的便宜性，研究認(rèn)為大跨軟巖隧道施工時，上下臺階開挖比例為1．4時較為合理。

3 結(jié)語

本文以集呼高速旗下營隧道為依托，運用ABAQUS有限元軟件，數(shù)值分析了大跨軟巖隧道兩臺階開挖時不同開挖比例時的圍巖穩(wěn)定性，結(jié)論如下：兩臺階開挖時上下臺階比例過小，隨開挖步的進(jìn)行圍巖拱頂沉降和拱腰處收斂值變化明顯;上下臺階比例過大，初期支護(hù)拉、壓應(yīng)力峰值較大。大跨軟巖隧道兩臺階施工時，上下臺階比例為1．4時較為合理。

［1］黃宏偉．大風(fēng)埡口巖石公路隧道圍巖及初期支護(hù)變形與內(nèi)力研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(1)：44-52．

［2］張黎明，鄭穎人，王在泉，等．有限元強(qiáng)度折減法在公路隧道中的應(yīng)用探討［J］．巖土力學(xué)，2007，28(1)：97-106．

The numerical research on two steps method reasonable excavating proportion of large-span soft rock tunnel

WANG Tie-jun

(Xi’an Railway Engineering Co．，Ltd of China Railway Electrification Bureau Group，Xi’an 710032，China)

Taking Qixiaying tunnel in Ji-Hu high-speed as an example，this paper built tunnel two-dimensional finite element model，and discussed the calculation parameters selection，researched the influence of different step ratio to tunnel surrounding rock stability in two steps construction underⅣ surrounding rock，the results showed that，when the up and down steps ratio was 1∶4 of tunnel two steps excavation，the influence of tunnel construction to surrounding rock stability was smaller，could ensure the construction safety．

two steps，step ratio，large span tunnel，surrounding rock stability

U455

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.060

1009-6825(2013)10-0167-02

2013-01-27

王鐵軍(1974-)，男，工程師