肖擁軍，肖 慧，雷隆賢

(1.湖南科技大學土木工程學院， 湖南湘潭市 411201；2.湖南科技大學巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點實驗室， 湖南湘潭市 411201)

隧道開挖支護過程圍巖變形機理的數(shù)值分析

肖擁軍1，2，肖 慧1，雷隆賢1

(1.湖南科技大學土木工程學院， 湖南湘潭市 411201；2.湖南科技大學巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點實驗室， 湖南湘潭市 411201)

對育王嶺隧道出口段建立了三維工程地質(zhì)模型，選取工程巖體力學參數(shù)，利用FLAC3D軟件分析了四級圍巖隨著開挖及支護過程應力場、位移場的變化特征，模擬結(jié)果表明圍巖的分步支護過程對圍巖應力應變產(chǎn)生了調(diào)節(jié)作用，其中二次襯砌和仰拱施工對于圍巖應力調(diào)整作用明顯，施工后隧洞底部圍巖由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，最大拉應力分布區(qū)域轉(zhuǎn)移到了仰拱處，有利于隧道穩(wěn)定。

隧道支護；圍巖；變形機理；數(shù)值模擬

0 引 言

隧道建設場地有比較復雜的工程地質(zhì)條件，隧道施工的安全性問題從而越顯關(guān)鍵。但隧道施工過程難以用室內(nèi)試驗來模擬，因此運用數(shù)值模擬的手段來研究隧道施工成為重要方法。張勇針對金坪引水隧洞圍巖變形穩(wěn)定性問題，對隧洞在大埋深環(huán)境下的圍巖應力分布特征進行了數(shù)值模擬分析[1]；宿文姬等應用二維彈塑性有限元分析方法對阿娜隧道小凈距隧道穩(wěn)定性進行分析研究[2]；張敏等通過數(shù)值模擬分析研究了淺埋偏壓隧道出口變形機理[3]；韓健等對石龍山隧道洞口軟弱泥巖圍巖段動態(tài)開挖過程進行了數(shù)值模擬研究[4]；唐劍等以忠墊高速公路明月山隧道為例，對公路隧道開挖與支護過程中的下圍巖塑性區(qū)的分布進行了研究[5]；石堅等應用ANSYS軟件對安徽省六潛隧道的開挖進行了數(shù)值模擬，得到了分步開挖下圍巖的位移、應力場變化規(guī)律，支護襯砌結(jié)構(gòu)的變形、應力分布及內(nèi)力值分布情況[6]；左清軍運用數(shù)值模擬手段對宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道圍巖在高地應力條件下的變形特征及其影響因素進行了分析[7]；邵珠山等運用ABAQUS軟件，結(jié)合實際隧道工藝建立了三維有限元模型，數(shù)值分析了隧道開挖后拱頂及周邊位移的變化趨勢，研究了圍巖力學性能參數(shù)對隧道變形以及圍巖穩(wěn)定性的影響[8]；張王杰對關(guān)虎沖隧道工程施工過程進行了數(shù)值模擬研究，著重分析了隧道開挖過程中的圍巖變形狀態(tài)[9]；侯俊敏等以貴州省晴隆-興義高速公路登攀隧道為工程依托，對洞口段圍巖變形展開研究，研究結(jié)果表明隧道開挖引起圍巖變形具有明顯的時間效應和空間效應[10]。本文以寧波育王嶺隧道出口段為例，應用數(shù)值模擬方法，研究了隧道開挖后支護過程圍巖應力應變的變化特征。

1 工程概況

育王嶺隧道是寧波第一條采用新奧法施工的輕軌隧道，連接北侖區(qū)和鄞州區(qū)，隧道進口里程為右K30＋730.000，出口里程為K32＋110.000，隧道全長1380 m，其中進出口各20 m明洞，暗洞1340 m?？缍?1 m，高度9.5 m。隧道出口段圍巖主要有中風化流紋斑巖及中風化熔結(jié)凝灰?guī)r。隧道最大埋深為137 m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理設計，采用超前支護和復合式襯砌結(jié)構(gòu)，鉆爆法施工，實際施工時采用了全斷面開挖。在隧道爆破出渣通風后，立即采用錨噴和噴射混凝土，Ⅳ級圍巖還需鋪設鋼拱架和鋼筋網(wǎng)等，對圍巖作初期支護。

2 隧道建模

論文選取育王嶺隧道出口段80 m(K32＋40～K32＋120)進行建模分析，勘察資料表明K32＋40～K32＋075段圍巖級別為Ⅳ級，主要由中風化流紋巖組成；K32＋075～K32＋110段圍巖級別為Ⅴ級，主要由中風化熔結(jié)凝灰?guī)r組成；K32＋110～K32＋120為隧洞出口外10 m。為保證計算消除邊界效應的影響，隧道地質(zhì)模型以隧道為中心各向左右50 m，寬到80 m，模型底部平面高程為零。模型長寬高分別為80，100，70 m，模型底面設置為固定支座，模型豎向四周限制為對應方向的限制鉸支座。

本文運用AutoCAD，Sufer等軟件對出口段附近建立三維模型[11]，根據(jù)圍巖等級及隧道施工工序利用ANSYS軟件進行工程巖組劃分(見圖1)，分為四級圍巖、五級圍巖、加固后四級圍巖、加固后五級圍巖、初期支護、二襯支護、仰拱等體單元。差分后導入FLAC3D軟件中進行計算分析。

圖1 育王嶺隧道出口段三維工程模型

3 隧道開挖支護過程圍巖變形機理

在三維模型中施加重力得到天然應力場后，開挖隧道空間得到圍巖應力應變場；根據(jù)設計對圍巖錨噴加固并初期支護后分析得到圍巖應力應變場的變化；下一步在二襯及仰拱施工后，也模擬分析得到了圍巖應力應變場特征，四級圍巖選擇K32＋50斷面進行分析。

3.1 應力場變化特征

四級圍巖開挖未進行支護時，模擬得到斷面最大主應力云圖(見圖2)，表明在隧洞底部和頂部的一部分形成由應力釋放產(chǎn)生的拉應力集中區(qū)，而在隧洞的兩側(cè)下部出現(xiàn)了最大壓應力集中區(qū)。拉應力集中區(qū)、壓應力集中區(qū)并不完全對稱，這與隧道地表地形變化有關(guān)。

圖2 四級圍巖支護前最大主應力云圖

在進行圍巖錨噴加固及初期支護后，隧洞周圍的應力場發(fā)生了變化(見圖3)，在隧道開挖后頂部產(chǎn)生的拉應力區(qū)消失了，隧洞兩側(cè)下部最大壓應力集中區(qū)分布有所縮小，隧洞周圍的應力變化相對均勻，說明初期支護工程對圍巖應力場分布起了調(diào)節(jié)作用。在初期支護過后，可以發(fā)現(xiàn)雖然拉應力和壓應力有一定程度上的降低，但在底部的壓應力集中區(qū)并未得到解決，說明需要進一步支護。

圖3 四級圍巖初期支護后最大主應力云圖

在模擬完成二次襯砌和仰拱之后可以發(fā)現(xiàn)，四級圍巖應力集中的現(xiàn)象大大減少(見圖4)，原本在兩側(cè)底部的壓應力集中現(xiàn)象得到緩解，整體上圍巖所受的最大壓應力值得到了減小，隧洞底部圍巖處由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，同時可以發(fā)現(xiàn)最大拉應力分布區(qū)域轉(zhuǎn)移到了仰拱處。

圖4 四級圍巖二襯及仰拱后最大主應力云圖

3.2 位移場變化特征

模擬分析結(jié)果表明，四級圍巖開挖后隧道變形以垂直方向為主，在隧道開挖后未進行支護時拱頂處豎向最大位移可以到達0.65 mm，在底部產(chǎn)生的底鼓最大位移將達到0.87 mm。在經(jīng)過初期支護以后可以發(fā)現(xiàn)在四級圍巖處拱頂最大變形發(fā)生了增長，達到了1.12 mm，但產(chǎn)生較大變形的區(qū)域相對未進行初期支護時減少了，在底部發(fā)現(xiàn)雖然變形區(qū)域并未發(fā)生改變，但是最大位移減小到0.78 mm，說明初期支護后圍巖應力分布發(fā)生了調(diào)整，變形集中到了拱頂處。在經(jīng)過二次襯砌和添加仰拱之后，可以發(fā)現(xiàn)拱頂?shù)奈灰拼蟠鬁p小到只有0.34 mm，而在底部的底鼓現(xiàn)象也減弱。由應力圖發(fā)現(xiàn)仰拱承擔了較大的應力作用，但是由于其強度高抵抗變形能力強，因此最終產(chǎn)生的變形相對較小。模擬分析得到的變形數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致。

4 結(jié) 論

本文利用AutoCAD、Sufer、ANSYS、FLAC3D軟件對育王嶺隧道出口段建立了三維工程地質(zhì)模型，模擬隧道開挖支護過程，并分析了圍巖應力應變狀態(tài)的變化特征。結(jié)果表明四級圍巖開挖未進行支護時，圍巖中分布有拉應力集中區(qū)、壓應力集中區(qū)。初期支護工程對圍巖應力場分布起了調(diào)節(jié)作用。在完成二次襯砌和仰拱之后，四級圍巖應力集中的現(xiàn)象大大減少，隧洞底部圍巖處由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，同時可以發(fā)現(xiàn)最大拉應力集中轉(zhuǎn)移到了仰拱處，研究結(jié)果對隧道施工有一定的指導意義。

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2016-03-11)

肖擁軍(1974-)，男，湖南祁東人，博士，副教授，主要從事工程地質(zhì)教學科研工作，Email:yongjunxiao2002@ 126.com。