吳衛(wèi)強,趙之連,葉 瓊，劉郭潔

(1.江西國泰五洲爆破工程有限公司， 江西 南昌 330038； 2.贛州有色冶金研究所，江西 贛州市 341000； 3.江西省新干中學， 江西 吉安市 331300)

復雜地質(zhì)中隧道施工數(shù)值模擬分析與研究

吳衛(wèi)強1,趙之連2,葉 瓊3，劉郭潔1

(1.江西國泰五洲爆破工程有限公司， 江西 南昌 330038； 2.贛州有色冶金研究所，江西 贛州市 341000； 3.江西省新干中學， 江西 吉安市 331300)

隧道開挖到復雜地質(zhì)時，由于條件不明而不能直接施工，為了得到相關(guān)參數(shù)，采用數(shù)值模擬分析隧道開挖時的位移和應力變化，以此研究其穩(wěn)定性影響。模擬結(jié)果表明，泥土區(qū)域不適合直接開挖，否則會發(fā)生垮塌，在其開挖之前必須先進行穩(wěn)定性加固，但是，泥土開挖對已經(jīng)支護的隧道的穩(wěn)定性影響非常小。因此，泥土區(qū)域被加固之后，可以對其進行施工而不影響隧道的穩(wěn)定性。

隧道施工；泥土開挖；數(shù)值模擬；復雜地質(zhì)

0 引 言

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的穩(wěn)步推進，鐵路與公路遍布祖國大地各個角落。在鐵路與公路施工中，不可避免地會遇到山嶺，為了道路的平直和節(jié)約成本等其它因素，不得不通過開挖隧道來貫穿山嶺。而地質(zhì)環(huán)境很難捉摸，即使進行了地質(zhì)鉆探，也不敢完全斷定工程所在地的地質(zhì)條件，只能進行大概的預測。在隧道開挖過程中，最常見的是遇到不連續(xù)介質(zhì)，比如泥石混雜、一段巖石一段泥土等，這些不連續(xù)介質(zhì)給隧道開挖帶來了很大的影響。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

隧道所在區(qū)域出露地層有第四系全新統(tǒng)、元古界庫里組、燕山期晚期。第四系全新統(tǒng)地層主要為發(fā)育于山坡處的殘坡積層；千枚巖為灰褐色，灰白色，全～強風化，廣泛出露；花崗巖為褐黃色，全風化，基巖組織結(jié)構(gòu)完全破壞，完全風化呈砂土狀，原巖不易辯認，部分礦物成分再生為次粘性礦物質(zhì)；隧道掘進的區(qū)域主要為石灰?guī)r。

地表水系不發(fā)育，地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系孔隙潛水主要分布于山體頂部至半坡殘積層和全風化層及山間谷地的沖洪積層中，水量較??；基巖裂隙水主要分布于低山區(qū)中節(jié)理、裂隙發(fā)育的基巖中，一般節(jié)理裂隙發(fā)育地帶水量較豐富。

1.2 工程背景

隧道屬于鐵路隧道，斷面較大，半徑約為7 m，計劃穿過山體一側(cè)。開挖到中途，逐漸遇到泥土，預估隧道要經(jīng)過一段長達20 m左右的泥土區(qū)域，這給工程施工帶來了很大的影響，如果貿(mào)然施工，隧道會出現(xiàn)塌方、沉降等問題，嚴重危及隧道施工安全。為了隧道施工的質(zhì)量和安全，必須對其進行模擬分析，找出應對之法[1]。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 隧道參數(shù)

隧道斷面7 m，開挖到200 m左右遇到一段20 m左右的泥土區(qū)域，泥土主要為黃土，在開挖泥土區(qū)域之前，對已經(jīng)開挖的隧道進行了永久支護。隧道支護及時，每掘進一段長度便立即進行相應的初期臨時支護，初期臨時支護為工字鋼和噴漿混合支護，而后進行永久支護，永久支護為鋼筋混凝土襯砌，支護總厚度為0.5 m左右。

2.2 材料參數(shù)

隧道掘進通過的區(qū)域，其中巖石主要為石灰?guī)r，泥土主要為黃土，通過查閱材料和工程類比等方法獲得材料參數(shù)[2-4]，見表1和表2。

表1 石灰?guī)r材料參數(shù)

表2 黃土材料參數(shù)

2.3 模型建立

本文采用flac3D軟件建立模型并進行數(shù)值分析主要研究開挖泥土區(qū)域時隧道的變化，在遇到泥土區(qū)域之前，隧道已經(jīng)掘進一段長度，并已經(jīng)進行了永久支護。模型包括前期成型的隧道及周邊、泥土開挖區(qū)域及周邊和穿過泥土區(qū)域后的局部正常區(qū)域。模型如圖1和圖2所示，圖中黃色區(qū)域為泥土區(qū)域(見電子版)[5-6]。

圖1 隧道整體三維模型與網(wǎng)格劃分

圖2 隧道內(nèi)部三維模型與網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果與分析

主要分析泥土區(qū)域、與泥土區(qū)域接觸的隧道局部和其他位置的位移與應力。以隧道進口面的圓心為原點，重力方向反向為Z軸方向，隧道掘進方向為Y軸方向，進行了永久支護的隧道范圍在Y方向0～200 m，泥土區(qū)域范圍在Y方向200～220 m，正常區(qū)域范圍在Y方向220 m以后。模擬掘進1 m，比較不同大小斷面掘進的結(jié)果，通過不同斷面開挖的結(jié)果對比分析，研究泥土開挖的影響。

3.1 不同斷面開挖對比分析

圖3～圖6是采用不同斷面開挖泥土區(qū)域時同一個位置的Z位移等值線圖，由圖可知，在其他條件相同的情況下，依次減小開挖面積，開挖之后，泥土區(qū)域都會產(chǎn)生很大的位移，而且位移分布和位移值大小都很接近，這說明泥土區(qū)域不適合直接開挖，即使采用很小的斷面開挖，也會產(chǎn)生很大的位移，泥土區(qū)域因為開挖而垮塌；由圖也可知，最大位移都在開挖區(qū)域的兩側(cè)，其次在上部。

圖7～圖10是采用不同斷面開挖泥土區(qū)域時同一個位置的Z方向應力等值線圖，由圖可知，應力分布相似且應力值大小很接近，從整體上看，越大斷面開挖對泥土區(qū)域的應力影響越大；而圖中棕色區(qū)域出現(xiàn)應力異常，應力方向與重力方向相反。

圖3 全斷面Y軸200.9位移分布

圖4 半斷面Y軸200.9位移分布

圖5 四分之一斷面Y軸200.9位移分布

圖6 十分之一斷面Y軸200.9位移分布

圖7 全斷面Y軸200.9應力分布

圖8 半斷面Y軸200.9應力分布

圖9 四分之一斷面Y軸200.9應力分布

圖10 十分之一斷面Y軸200.9應力分布

圖11～圖14是不同斷面開挖時靠近泥土區(qū)域的隧道同一位置的Z位移等值線圖，從圖中可知，雖然泥土區(qū)域采用了不同的斷面開挖，但是進行了永久支護的隧道產(chǎn)生的位移分布和位移值大小都極為接近，而且位移值非常小，這說明不管采用何種斷面開挖泥土區(qū)域，對已經(jīng)永久支護的隧道的影響很小。同時，從位移分布可知，隧道上部的位移相對其它部位較大。

圖11 全斷面Y軸199.9位移分布

圖12 半斷面Y軸199.9位移分布

圖13 四分之一斷面Y軸199.9位移分布

圖14 十分之一斷面Y軸199.9位移分布

圖15～圖19是不同斷面開挖時靠近泥土區(qū)域的隧道同一位置的Z方向應力等值線圖，由圖可知，四種情況下的應力分布幾乎一致，只是應力值有些微小差別，大小順序分別為全斷面開挖、半斷面開挖、四分之一斷面開挖和十分之一斷面開挖，這表明泥土區(qū)域不同斷面開挖對隧道應力影響雖然有大小之分，但是這些影響的差別很小，可以推斷泥土區(qū)域開挖對已經(jīng)支護的隧道影響非常小。另一方面，從圖可知應力主要集中在隧道支護層左右兩側(cè)。

圖15 全斷面Y軸199.9應力分布

圖16 半斷面Y軸199.9應力分布

圖17 全斷面Y軸199.9應力分布

圖18 半斷面Y軸199.9應力分布

3.2 同一斷面開挖的不同位置分析

圖19～圖21是采用四分之一斷面開挖泥土區(qū)域時泥土區(qū)域部分位置Z位移等值線圖，從圖可知，越靠近泥土區(qū)域，位移分布越復雜且位移值相對越大；較大位移均在開挖部位兩側(cè)，其次在上部；產(chǎn)生的位移都很大，說明開挖之后泥土區(qū)域發(fā)生了垮塌。

圖19 四分之一斷面Y軸200.9位移分布

圖20 四分之一斷面Y軸200.5位移分布

圖21 四分之一斷面Y軸200.1位移分布

圖21～圖23是采用四分之一斷面開挖泥土區(qū)域時泥土區(qū)域部分位置Z方向應力等值線圖，由圖可知，部分區(qū)域應力異常，應力方向與重力方向相反，說明開挖之后，泥土結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞。

圖22 四分之一斷面Y軸200.9應力分布

圖23 四分之一斷面Y軸200.5應力分布

圖24 四分之一斷面Y軸200.1應力分布

圖25～圖26分別是采用四分之一斷面開挖泥土區(qū)域時靠近泥土區(qū)域和遠離泥土區(qū)域的兩個隧道橫截面位移分布圖，由圖可知，兩者的位移都很接近且非常小，說明隧道整體受開挖的影響極小，而靠近泥土區(qū)域的隧道受開挖影響相對較大。

圖25 四分之一斷面Y軸199.9位移分布

圖26 四分之一斷面Y軸150位移分布

圖27～圖28分別是采用四分之一斷面開挖泥土區(qū)域時靠近泥土區(qū)域和遠離泥土區(qū)域的兩個隧道橫截面應力分布圖，由圖可知，隧道的較大應力均集中在支護層兩側(cè)，靠近泥土區(qū)域的隧道應力受開挖擾動影響較大。

圖27 四分之一斷面Y軸199.9應力分布

圖28 四分之一斷面Y軸150應力分布

4 工程應用

由以上分析可知，泥土區(qū)域可以進行施工，施工對已經(jīng)永久支護的隧道的穩(wěn)定性影響非常小，但是不能直接對泥土區(qū)域直接開挖，因為直接開挖會發(fā)生垮塌，而應該先對將開挖的區(qū)域進行穩(wěn)定性加固，以便于安全施工。進行穩(wěn)定性加固的方式主要為注漿，在將開挖的區(qū)域四周鉆孔注漿，鉆孔密度為1 m1 m，注漿加固之后，泥土區(qū)域穩(wěn)定性加強，開挖之后，隧道受影響很小。

5 結(jié) 論

(1) 泥土區(qū)域不適合直接開挖，即使采用小斷面開挖，泥土區(qū)域也會發(fā)生大位移垮塌，而且斷面過小不利于施工；

(2) 模擬泥土區(qū)域直接開挖，可知已經(jīng)永久支護的隧道靠近泥土區(qū)域的部位受影響相對較大，但是整體受開挖影響都非常小，實際中可以對泥土區(qū)域進行施工；

(3) 模擬直接對泥土區(qū)域開挖時，發(fā)現(xiàn)開挖部位兩側(cè)和上部位移較大，說明這些部位容易坍塌，在實際開挖之前，應先對泥土區(qū)域進行穩(wěn)定性加固，特別是兩側(cè)和上部要進行加固，可采用注漿等；

(4) 隧道較大的應力主要集中在支護層兩側(cè)，說明實際施工中應注意加強支護層兩側(cè)的強度。

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2017-02-05)

吳衛(wèi)強(1989-)，男，江西上饒人，碩士研究生，主要從事爆破工程、采礦工程等工作，Email：465719156@qq.com。