宋青波

中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司

黎家灣隧道破碎段 圍巖開挖隧道穩(wěn)定性分析

宋青波

中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司

以黎家灣隧道穿越圍巖破碎段為研究背景，建立了有限元數(shù)值模型，采用數(shù)值分析方法研究了隧道開挖過程中的位移和初期支護(hù)的內(nèi)力，計(jì)算結(jié)果表明開挖過程中隧道變形和支護(hù)內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)要求，說明現(xiàn)場(chǎng)隧道開挖和支護(hù)方案可行，為類似工程施工設(shè)計(jì)提供參考。

隧道;破碎帶圍巖;數(shù)值模擬;穩(wěn)定性分析

1 引言

破碎圍巖支護(hù)技術(shù)在我國破碎圍巖綜合支護(hù)技術(shù)一般遵循的原則是：長期監(jiān)控、綜合治理、因地制宜、聯(lián)合支護(hù)[1]。針對(duì)破碎圍巖的開挖，是以新奧法為基礎(chǔ)的復(fù)合式支護(hù)原理，對(duì)初期的支護(hù)適當(dāng)?shù)丶哟罅Χ?，在開挖過程中采用合理的施工工藝和施工方案，盡可能的減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響，使圍巖的自承作用得以充分發(fā)揮，本文以黎家灣隧道為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬研究破碎段圍巖開挖過程圍巖變形，以期分析支護(hù)效果和開挖可行性。

2 工程概況

黎家灣隧道所在地為侵蝕地貌低山丘陵區(qū)，地形起伏較小，地面標(biāo)高386～430 m，相對(duì)高差20～45 m，山頂呈馬鞍形。山坡坡腳和中上部基巖裸露，剝蝕與侵蝕地貌特征明顯。隧址范圍上覆薄層坡洪積粉質(zhì)粘土、破殘積粉質(zhì)粘土、坡崩積粉質(zhì)粘土夾塊石，下伏上沙廟組砂巖夾泥巖。地下水主要為基巖裂隙水，地下水量較少，最大涌水量1008 m3/d，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無侵蝕性。

3 數(shù)值模擬

本文以巴達(dá)鐵路黎家灣隧道通過圍巖破碎段開挖支護(hù)過程為研究對(duì)象，通過大型有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，分析開挖支護(hù)過程中圍巖變形及支護(hù)內(nèi)力，確定開挖和支護(hù)方案的可行性。根據(jù)施工資料，支護(hù)錨桿直徑為22 mm，噴射混凝土厚度為24 cm，隧道采用臺(tái)階式開挖，分兩部開挖。詳細(xì)的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算模型的材料參數(shù)

3.1 有限元模型建立

隧道在整體計(jì)算時(shí)，化分為5個(gè)分析步。第一步為上部圍巖開挖，第二步為上部土體錨桿支護(hù)，第三部為噴射混凝土硬化，下部圍巖使用相同的方法。隧道網(wǎng)格大小為0.2 m；土層網(wǎng)格大小為2 m；模型計(jì)算共分為4 251個(gè)單元，單元類型采用四邊形單元，輸入各土層參數(shù)，采用二維平面自動(dòng)劃分網(wǎng)格，并施加自重荷載，與地面邊界支撐等條件，完成模型的構(gòu)建。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1水平位移分析

采用數(shù)值模擬對(duì)隧道上下臺(tái)階開挖進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中考慮了開挖和支護(hù)過程，得出各個(gè)步驟的水平水平位移圖如圖2所示。

從上圖可以看出，隧道開挖時(shí)水平位移沿隧道中心線幾乎對(duì)稱分布，最大水平位移出現(xiàn)在左側(cè)拱腳，最大位移為22.9 mm。在隧道開挖過程中，隧道上部土體開挖時(shí)，水平位移發(fā)生較大，但施加上部錨桿后，能夠有效減小水平位移，但隨著下部土體的開挖，水平位移仍會(huì)增大，直至完成混凝土的硬化，位移場(chǎng)最終穩(wěn)定。因此，可以得出初期支護(hù)可以有效的阻礙圍巖變形，較大程度的緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，防治隧道坍塌。

3.2.2拱頂沉降分析

采用數(shù)值模擬對(duì)隧道上下臺(tái)階開挖進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程中考慮了開挖和支護(hù)過程。

隨著隧道上部土體的開挖，隧道拱頂沉降增大，但隨著錨桿支護(hù)的施加，拱頂沉降值增量減少；當(dāng)臺(tái)階法下部土體開挖時(shí)，拱頂沉降再次開始加大，但隨著后期的支護(hù)和襯砌的施工，沉降值最終得到控制。因此，該支護(hù)方案比較合理，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

拱頂部位主要承受拉應(yīng)力，而墻腰到墻角部位主要承受壓應(yīng)力。這充分說明錨桿對(duì)圍巖的整體加固作用很好，錨桿使圍巖形成了拱形承載結(jié)構(gòu)，有效地發(fā)揮了巖體抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

通過對(duì)隧洞的數(shù)值模擬可以很好的預(yù)測(cè)當(dāng)前施工條件下隧道的穩(wěn)定性，為設(shè)計(jì)院提供參考依據(jù)，為下一步施工做準(zhǔn)備。

4 結(jié)論

本章根據(jù)黎家灣隧道的具體工程尺寸，通過大型有限元軟件構(gòu)建數(shù)值模型，詳細(xì)分析隧道開挖的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，錨桿能夠起到很好的支護(hù)效果，表明該施工方案可行，支護(hù)設(shè)計(jì)比較合理。

[1]William.Soil tunnel test section case history summary[J].Jour?nal of GeotechniqueEngineering,1985,11(11).