高華光 韓龍飛 葉明浩

摘 要：本文采用數(shù)值模擬的方法，研究了隧道不同開挖進(jìn)尺對(duì)圍巖變形和應(yīng)力變化的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著開挖進(jìn)尺的增大，隧道的豎向位移和水平位移都不斷變大，最大位移速率上升，圍巖的位移變形量和位移速率越大，誘發(fā)圍巖失穩(wěn)的可能性越大。圍巖應(yīng)力隨著隧道開挖進(jìn)尺的增大而上升，隧道斷面的最大剪應(yīng)力越大，隧道發(fā)生破壞的可能性越大。

關(guān)鍵詞：開挖進(jìn)尺;圍巖變形;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U456.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）17-0099-03

Study on the Influence of Different Excavation Length of Tunnel on the Deformation and Stress Change of Surrounding Rock

GAO Huaguang HAN Longfei YE Minghao

（School of Resources and Environment， Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000）

Abstract： In this paper， the method of numerical simulation was used to study the influence of different tunnel excavations on the deformation and stress of surrounding rocks. It was found that with the increase of the excavation footage， the vertical and horizontal displacements of the tunnel were continuously increasing， and the maximum displacement rate was increasing， the greater the deformation and displacement rate of surrounding rock， the greater the possibility of instability of surrounding rock. The surrounding rock stress increased with the increase of the tunnel excavation footage， the greater the maximum shear stress of the tunnel section， the greater the possibility of tunnel damage.

Keywords： excavation footage;surrounding rock deformation;numerical simulation

在隧道開挖后，隧道圍巖應(yīng)力會(huì)重新分布，導(dǎo)致圍巖變形，一旦變形過大，就會(huì)造成塌方，給施工造成嚴(yán)重?fù)p失。如果開挖進(jìn)尺設(shè)置過小，施工難度、成本和工期等都會(huì)增加;如果開挖進(jìn)尺設(shè)置過大，隧道的穩(wěn)定性會(huì)降低，施工危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)增大[1]。選擇合理的開挖進(jìn)尺，減小其對(duì)隧道周圍巖體的影響，這對(duì)隧道建設(shè)具有很大的意義，當(dāng)前主要依靠數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)[2-4]。因此，本文利用數(shù)值模擬的方法，選取開挖進(jìn)尺1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m五種不同情況，分析其對(duì)圍巖變形和應(yīng)力變化的影響，總結(jié)規(guī)律，為類似施工提供理論依據(jù)。

1 工程概況

西藏S5拉薩至澤當(dāng)快速公路位于西藏自治區(qū)拉薩市和山南市，設(shè)隧道穿越圭嘎拉山，圭嘎拉隧道具有平均海拔高、長(zhǎng)度長(zhǎng)、投資建設(shè)規(guī)模大等特點(diǎn)。圭嘎拉隧道長(zhǎng)為12.8 km，呈直線型展布，最大埋深約為1 152 m。為了增加工作面，加快進(jìn)度，便于通風(fēng)和洞內(nèi)防災(zāi)減災(zāi)，隧道中部設(shè)計(jì)了兩座主、副斜井，1號(hào)斜井全長(zhǎng)為2 440 m，其中斜井進(jìn)口埋深較淺段290 m為Ⅴ級(jí)圍巖，占全長(zhǎng)的12%，其余Ⅳ級(jí)圍巖有2 110 m，占全長(zhǎng)的88%。巖性單一，主要為灰黑色中風(fēng)化板巖，巖層呈中厚層狀。

2 模型的建立和參數(shù)的選取

取圭嘎拉隧道1號(hào)斜井K1+040～K1+060里程段為研究段，根據(jù)研究段實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行概化處理，該段隧道平均埋深為300 m。由圣維南原理可知，開挖、荷載等應(yīng)力影響范圍為6倍隧道半徑，遠(yuǎn)處所受的影響可以忽略不計(jì)[5]。因此，為了減小邊界條件對(duì)隧道計(jì)算模型的影響，隧道底部及左右兩側(cè)取距洞壁大于6倍隧道半徑的邊界范圍。模型寬為70 m，高為80 m，厚為20 m，網(wǎng)格尺寸為1 m/格，如圖1所示。

隧道采用全斷面法開挖，模型先在自重情況下達(dá)到初始平衡狀態(tài)，然后進(jìn)行全斷面開挖運(yùn)算。本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，初襯采用SHELL結(jié)構(gòu)單元，錨桿采用CABLE結(jié)構(gòu)單元。模型隨開挖隨支護(hù)，錨桿長(zhǎng)為3 m，排距為1 m，間距為1.2 m。模型各項(xiàng)物理參數(shù)如表1所示。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 對(duì)圍巖變形的影響分析

選取距開挖距掌子面0～15 m的距離，對(duì)不同開挖進(jìn)尺的位移量和位移速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2可以看出，由于隧道是循環(huán)開挖，隧道各位移曲線呈波浪狀變化。隨著隧道開挖的持續(xù)推進(jìn)，整體上，隧道的拱頂沉降量和水平收斂量逐漸增大。隨著開挖進(jìn)尺的增大，拱頂沉降量逐漸增加，沉降量從6.866 1 mm增加到7.239 3 mm;水平收斂量也逐漸增加，收斂量從12.320 5 mm增加到13.479 5 mm。開挖進(jìn)尺每增加0.5 m，沉降量分別增加2.55%、1.03%、0.78%、0.96%，增長(zhǎng)幅度不明顯，而收斂量分別增加3.85%、2.57%、1.61%、1.08%，增長(zhǎng)幅度逐漸減小。

從圖3可以看出，隧道最大位移速率出現(xiàn)在掌子面后最近的一次循環(huán)開挖進(jìn)尺范圍內(nèi)，距離掌子面越遠(yuǎn)，位移速率越小。隨著開挖進(jìn)尺的增大，拱頂最大沉降速率從1.81 mm/d增加到3.769 19 mm/d;水平最大收斂速率從2.418 8 mm/d增加到4.550 6 mm/d。開挖進(jìn)尺每增加0.5 m，拱頂最大沉降速率分別增加35.97%、21.29%、13.97%、10.79%，水平最大收斂速速率分別增加28.45%、17.92%、13.35%、9.57%。增長(zhǎng)幅度隨著開挖進(jìn)尺的增加逐漸減小。

3.2 對(duì)圍巖應(yīng)力的影響分析

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隧道開挖完成后，隧道斷面周圍剪應(yīng)力值比較大，最大剪應(yīng)力值集中在拱頂和拱腳處。隨著開挖進(jìn)尺的增大，最大剪應(yīng)力值逐漸增加，從5.018 2 MPa逐漸增加到5.446 MPa。開挖進(jìn)尺每增加0.5 m，最大剪應(yīng)力值分別增加1.23%、4.43%、1.62%、1.02%。由此可見，開挖進(jìn)尺越大，隧道斷面的最大剪應(yīng)力值越大，隧道發(fā)生破壞的可能性越大。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬方法，闡述了隧道不同開挖進(jìn)尺對(duì)圍巖變形和應(yīng)力變化的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。隧道開挖后，拱頂沉降量和水平收斂量隨著隧道斷面距離掌子面的距離增加而增大，而且增速隨著與掌子面的距離增加而減小，這與工程實(shí)際相符合，說明所建立的數(shù)值模型是正確的;隨著開挖進(jìn)尺的增大，隧道的豎向位移和水平位移都是增大的，最大位移速率也隨循環(huán)進(jìn)尺的增大而增大，圍巖的位移變形量和位移速率越大，誘發(fā)圍巖失穩(wěn)的可能性也越大;隧道開挖后產(chǎn)生應(yīng)力集中，隧道拱頂和拱腳處剪應(yīng)力值較大，隨著開挖進(jìn)尺的增大，最大剪應(yīng)力值逐漸增大，隧道發(fā)生破壞的可能性越大。

參考文獻(xiàn)：

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