大瑶山一号隧道开挖变形分析

查洲阳 赵志强

1 概述

由于地质条件的复杂多变，地下工程难免会通过褶皱构造、断层、节理裂隙发育地带，由于围岩本身的不稳定和受地质构造作用而被切割成碎块，致使其结构松散，强度低，加之节理面有泥质物及岩屑充填，并且由于支护的不及时而使围岩暴露时间过长，或因其通过断层，突然遇到较高水压富水洞段，地下水向洞室内漏出，掏空了断层构造带中破碎岩体和充填物，或由于岩层产状的不利，或因岩爆等诸多地质原因而产生隧道施工过程中不同程度的塌方、突水和涌水、洞体缩径和支护开裂［1］。因此隧道施工中的地质灾害问题常常是影响隧道施工的关键问题。

2 工程地质及水文地质

大瑶山隧道区属南岭山系，其中一号隧道属构造剥蚀～溶蚀切割中低山、低山地貌，进口至DK1909+730段为碳酸盐岩分布区，主要岩溶形态为溶峰、溶谷，表层溶沟、溶槽、石芽等较发育，地形起伏较小;DK1909+730至出口段为碎屑岩～浅变质岩分布区，属构造剥蚀型低山，最大相对高差达750 m，陡坡、峡谷极为发育。

3 隧道施工过程数值模拟方法及ADINA实现

3.1 基本模拟思想

隧道开挖时破坏了岩体内原有的应力平衡，在围岩内各质点地应力的作用下，均将力沿最短距离向消除了阻力的自由面方向移动，引起围岩内应力的重新分布，以达到最新的平衡，形成二次应力场。但限于目前的计算手段，用真三维的计算模型来模拟上述复杂的地层特征和施工条件是很难办到的，昂贵的计算费用和有限的计算机内存使人们束手无策，但可采用适当简化的模型，以尽量逼近真实原型。

现实中最常用的便是将地下结构按平面应变问题进行计算，又因为岩体的流变参数获取困难，有时甚至不考虑岩体的流变特性，仅按现弹性或弹性处理，为此比较真实地模拟施工过程，常采用“应力逐步释放方法”来模拟隧道开挖与支护的时空效应，本文将用“单元生死”方法来具体实现。其Ⅳ类围岩物理力学参数见表1。

表1 Ⅳ类围岩物理力学参数

3.2 开挖断面说明

1 )开挖①部，施工支护Ⅰ。2)开挖②部，施工支护Ⅱ，同①部。3)开挖③部，施作Ⅲ。4)开挖④部，支护Ⅳ，同③部。5)开挖⑤部，施作支护Ⅴ。6)开挖⑥部，同⑤部。7)拆除临时支护。8)施作仰拱填充混凝土及全断面施作二次衬砌(见图1)。

3.3 边界条件和初始地应力场

为了确定力边界条件，必须首先确定岩体内的初始应力场。常用的方法是根据自重应力场及构造应力场的特点，确定比较符合计算区域地质特点的力边界条件，并利用部分量测数据进行调整和修正。自重应力场的特点是垂直及水平方向为主应力方向，主应力均为压应力，其大小与深度有关而与水平位置及时间无关。锚杆长度2.5m，间距0.5 m，跨度13.4 m，高度11 m，计算区域取左右两侧和上下两侧分别向外延伸隧道跨度和高度的5倍，其网格图及标准横断面图见图2，图3。

3.4 模拟结果分析

开挖到支护完毕达到最终变形，模拟分为了14步。由图4看出在开挖支护完毕后隧道围岩竖向位移变化，最大下沉值为0.162 3 m，最大回弹为0.168 8 m。绘制出拱顶下沉随着时间步的变化曲线图(见图5)，每步开挖拱顶下沉都会突然增大，每步支护都会使下沉维持平衡，所以呈台阶状，时间第8步以后位移变化不大，表示变形达到稳定。由应力随时间步骤变化可以看出最初每逢开挖支护阶段应力就会突变(见图6)，时间6步以后变化率逐渐减小，8步以后基本平衡，与位移变化规律吻合，表示应力变化达到稳定。隧道底随开挖步骤的回弹变化同样在开挖时陡然增大(见图7)，支护时保持稳定，时间第8步以后维持平衡状态。到支护完毕变形稳定时，锚杆所受最终锚固力为33.447 MPa，为锚杆设计布置提供了参考。监测历程为DK1917+960，实测与数值模拟结果相对比，从开始到最终变形稳定，曲线大概变化趋势相似，最终收敛实测值为29.68 mm，计算机模拟数值为32.01 mm，二者大小接近(见图8，图9)。

从图10可以清晰的看出各岩层水平位移变化，实测横向收敛值为39.5 mm，数值模拟值为36.2 mm，二者数值接近。由竖向、水平位移变形云图可以看出，最大变形均在支护结构的衔接处，所以在施工中尤其要注意对支护衔接处的特殊处理，减少应力集中造成的危害，提高支护作用，避免事故的发生。

4 结语

本文通过对大瑶山隧道应力变形场的监测分析和数值模拟研究，得到了以下的结论与认识:

1 )针对断面DK1917+960处运用计算机数值模拟与实测位移值进行对比，二者数值接近，并且在支护衔接处容易造成应力集中，变形最大，考虑到支护的有效、可靠必须处理好支护之间的衔接处。2)对围岩应力变形场随开挖变形变化规律分析得出:该隧道开挖后拱顶最大下沉值为0.162 3 m，拱底最大回弹为0.168 8 m;模拟隧道开挖变形最终稳定时，锚杆的锚固力为33.447 MPa，锚杆设计时可以参考该值。3)根据模拟隧道开挖变形随时间步的变化得出结论:每逢开挖步时，隧道变形会突变，每逢支护时变形缓和，所以开挖时应尽量减少扰动，避免出现事故。

［1］ 刘 宏.隧道塌方的预防措施［J］.中南公路工程，2000 (10)：97-99.

［2］ 关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］ 孙 均.地下工程设计理论与实践［M］.上海：上海科学技术出版社，1991.

［4］ 易汇萍丽.现代隧道设计与施工［M］.北京：中国铁道出版社，1986.

［5］ 王毅才.隧道工程(上、下册)［M］.北京：人民交通出版社，1987(上册)，1993(下册).

［6］ 王明年.三车道隧道模型实验研究及有限元分析［J］.公路，1995(19)：75-77.

［7］ JTJ 024-94，公路隧道施工技术规范［S］.