软岩+大跨度隧道施工力学模拟与分析

陈 勇

(广东省重工建筑设计院有限公司，广东 广州 510034)

软岩+大跨度隧道施工力学模拟与分析

陈 勇

(广东省重工建筑设计院有限公司，广东 广州 510034)

永九快速线永龙隧道的双向6车道浅埋大跨扁平结构，对围岩稳定和结构受力均产生不利影响. 利用有限元程序模拟V级围岩软岩地质条件下大跨度隧道的动态施工过程，以隧道施工后周边围岩稳定性和初期支护及临时支护安全性为指标分析开挖效果，从理论和与实际监控量测数据对比分析结果证实了上下台阶双侧壁导坑法设计施工方案的合理. 研究成果为同类工程的设计与施工提供理论参考.

永龙隧道；软弱围岩；大跨度隧道；上下台阶双侧壁导坑法；力学分析；支护

大跨度隧道的开挖不仅取决于工程地质条件及断面跨度与形状，而且在很大程度上受开挖工艺的影响.大跨度隧道一般采取分步开挖，开挖顺序不同，围岩应力分布差别甚大，因此，开挖顺序不同，围岩稳定程度存在差异，这就是工程开挖的动态力学特性. 目前对软弱围岩大跨度隧道较常用的施工方法有单侧壁导坑法(CD法)、中壁交叉法(CRD法)及双侧壁导坑法[1]. 隧道开挖方案的模拟，大部分文献是二维分析，没有考虑到隧道开挖过程的空间效应，不能反映开挖进程的变化情况[2]. 为此，本文采用三维有限差分法(FLAC3D)对永龙隧道不同工况下围岩与支护结构的受力状态进行模拟分析，揭示大跨度隧道在不同开挖阶段的受力分布情况，为隧道掘进工程设计和施工提供了重要的参考依据.

1 永龙隧道主要特点

左线隧道起点里程Zk0+845，止点里程Zk2+710，长1 865m，隧道路面设计高程71.41~56.76m；右线隧道起点里程Yk1+086，止点里程Yk2+705，长1 619m，隧道路面设计高程76.42~57.31m. 隧道洞高约9.00m，隧道界限宽度13.75m，呈扁平状结构. 隧道进出口进过地段多为Ⅴ级围岩，少量属于Ⅳ级围岩. 由于围岩级别较低，在隧道开挖前进行了注浆、锚杆、管棚等预加固措施处理.

隧道采用上下台阶双侧壁导坑法，其断面开挖及支护步骤如图1所示. 具体施工工序为：1拱部φ42小导管(V级围岩)或φ108管棚(V级围岩加强段)超前支护注浆；2开挖左侧导坑上台阶；3施作左侧导坑上台阶的初期支护(锚喷支护)、临时支护；4开挖左侧导坑下台阶；5施作左侧导坑下台阶的初期支护(锚喷支护)、临时支护；6开挖右侧导坑上台阶；7施作右侧导坑上台阶的初期支护(锚喷支护)、临时支护；8开挖右侧导坑下台阶；9施作右侧导坑下台阶的初期支护(锚喷支护)、临时支护；10开挖中间上部核心土；11施作中上部的初期支护(锚喷支护)、临时支护；12开挖中心下台阶；13施作中心底部的初期支护；14拆除临时支护，铺设防水层，模筑二次衬砌；15施作路面和内部结构.

图1 隧道典型断面及施工工序图

2 隧道施工过程力学分析

采用三维有限差分法(FLAC3D)对永龙隧道典型施工过程进行模拟分析，并对该隧道支护前后的力学性能进行分析，能够考虑到隧道轴线方向的地面不平整性对典型断面的力学影响，以及能够考虑施工的空间效应，从而能够更加真实地反映支护的力学状态.

2.1 计算范围的选取

根据地形图建立网格，模型的横向宽度为100m，沿线路纵向长度为30m，按埋深15m取至地表，距隧底仰拱往下取30m，三维计算网格如图1所示. 计算模型的边界条件上部为自由边界，底部为Z方向均受到约束，其余四个侧面为法向约束边界. 模拟断面的里程桩号为zK1+880~zK1+910.

图2 各工况模型网格划分图

在三维数值分析中，隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑，采用 Mohr-Coulomb屈服准则. 围岩采用三维实体单元(brick和wedge)，初期支护采用空间壳单元(shell)，二次衬砌、仰拱采用三维实体单元(brick)，且计算中视为弹性体. 模型单元总数11 690，节点总数13 255，结构单元数2 925. 因隧道为浅埋隧道，故计算时仅考虑自重应力场. 根据地质资料，围岩的参数取两层土体，分别为上部V级围岩厚度为29m~40m，下部Ⅲ级围岩厚度30m.

2.2 计算参数的确定

隧道洞身主要穿越Ⅴ级围岩，隧道基底位于Ⅲ级围岩，模拟计算时假设围岩为均质的连续介质，其物理力学性质根据工程地质勘察资料并结合规范[4]来取值. 初期支护采用C20 喷射混凝土，其参数取值见表1. 注浆小导管超前预支护的加固效果，根据经验通过提高围岩的物理力学参数来模拟. 锚杆的作用效果根据《公路隧道设计规范》[4]建议，Ⅳ级围岩可将加固区的围岩凝聚力提高 20%来处理. 钢拱架的作用也采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土[6]. 计算没有考虑钢筋网的作用效果，作为结构的安全储备.

表1 围岩及支护结构物理力学参数表

图3 开挖中洞室周边位移

2.3 隧道周边位移从整个位移场结果来看，隧道在开挖后位移不大，拱顶最大位移值为3.16mm. 从位移值判断，隧道及周围土体处于稳定状态.

2.4 围岩塑性区

图4 开挖过程中洞室周围塑性区

上图中为施工中围岩的塑性区，图4a为两侧导洞开挖围岩的塑性区，图4b为全断面开挖围岩的塑性区. 总的来说，围岩的塑性区均不大，集中在洞室周围，塑性区径纵向为1.2R，横向为0.4R，以剪切塑性屈服为主.

2.5 主应力

图5 开挖过程中洞室主应力

上图中为施工中围岩的主应力，图5a和图5b为两侧导洞开挖围岩的主应力图，图5c~图5f为全断面开挖后围岩及二衬的主应力. 总的来说，围岩的主应力均不大，围岩基本处于稳定状态. 在开挖的工作面，隧道拱脚，拱部，以及仰拱部位会出现拉应力，施工中应给予注意. 从分析可知，上下台阶双侧壁导坑法是合理的施工方案.

2.6 各工况初期支护安全系数

2.6.1 衬砌截面强度检算

对初期支护各施工工况下洞周关键点的安全系数按破损阶段法计算如下，洞周关键点如下所示.

图6 洞室关键点部位示意

表2 图6a左侧上台阶开挖18m后初基支护关键点部位安全系数

表3 图6a右侧侧下台阶开挖后初基支护关键点部位安全系数

表4 图6a左右导坑贯通后初基支护关键点部位安全系数

表5 图6b全断面开挖后初基支护关键点部位安全系数

从安全系数计算结果可知，在开挖两侧壁导坑上台阶时，导坑墙角处安全系数较小，其余均超出设计的安全系数. 因此施工时对上台阶开挖导致的局部应力集中应适当提高结构的强度.

2.6.2 开挖方案的施工验证

本文模拟断面的里程桩号为zK1+880~zK1+910，现取zk1+888、zk1+898两个隧道断面拱顶沉降与时间关系图如下：

图7 拱顶位移与时间关系图

从监控量测的拱顶沉降曲线是收敛的，说明围岩是稳定的，施工是安全的. 测得最大拱顶沉降为4.5mm.数值模拟结果与现场实测数据基本吻合，证实了实际开挖方案的合理.

3 结论

通过对软弱围岩大跨度隧道开挖方案的三维数值模拟，理论分析和监控量测结果表明：

1)从整个位移场结果来看，隧道在开挖后位移不大，拱顶最大位移值为3.16mm. 从位移值判断，隧道及周围土体是处于稳定状态. 与监控量测结果对比，证明模型是合理的，数值模拟结果与现场实测数据基本吻合，证实了采用上下台阶双侧壁导坑法开挖方案的合理.

2)围岩的塑性区均不大，集中在洞室周围，塑性区半径纵向为1.2R，横向为0.4R，以剪切塑性屈服为主.

3)隧道初期支护最小安全系数分别为2.507，满足施工安全要求，说明初期支护是合理的. 最不安全的地方在开挖两侧壁导坑上台阶时的导坑墙角处，因此，施工时对上台阶开挖导致的局部应力集中应适当提高结构的强度.

［1］程崇国, 王新平. 对3车道大断面公路隧道问题的思考[J]. 公路交通技术, 2002(3): 78-81.

［2］管海涛, 邓荣贵, 孙冬丽. 隧道围岩与支护结构相互作用的数值模拟分析[J]. 四川建筑, 2005, 25(6): 53-54.

［3］中华人民共和国交通部. JTJ024-94 公路隧道施工技术规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 1995.

［4］重庆交通科研设计院. JTG D70-2004 公路隧道设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

［5］潘昌实. 隧道力学数值方法[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1995.

［6］吴 波, 高 波, 索晓明, 等. 城市地铁小间距隧道施工性态的力学模拟与分析[J]. 中国公路学报, 2005, 18(3): 84-89.

(责任编辑：饶 超)

Simulation and Analysis of Construction Behavior of Large-Span Tunnel in Soft Rocks

CHEN Yong
(Guangdong Zhonggong Architectural Design Institute Co. Ltd.,Guangzhou 510034, China)

The shallow buried long-span flat structure of Eternal-nine fast line Yong long tunnel for two-way six lanes tunnel reduce the stability of the surrounding rock mass and the tunnel structure. The construction procedure of the tunnel section in the rock mass with a rank of V was simulated using finite element method and was evaluated based on the criteria: the stability of the surrounding rock mass and the safety of preliminary and temporary supports. From the view point of theory and the result of contrast analysis of in-situ monitoring, confirmed fluctuation steps both side drift method firstly the reasonable construction scheme design method. Research results can offer a theoretical reference for design and construction of similar projects.

Yong long tunnel; Soft rock; Large-span tunnel; Fluctuation steps both side drift method; Mechanics analysis; Support

U4

A

1009-2854(2011)05-0025-06

2011-03-01；

2011-04-13

陈 勇(1982— ), 男, 湖南长沙人, 广东省重工建筑设计院有限公司助理工程师.