不同开挖方式下隧洞数值模拟分析

张 国 平

(钟山职业技术学院土木与环境工程学院，江苏 南京 210049)

不同开挖方式下隧洞数值模拟分析

张 国 平

(钟山职业技术学院土木与环境工程学院，江苏 南京 210049)

以Ⅱ类围岩为例，通过建立隧洞的三维FLAC3D数值模拟模型，分别分析了隧洞施工过程中全断面开挖和上下台阶开挖两种开挖方式对隧洞围岩的应力场、位移场及塑性区的影响，为解决隧洞开挖的设计和施工提供了重要的理论意义和工程实际价值。

开挖方式，隧洞，稳定性，模拟分析

0 引言

围岩稳定性问题一直是岩土工程界研究的课题之一，在隧洞开挖过程中，不同的施工开挖方式会对隧洞围岩稳定产生不同的影响，直接影响着工程的质量、进度及经济等方面。选择合理的施工开挖方式，可以更好的有利于围岩稳定。目前，隧洞开挖方法主要有全断面法、上下台阶法、分部开挖法、双侧壁导洞法、交叉中壁法等。每种开挖方法都有其最适合的地质条件，其中，全断面法是按照设计要求一次成型的施工方法，此方法一般适用于岩质完整的硬岩石。上下台阶法主要适用于Ⅱ，Ⅲ类围岩。不同的开挖方法其施工工艺、施工效果均不相同，在掌握隧洞围岩力学特性的基础上，应根据其地质条件选择适合的施工开挖方法。

1 隧洞开挖方案的数值模拟

1)计算模型与参数。

笔者采用FLAC3D三维数值分析软件[3]进行模拟，图1表明了FLAC3D所包含的一般计算过程，此软件采用显式差分方法，可以求得任意的非线性应力—应变本构方程。数值模拟计算选用摩尔—库仑模型，其是FLAC3D内置有多个力学模型中的其中一种，这种模型的破坏线对应于摩尔—库仑屈服准则加上拉伸分离点，与拉应力流动法则相关联而与剪切流动不相关联。由于摩尔—库仑屈服准则体现了岩土材料压剪破坏的实质，所以得到了广泛的应用。

某工程含四个隧洞，平均洞线长度约16.67 km，洞径13 m，一般埋深1 500 m～2 000 m，笔者选取具有代表性的Ⅱ类围岩建立FLAC3D数值计算模型，计算模型选择在距离进水口+10 900 m处，三维数值模拟模型在隧洞轴向取300 m，垂直隧洞轴线方向取420 m，铅直方向由隧洞轴线高程上取200 m、下取150 m，此范围内隧洞岩石基本为三迭系中统白山组，模拟计算参数见表1。

表1 数值模拟计算参数

其中，Mohr-Coulomb弹塑性材料模型中的体积模量K和剪切模量G采用以下公式换算求得：

(1)

(2)

其中，E为弹性模量；μ为泊松比。

2)开挖方案。

为了尽可能考虑实际的施工情况，在隧洞的开挖模拟过程中采用全断面开挖与上下台阶开挖两种开挖方式。即①进行全断面开挖模拟计算；②进行上下台阶开挖计算，首先开挖上半断面，最后开挖下半隧洞。对这两种开挖施工方法导致的应力场、位移场及塑性区进行分析比较，以此判断隧洞在不同开挖方法下围岩的稳定情况，为解决隧洞开挖的设计和施工提供重要的理论意义和工程实际价值。

2 模拟结果分析

1)应力场分析。

隧洞经过开挖使得围岩发生卸荷回弹变形和应力重分布，应力场变为不均匀应力场。根据模拟计算结果，隧洞侧壁出现应力集中现象，并不断向围岩内部转移，在围岩内部、洞周出现应力释放现象，最终在围岩内部形成高应力区。

从表2中可以看出，方案①开挖后的最大主应力为96.07MPa，比方案②增加了1.5MPa，两种方案产生的最终应力场基本相同。但是，方案②使得围岩应力场的变化影响较大。根据模拟过程看出，上台阶开挖后，上半洞周出现了一部分拉应力区域，此时最大主应力比方案①大，达到了97.37MPa；随着下台阶开挖完毕，围岩应力最终都为压应力，拉应力现象消失，且压应力主要发生在隧洞的左右侧墙处，最后达94.43MPa。

2)位移场分析。

侧墙位移、顶拱位移及底部位移是隧洞开挖过程中位移监测的主要内容，也是围岩应力状态变化的最直接反映。采用不同方式开挖时，监测位移见表2。根据表2的模拟计算结果可知，采用上下台阶开挖法时，其位移均大于全断面开挖，尤其顶拱位移在两种开挖方式相差较大。

两种开挖方案的变形过程与全断面开挖变形规律基本相同。由于全断面开挖是一次性开挖完成，而对于第②种开挖方案，上下台阶开挖当上半部分隧洞开挖完成后，各监测位移场均出现了很大的变化，尤其围岩的顶拱位移下沉已达位移总量的90%，侧墙位移达75%，当下半部分隧洞开挖完成后，根据数值模拟结果可知，下台阶开挖所导致的顶拱位移较小于对侧墙的影响。

表2 隧洞围岩应力及位移模拟计算成果

3)塑性区分析。

图2和图3反映了隧洞在两种开挖方法之下的塑性状态，从中可以看出，两种开挖方案的塑性区状态基本相同，隧洞开挖后洞周均出现一定的塑性区，由于在模拟分析计算中并没有施加支护，所以塑性区范围都较大，达6.5m～8m。但相比较，方案②拉剪破坏的范围比方案①小，尤其是在下半断面的洞周并没有出现拉剪破坏。所以，相比之下，上下台阶开挖在塑性区方面优于全断面开挖。

3 结语

通过FLAC3D三维数值分析软件对全断面开挖和上下台阶开挖两种开挖方式进行了模拟分析。根据模拟分析结果可知，采用上下台阶开挖产生的洞周各部分监测位移量较大，不过顶拱位移与侧墙位移主要发生在上半隧洞开挖完成后。虽然方案②在上半隧洞开挖后，洞周出现了一部分拉应力区域，但两种开挖方案产生的最终应力场、塑性区分布的范围却基本相同，围岩整个区域处于受压状态，且压应力主要发生在隧洞的左右侧墙处，开挖完成后最大主应力值仅相差1.5MPa。很显然，两种开挖方法产生的应力场、位移场及塑性区的影响并没有产生太大的差别。但采用上下台阶开挖法施工时，对围岩的扰动较大，应力重分布的过程较复杂。

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Numerical simulation analysis about tunnels under different excavation modes

Zhang Guoping

(CollegeofCivil&EnvironmentEngineering,ZhongshanVocationalCollege,Nanjing210049,China)

Take the second class surrounding rock as the research object, through the FLAC3Dnumerical simulation, this paper analyzed the variation rules of stress, deformation and plastic range of the surrounding rock in the process of excavation, selected full-face and up-down excavation, to provide important theoretical significance and practical value about design and construction of tunnels.

excavation modes, tunnels, stability, simulation analysis

2014-12-12

张国平(1979- )，男，讲师

1009-6825(2015)06-0178-02

U455

A