不良地质条件下的隧道施工模拟与比较

2015-12-21李向旺李之达

交通科技 2015年4期

关键词：下台阶仰拱拱顶

李向旺　李之达　邵　玉

(1.西藏山南地区交通运输局　山南　856000;　2.武汉理工大学交通学院　武汉　430063)

不良地质条件下的隧道施工模拟与比较

李向旺1,2李之达2邵玉2

(1.西藏山南地区交通运输局山南856000;2.武汉理工大学交通学院武汉430063)

摘要结合某隧道设计与施工，采用数值方法，对不同围岩的隧道、不同施工方式进行数值模拟，得到隧道施工中各处的位移和应力。为隧道设计与施工提供参考。

关键词隧道施工数值模拟

目前我国公路隧道的研究内容和方向围绕长大隧道[1-3]、特殊地质条件[4-5]、优化施工方法[6-7]等方面进行开展，并且取得了丰硕的成果，尤其是对隧道施工进行模拟和监测。对施工过程进行数值分析及模拟计算，可以对隧道围岩稳定性做出合理的评价和符合实际的预测，使得现场量测结果能更加有效地应用于隧道工程的施工决策[8]。本文结合某隧道设计与施工，利用“反转应力释放法”，把沿开挖边界上的初始地应力反向后转换成等价的“释放荷载”，对隧道施工进行开挖模拟，得到隧道施工中各处的位移和应力。

1　计算模型

1.1工程背景

本文所讨论的隧道为分离式双洞隧道。隧道进出口覆盖层较厚，为粘土夹碎石，中部为微风化凝灰岩。隧道III级围岩占51.5%，IV级围岩占14.5%，V级围岩占34%。相对而言，地质条件比较恶劣。

1.2参数的选取

参照《公路隧道设计规范》[9]，选取围岩与衬砌物性参数见表1。

表1　围岩与衬砌物性参数

通常将围岩视为弹塑性材料，并采用如下Drucker-Prager屈服准则。

(1)

式中：I1为应力张量的第一不变量；J2为应力偏张量的第二不变量。

(2)

1.3开挖模拟

采用生死单元模拟隧道开挖。有限元计算模型见图1。

图1　有限元计算模型

计算工况：①III级围岩全断面开挖;②IV级围岩全断面开挖;③IV级围岩上下台阶开挖;④V级围岩上下台阶开挖;⑤V级围岩环形台阶开挖。

2　计算结果与分析

2.1III级围岩全断面开挖

隧道开挖对围岩产生不同程度的扰动和破坏，从而引起位移场与应力的变化。以竖向位移和第三主应力为例，见图2和3。

图2 全断面开挖后图3 全断面开挖后第

Y向位移云图三主应力云图

由图2和图3可见，隧道开挖后，围岩拱顶下沉0.5mm，应力为0.52MPa；仰拱向上0.5mm，应力0.68MPa，两侧边墙的水平位移不到0.4mm，拱腰和拱脚处的应力分别为2.15MPa和3.38MPa。显然，III级围岩全断面开挖设计满足规范要求。

2.2IV级围岩全断面开挖

位移场和应力云图与III级围岩全断面开挖的图2和图3类似。拱顶下沉1mm，仰拱向上1mm，两侧边墙的水平位移不到1mm。拱顶处应力为0.44MPa，拱腰处和拱脚处的应力分别为1.76MPa和3.02MPa，仰拱底部的应力值较小，只有0.43MPa。

2.3IV级围岩上下台阶开挖

上下台阶法是指首先开挖上部分并进行支护，然后再开挖下部分，再进行支护的一种施工方法。见图4和5。

图4 上台阶开挖Y图5 下台阶开挖Y

向位移云图向位移云图

由图4和图5可见，上台阶开挖后，拱顶下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，两侧边墙的水平位移不到0.5mm；图5表明下台阶后，位移改变不大。比全断面开挖的位移小。

同时，上台阶开挖后，拱顶处应力为0.33MPa，拱腰处和拱脚处的应力为1.62MPa和2.39MPa，仰拱处应力0.43MPa；而下台阶开挖后，拱顶处应力为0.5MPa，拱腰处和拱脚处应力分别为1.78MPa和2.68MPa，仰拱底部的应力只有0.13MPa。显然，IV级围岩上下台阶开挖的位移与应力较全断面开挖的小。

2.4V级围岩上下台阶开挖

位移场云图与IV级围岩上下台阶开挖的图4和图5类似。下台阶开挖后，拱顶下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，两侧边墙的水平位移不到0.5mm。同时，上台阶开挖后，拱顶处应力为0.43MPa，拱腰处和拱脚处的应力为1.96MPa和3.11MPa，仰拱处应力0.43MPa；而下台阶开挖后，拱顶处应力为0.5MPa，拱腰处和拱脚处应力分别为2.01MPa和3.31MPa，仰拱底部的应力只有0.31MPa。

2.5V级围岩环形台阶开挖

环形台阶开挖，是指首先开挖上部环形部分(留上部核心土)并进行支护，然后再移去核心土并开挖下部分，再进行支护的一种施工方法。见图6和7。

图6 上台阶环形开挖图7 下台阶环形开

Y向位移挖Y向位移

由图6和图7可见，下台阶开挖后，拱顶下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，两侧边墙的水平位移不到0.5mm。同时，上台阶开挖后，拱顶应力为0.21MPa，拱腰处和拱脚处的应力分别为1.58MPa和2.19MPa，仰拱底部的应力0.52MPa。下台阶开挖后，拱顶处应力为0.49MPa，拱腰处和拱脚处的应力分别为1.61MPa和2.34MPa，仰拱底部的应力为0.24MPa。显然，V级围岩环形台阶开挖的位移与应力较上下台阶开挖的小。