基于FLAC3D的高速公路隧道两种开挖方式稳定性分析

赵宁远+魏江波

摘 要：采用数值计算对高速公路隧道施工过程进行分析，得到了施工过程中围岩的变形和支护结构的受力状态。结果表明，随着开挖的推进，中隔墙上部以及洞侧壁处围压变形和应力较为集中，易产生相关地质灾害。所以，在相关工程施工过程中应该对以上部位进行高质量的支护防灾。对于底部在中墙位置隆起较为严重，所以应该加强此处的加固措施，条件允许是可开挖较深施做浅基础。

关键词：隧道；围岩；数值计算

中图分类号：U412.36+6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）35-0009-03

1 概述

近年來，随着经济建设及基础设施的快速发展，我国对于高速公路的需求越为强烈。为更好的选线施工，减少施工期间地质灾害的威胁，方便施工以及满足交通需求，必须开山造路或者凿洞通路，这也就面临隧道开挖相关复杂地质问题。目前，山岭隧道越来越多，比如川兰铁路的山岭隧道占到了线路总长的一半，而山岭隧道所遇到的围岩复杂多变，构造运动影响强烈，隧道断面的跨度也越来越大，所以不同的断面形式在一定方面适应复杂地区隧道的开挖。随着开挖期间的多期次开挖扰动使得岩体强度明显减弱，岩体破碎严重，其自身稳定性明显降低，同时也造成后期施工难度加大，软弱夹层地带更为明显，易产生类型及机制较为复杂的地质灾害。本文在基于FLAC数值软件的计算下，主要对Ⅵ级围岩下的大跨度隧道在不同的开挖方式下其对应围岩稳定性进行对比分析研究。

2 计算方案

2.1 计算模型

某隧道长约270m，围岩为Ⅴ、Ⅵ级，开挖跨径最大为37.0m，埋深最大为75m。研究区地貌主要为侵蚀山地和剥蚀山地，地层岩性主要为人工填土、碎石、粉砂泥质岩和泥岩组成，隧道入口所出露岩性为残破积亚粘土夹碎石。整个隧道横穿山岭地带，且隧道入口比较陡峭，坡度角约为50°，隧道出口较入口比较缓，坡角约30°。

以隧道入口所出露岩性为研究对象，运用FLAC3D软件建立三维地质及结构模型（见图1）。

由于数值模型的建立必然会受到边界效应的影响，所以在所建模型之时，将模型埋深取为48.5m，隧道左右内壁距模型边缘均为50m，沿隧道垂直走向方向长度为120m，隧道内壁顶部距底部边界为40m，沿隧道走向方向长度为10m。模型边界条件设置为位移边界条件，模型底部约束x、y和z三个方向的的自由度，前后左右约束水平方向的自由度，顶部设置为自由边界。在模型中，运用cable结构单元来模拟支护工作中的锚杆，采用zone实体单元来模拟钢拱架喷射砼和二衬结构。当几何模型构建好之后对不同组分进行岩土体力学参数赋值，构建物理模型。其主要岩土体参数如表1所示。

2.2 开挖方案

隧道开挖方案选择CD法进行施工，采用C30型号混凝土进行中墙施工，施工工序见图2，主要步骤分为开挖和支护共4步，即4个导洞。第一步开挖的导洞为左上角导洞，第二部为左下角导洞，第三步为右上角导洞，第四步为右下角导洞。而中隔壁开挖法是在隧道中，先开挖一侧，之后进行中隔壁施工，然后再进行另一侧的施工开挖，与CD法有所差别。CD法原理是：将整个隧道断面以中心点进行十字架式的划分为左右上下4个小断面，并对四个断面分步单独施工，进而形成一个整体的大隧道。同时利用在开挖工程中围岩的短期自身稳定能力，采用型钢进行围岩壁支护与初喷相结合形成初期支护结构，确保掘进安全。

3 计算结果分析

3.1 围岩变形分析

3.1.1 全断面开挖围岩竖向位移分析

采用全断面开挖隧道过程模拟结果见图3、图4所示。全断面开挖并施做衬砌后，拱顶和拱底处的竖向位移最大，其值分别为-50mm，50mm。拱腰处位移较小，趋于0mm。水平位移在隧道周围均较小，最大为4mm，最小为0mm。

3.1.2 CD开挖围岩竖向位移结果

采用CD法开挖隧道过程模拟结果见图5-图8所示。左上导洞开挖并施做中隔壁后，最大位移在上导洞底部，向上拱起25mm，拱顶部位向下沉降-15mm；第二阶段为左下导洞开挖，施做相应的中隔壁和衬砌后，左下导洞洞底的位移达到30mm，拱顶部位为24mm，拱腰部位竖直位移均较小，第三阶段为右上导洞开挖，最大竖直位移出现在左下导洞的洞底部位，达到了35mm，拱顶最大出现在中隔壁右侧导洞，位移为-35；第四阶段为右下导洞的开挖，拱顶与拱底的位移相对第三阶段而言几乎没有变化，由于中隔壁和衬砌已成环形受力构件，有效的减少了隧洞竖向位移的变化。

3.1.3 两种开挖方式围岩竖向位移结果比较

模型运算过程中对隧道周围的关键点进行了位移检测，图9中横坐标1为左导洞拱腰处节点，2为左导洞拱肩处节点，3为拱顶处节点，4为右导洞拱肩处节点，5为右导洞拱腰处节点，6为拱底处节点。从图9可以看出，用CD 法进行隧道开挖竖向位移整体小于全断面开挖。

3.2 围岩压力计算分析

3.2.1 全断面开挖围岩应力分析

隧道开挖过程中的围岩压力计算结果如下图所示。隧道开挖后隧洞周围岩压力较小，岩体的围岩压力沿中墙中轴线对称分布。左右导洞都开挖后，其围岩压力都不大，隧道开挖并施做完衬砌后，隧道围岩最大主应力为-0.2Mpa，最小主应力几乎趋于零。

3.2.2 CD法开挖围岩应力分析

隧道开挖围岩应力计算结果如下图所示。中导洞施工完后，其围岩压力较小，接近于0。左右导洞都开挖后，围岩压力都不大，如图12所示，岩体的围岩压力呈现轴对称特征，最大为1.4MPa，主要分布于中轴线上部。左上洞开挖后，围岩压力最大为0.9MPa，分布于左导洞两侧拱肩处，如图13所示；左下洞开挖后，围岩压力最大为1.2MPa，分布在左导洞两侧拱腰处，如图14所示；右上洞开挖后，在中隔墙的上部有拉应力出现，并逐渐扩大形成拉应力区，且最大拉应力为0.8MPa，最大围岩压力分布于右导洞拱腰处与中隔墙的底板位置处，且最大围压为0.8MPa，如图15所示；右下洞开挖后，在中隔墙的顶部形成拉应力区，最大拉应力为0.5MPa，二衬施作后，围岩压力变化趋于稳定。

3.2.3 两种开挖方式围岩应力结果比较

模型运算过程中对隧道周围的关键点进行了应力检测，如下图中横坐标1为左导洞拱腰处节点，2为左导洞拱肩处节点，3为拱顶处节点，4为右导洞拱肩处节点，5为右导洞拱腰处节点，6为拱底处节点。从图16、图17可以看出，用CD 法进行隧道开挖应力整体小于全断面开挖。

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