基于环形开挖留核心土法的公路隧道围岩应力分析*

刘玉飞 刘海明 郭伟

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

随着中国公路隧道建设不断扩张，对于环形开挖留核心土法开挖方式下隧道围岩应力变化规律的理论也在不断发展。陆文超等[1]通过算例给出了围岩应力分布和沉降曲线；林乐彬等[2-5]通过计算机软件研究了隧道围岩应力变化规律；沈习文等[6]对隧道净距、进口斜坡坡度、埋深对围岩应力的影响进行了分析；许光磊[7]研究了软弱围岩隧道围岩及支护结构力学状态；黄强[8]分析了某小净距隧道施工过程中围岩应力的变化情况；曹净等[9]对地面非对称填载作用下既有明挖隧道围岩的破坏模式与围岩压力计算进行了研究；刘敬亮等[10]对比分析了CRD法、双侧壁导坑法、环形开挖预留核心土法的优缺点。

本文在上述研究的基础上分析公路隧道开挖的围岩应力变化规律，根据模拟结果选取环形开挖留核心土法中对开挖围岩稳定性影响相对较小且经济性更好的开挖方式，对隧道工程施工具有借鉴和指导意义。

1 计算工况及参数的选取

环形开挖预留核心土法开挖进尺为0.6 m，台阶长度为8 m，开挖示意图如图1所示。因隧道左右线对称分布并同步开挖，选取阿嘎下左线隧道进行应力监测。图2为围岩监测点示意图。根据阿嘎下隧道的工程概况，模拟隧道K19+160～K19+300段，通过MIDAS GTS NX建立三维模型，模型围岩等级为V级强风化糜棱岩，针对裂隙水发育及岩体破碎V级围岩，采用环形开挖留核心土法对阿嘎下隧道进行模拟开挖。

图1 环形开挖留核心土法开挖示意

图2 围岩监测点示意

模型计算区域：隧道平均埋深取35 m，地下水位线高度取95～105 m，为了消除边界条件的影响，从隧道开挖区域向两侧各取略大于5倍的洞径，向下取略大于5倍的洞高，向上至地表，模型尺寸横向长240 m，竖向高116～126 m，纵向沿隧道轴线方向长140 m，环形开挖划分为359 534个单元和242 059个节点，在提取模型数据时，为了消除隧道轴线方向边界影响，提取模型轴向区间80～100 m段(即模型中心区间20 m)结果作为研究依据，计算模型如图3所示，围岩及隧道衬砌的相关物理力学参数见表1。建模3D，重力方向为z方向，重力加速度9.8 m/s2，水的容重选取9.8 kN/m3。边界约束：为避免模型形成临空面，导致模型无法分析计算，模型左右侧x方向水平约束，前侧与后侧y方向水平约束，底部z方向竖直约束。

图3 隧道模型网格

表1 阿嘎下隧道物理参数

2 隧道围岩应力模拟结果分析

根据图2监测点的布置，阿嘎下隧道采用环形开挖预留核心土法，隧道间距分别为1、2、3、4、5d(d为隧道净宽)时，隧道不同注浆圈左线与右线同步开挖围岩应力云图及应力变化曲线见图4—图13，注浆圈分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5d(d为隧道净宽)时，隧道不同开挖间距左线与右线同步开挖应力变化曲线见图14—图18。

图4 核心土1 d间距0.3 d注浆圈应力图

图5 核心土1 d隧道间距应力图

图6 核心土2 d间距0.3 d注浆圈应力图

图7 核心土2 d隧道间距应力图

图8 核心土3 d间距0.3 d注浆圈应力图

图9 核心土3 d隧道间距应力图

图10 核心土4 d间距0.3 d注浆圈应力图

图11 核心土4 d隧道间距应力图

图12 核心土5 d间距0.3 d注浆圈应力图

图13 核心土5 d隧道间距应力图

图14 核心土0.1 d注浆圈应力图

图15 核心土0.2 d注浆圈应力图

图16 核心土0.3 d注浆圈应力图

图17 核心土0.4 d注浆圈应力图

图18 核心土0.5 d注浆圈应力图

以1d至5d(d为隧道净宽)间距0.3d注浆圈为研究对象，从5幅0.3d注浆圈应力云图中可以看出，隧道开挖完成后，由于开挖围岩造成围岩应力重新分布，左右线隧道开挖部分应力变化明显，离开挖区域较远时，应力云图随着深度呈线性分布[11-14]，具体变化规律如下：

核心土法拱顶应力最小，在隧道间距为1d至4d并随着注浆圈从0.1d增加到0.4d时，拱顶应力减小，减小的趋势并不明显。隧道间距为5d时，拱顶应力随着注浆圈的增加而增大。

核心土法在1d至5d隧道间距，左拱肩与右拱肩应力曲线基本重合，应力相差不大，随着注浆圈从0.1d增加到0.5d时，左拱肩与右拱肩应力随着注浆圈的增加反而减小。

核心土法在1d至4d隧道间距，随着注浆圈的增加左拱腰应力小于右拱腰应力。在5d隧道间距时，应力曲线基本重合，应力相差不大。

核心土法左拱墙与右拱墙应力较其他监测点最大，隧道间距从1d增加至2d时，应力曲线基本重合。隧道间距2d增加至5d时，左拱墙应力明显大于右拱墙应力，注浆圈从0.2d增加至0.5d时，应力逐渐减小。

核心土法对于左拱脚与右拱脚应力，隧道间距在1d且注浆间距从0.1d增加至0.2d时，左拱脚应力大于右拱脚应力，从0.2d增加至0.5d，左拱脚应力小于右拱脚应力。隧道间距在2d增至3d且注浆间距从0.1d增加至0.2d时，左拱脚的应力大于右拱脚应力，从0.2d增加至0.5d，应力曲线基本重合，应力相差不大。隧道间距从3d增至5d时，左拱脚应力大于右拱脚应力，注浆圈从0.2d增加至0.5d时，拱脚应力逐渐减小。

由图14—图18可知，环形导坑预留核心土开挖，注浆圈固定时，应力变化规律如下：

核心土开挖拱顶应力随着注浆圈从0.1d增至0.5d(d为隧道净宽)且开挖间距从1d增加到5d时，应力随着开挖间距的增加而减小。

核心土开挖左拱肩和右拱肩应力随着注浆圈从0.1d增至0.5d且隧道间距在1d至5d时，应力曲线基本重合，应力相差不大，应力随着隧道开挖间距的增大而减小。

核心土开挖左拱腰和右拱腰的围岩应力在隧道间距为1d至4d时，右拱腰应力比左拱腰应力大，在5d隧道间距时，应力接近，总体上呈现随着开挖间距的增加应力减小。

核心土开挖左拱墙与右拱墙应力在注浆圈0.1d至0.5d变化且隧道间距1d增至2d时，应力曲线接近，相差不大，2d至5d隧道间距时，左拱墙应力明显大于右拱墙，总体呈现随着开挖间距增加应力减小，并且在整个开挖断面模拟监测点中应力最大，因此，在监测时应着重考虑拱墙应力监测。

核心土开挖左拱脚与右拱脚应力在0.1d注浆圈时，左拱脚的应力大于右拱脚的应力，且应力随开挖间距的增大而减小；在0.2d至0.5d注浆圈且开挖间距从1d增至3d时，曲线很接近，相差不大，从开挖间距3d增至5d时，左拱脚的应力大于右拱脚的应力，同时呈现随着开挖间距的增加应力减小。

为了进一步研究核心土开挖合适的注浆圈厚度，从最优开挖间距3～4d中选取3d为隧道间距对不同注浆圈各监测点的应力变化数据进行统计分析，主要统计各不同监测点如拱顶、左拱肩、右拱腰、左拱脚、左拱墙的最大应力值，结果如表2所示。

表2 核心土法3 d隧道间距不同注浆圈围岩监测点应力统计 kPa

3 结论

本文通过隧道工程理论和有限元软件对公路隧道采用环形开挖留核心土法开挖时围岩应力进行分析，主要得到以下结论：

(1)综合考虑环形导坑预留核心土隧道开挖方式下，为减小围岩应力和使隧道施工更便捷，建议隧道施工开挖间距为3～4d(d为隧道净宽)。

(2)该开挖法拱顶0.5d注浆圈时围岩最小应力为37.24 kPa，左拱墙0.5d注浆圈时最大应力为1 882.66 kPa，因此需重点监测左拱墙以避免应力集中导致围岩破坏。

(3)以左拱墙0.1d注浆圈应力为基础，0.2d注浆圈时应力增加0.48%，0.3d注浆圈时应力增加0.52%，0.4d注浆圈时应力增加1.5%，0.5d注浆圈时应力增加2.4%。

(4)仅考虑右拱墙围岩应力最小时，建议注浆圈为0.1d，但是综合考虑后建议采用0.3d厚度的注浆圈，因为0.3d注浆圈最大围岩应力只增加0.52%，影响较小。