深埋软岩隧道开挖数值模拟分析

谢志辉 饶根

（中交三公局第一工程有限公司 北京 100012）

1 工程概况

该工程区位于华南褶皱系右江褶皱带，其构造格架以印支—燕山运动为主，其褶皱类型有纳丹向斜、巴合背斜等。右江断裂受喜山、新构造作用的影响较大，而近场区的其他构造活动较少。大致以百色、思林为界，可分为3大段，即百色以西段、百色—思林段、思林—坛洛段。

2 隧道开挖

上加山隧道全长4.11km，其中5段为1.193km，4段为2.152km，3段为0.77km。左线上加山隧道的起始里程为ZK1+925～ZK6+013，全长4088m，坡度为1.15%、-1.2%；右线隧道的起始里程为YK1+895～YK6+010，长4115m，坡率1.15%、-1.2%。上加山隧道采用两侧进洞，双侧掘进。

3 利用FLAC3D进行数值模拟

通过数值模拟得到3 种不同开挖方式，本构模型是以摩尔库伦准则和最大拉应力准则的摩尔—库伦弹性力学模型。

常用的材料参数是、，其与弹性模量、泊松比的转换关系为：

式中：为体积变形模量（kPa）；为剪切变形模量（kPa）。

3.1 计算基本假定

（1）模型中的围岩及支撑材料均采用连续均匀的理想结构。

（2）仅将自重应力作为地层初始地应力。

（3）模型的两边边界与隧道的两边边界都是50m，而模型的上下边界则是100m以下的边界。

（4）将左、右边界设定为横向位移限制，下边界设定为垂直位移限制，上边界设定为自由边界，并对其进行等效埋深荷载。

3.2 围岩在不同开挖条件下的受力特性分析

本节通过对不同开挖方法下的围岩变形进行比较，得出了不同开挖方法对隧道施工的影响。

3.2.1 竖向位移分析

通过3 种不同的开挖方法，在隧道开挖完毕后得到竖直方向位移分布云图，从图1 至图3 中不难发现，环形开挖留核心土竖向位移变形量最小，全断面最大。

图1 环形开挖留核心土竖向方向位移分布云图

图2 上下台阶开挖竖向方向位移分布云图

图3 全断面开挖方法竖向方向位移分布云图

3.2.2 最大位移分布云图

在不同的开挖方式下，比较最大位移分布云图4至图6中，上下台阶法最大位移云图位移较小。

图4 环形开挖留核心土最大位移分布云图

图5 上下台阶开挖最大位移分布云图

图6 全断面开挖方法最大位移分布云图

3.2.3 竖向应力布云图

通过3 种不同的开挖方法，获得了隧道的垂直应力分布，如图7 至图9 所示，环形开挖保留了中心土的垂直应力，拱顶处的应力比基坑的压力大，隧道的两边都有环形的压力。在拱脚部位，垂直应力比上部高，中部受力大，拱脚受力小。采用全断面开挖垂直模拟，基坑底部垂直应力较大，两侧应力分布比较分散，不存在应力集中，采用保留土法进行支护，使其受力比较均匀。

图7 环形开挖留核心土竖向应力分析

图8 上下台阶开挖竖向应力分析

图9 全断面开挖方法竖向应力分析

通过数值模拟，对比竖向位移、最大位移、竖向应力，可以发现采用环形开挖留核心土方法模拟竖向方向位移分布云图、最大位移分布云图、围岩竖向应力分布云图，要比全断面法、上下台阶法小得多，采用环形开挖留核心土法是较好的施工开挖的方法。

4 结语

本次根据围岩情况和隧道跨度，设计采用环形开挖留核心土、上下台阶开挖及全断面开挖方法，根据了这些开挖方式进行相应的数值模拟，根据模拟进行分析，对应力、位移大的地方易造成破坏的及时加固处理提供依据。