不良地質(zhì)條件下的隧道施工模擬與比較

李向旺　李之達(dá)　邵　玉

(1.西藏山南地區(qū)交通運(yùn)輸局　山南　856000;　2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院　武漢　430063)

不良地質(zhì)條件下的隧道施工模擬與比較

李向旺1,2李之達(dá)2邵玉2

(1.西藏山南地區(qū)交通運(yùn)輸局山南856000;2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院武漢430063)

摘要結(jié)合某隧道設(shè)計(jì)與施工，采用數(shù)值方法，對(duì)不同圍巖的隧道、不同施工方式進(jìn)行數(shù)值模擬，得到隧道施工中各處的位移和應(yīng)力。為隧道設(shè)計(jì)與施工提供參考。

關(guān)鍵詞隧道施工數(shù)值模擬

目前我國(guó)公路隧道的研究?jī)?nèi)容和方向圍繞長(zhǎng)大隧道[1-3]、特殊地質(zhì)條件[4-5]、優(yōu)化施工方法[6-7]等方面進(jìn)行開(kāi)展，并且取得了豐碩的成果，尤其是對(duì)隧道施工進(jìn)行模擬和監(jiān)測(cè)。對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析及模擬計(jì)算，可以對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性做出合理的評(píng)價(jià)和符合實(shí)際的預(yù)測(cè)，使得現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果能更加有效地應(yīng)用于隧道工程的施工決策[8]。本文結(jié)合某隧道設(shè)計(jì)與施工，利用“反轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法”，把沿開(kāi)挖邊界上的初始地應(yīng)力反向后轉(zhuǎn)換成等價(jià)的“釋放荷載”，對(duì)隧道施工進(jìn)行開(kāi)挖模擬，得到隧道施工中各處的位移和應(yīng)力。

1　計(jì)算模型

1.1工程背景

本文所討論的隧道為分離式雙洞隧道。隧道進(jìn)出口覆蓋層較厚，為粘土夾碎石，中部為微風(fēng)化凝灰?guī)r。隧道III級(jí)圍巖占51.5%，IV級(jí)圍巖占14.5%，V級(jí)圍巖占34%。相對(duì)而言，地質(zhì)條件比較惡劣。

1.2參數(shù)的選取

參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，選取圍巖與襯砌物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　圍巖與襯砌物性參數(shù)

通常將圍巖視為彈塑性材料，并采用如下Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。

(1)

式中：I1為應(yīng)力張量的第一不變量；J2為應(yīng)力偏張量的第二不變量。

(2)

1.3開(kāi)挖模擬

采用生死單元模擬隧道開(kāi)挖。有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1　有限元計(jì)算模型

計(jì)算工況：①I(mǎi)II級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖;②IV級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖;③IV級(jí)圍巖上下臺(tái)階開(kāi)挖;④V級(jí)圍巖上下臺(tái)階開(kāi)挖;⑤V級(jí)圍巖環(huán)形臺(tái)階開(kāi)挖。

2　計(jì)算結(jié)果與分析

2.1III級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖

隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)和破壞，從而引起位移場(chǎng)與應(yīng)力的變化。以豎向位移和第三主應(yīng)力為例，見(jiàn)圖2和3。

圖2 全斷面開(kāi)挖后圖3 全斷面開(kāi)挖后第

Y向位移云圖 三主應(yīng)力云圖

由圖2和圖3可見(jiàn)，隧道開(kāi)挖后，圍巖拱頂下沉0.5mm，應(yīng)力為0.52MPa；仰拱向上0.5mm，應(yīng)力0.68MPa，兩側(cè)邊墻的水平位移不到0.4mm，拱腰和拱腳處的應(yīng)力分別為2.15MPa和3.38MPa。顯然，III級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

2.2IV級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖

位移場(chǎng)和應(yīng)力云圖與III級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖的圖2和圖3類(lèi)似。拱頂下沉1mm，仰拱向上1mm，兩側(cè)邊墻的水平位移不到1mm。拱頂處應(yīng)力為0.44MPa，拱腰處和拱腳處的應(yīng)力分別為1.76MPa和3.02MPa，仰拱底部的應(yīng)力值較小，只有0.43MPa。

2.3IV級(jí)圍巖上下臺(tái)階開(kāi)挖

上下臺(tái)階法是指首先開(kāi)挖上部分并進(jìn)行支護(hù)，然后再開(kāi)挖下部分，再進(jìn)行支護(hù)的一種施工方法。見(jiàn)圖4和5。

圖4 上臺(tái)階開(kāi)挖Y圖5 下臺(tái)階開(kāi)挖Y

向位移云圖 向位移云圖

由圖4和圖5可見(jiàn)，上臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，兩側(cè)邊墻的水平位移不到0.5mm；圖5表明下臺(tái)階后，位移改變不大。比全斷面開(kāi)挖的位移小。

同時(shí)，上臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂處應(yīng)力為0.33MPa，拱腰處和拱腳處的應(yīng)力為1.62MPa和2.39MPa，仰拱處應(yīng)力0.43MPa；而下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂處應(yīng)力為0.5MPa，拱腰處和拱腳處應(yīng)力分別為1.78MPa和2.68MPa，仰拱底部的應(yīng)力只有0.13MPa。顯然，IV級(jí)圍巖上下臺(tái)階開(kāi)挖的位移與應(yīng)力較全斷面開(kāi)挖的小。

2.4V級(jí)圍巖上下臺(tái)階開(kāi)挖

位移場(chǎng)云圖與IV級(jí)圍巖上下臺(tái)階開(kāi)挖的圖4和圖5類(lèi)似。下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，兩側(cè)邊墻的水平位移不到0.5mm。同時(shí)，上臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂處應(yīng)力為0.43MPa，拱腰處和拱腳處的應(yīng)力為1.96MPa和3.11MPa，仰拱處應(yīng)力0.43MPa；而下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂處應(yīng)力為0.5MPa，拱腰處和拱腳處應(yīng)力分別為2.01MPa和3.31MPa，仰拱底部的應(yīng)力只有0.31MPa。

2.5V級(jí)圍巖環(huán)形臺(tái)階開(kāi)挖

環(huán)形臺(tái)階開(kāi)挖，是指首先開(kāi)挖上部環(huán)形部分(留上部核心土)并進(jìn)行支護(hù)，然后再移去核心土并開(kāi)挖下部分，再進(jìn)行支護(hù)的一種施工方法。見(jiàn)圖6和7。

圖6 上臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖圖7 下臺(tái)階環(huán)形開(kāi)

Y向位移 挖Y向位移

由圖6和圖7可見(jiàn)，下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂下沉0.5mm，仰拱向上0.5mm，兩側(cè)邊墻的水平位移不到0.5mm。同時(shí)，上臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂應(yīng)力為0.21MPa，拱腰處和拱腳處的應(yīng)力分別為1.58MPa和2.19MPa，仰拱底部的應(yīng)力0.52MPa。下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂處應(yīng)力為0.49MPa，拱腰處和拱腳處的應(yīng)力分別為1.61MPa和2.34MPa，仰拱底部的應(yīng)力為0.24MPa。顯然，V級(jí)圍巖環(huán)形臺(tái)階開(kāi)挖的位移與應(yīng)力較上下臺(tái)階開(kāi)挖的小。

3　結(jié)論

本文結(jié)合某隧道設(shè)計(jì)與施工，采用數(shù)值方法，對(duì)隧道施工進(jìn)行模擬，得到隧道施工中各處的位移和應(yīng)力。結(jié)果表明：

III級(jí)圍巖采用全斷面開(kāi)挖方式施工，其最大位移不超過(guò)0.5mm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

收稿日期：2015-06-17

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.027