深埋軟巖隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬分析

謝志輝 饒根

（中交三公局第一工程有限公司 北京 100012）

1 工程概況

該工程區(qū)位于華南褶皺系右江褶皺帶，其構(gòu)造格架以印支—燕山運(yùn)動(dòng)為主，其褶皺類型有納丹向斜、巴合背斜等。右江斷裂受喜山、新構(gòu)造作用的影響較大，而近場(chǎng)區(qū)的其他構(gòu)造活動(dòng)較少。大致以百色、思林為界，可分為3大段，即百色以西段、百色—思林段、思林—壇洛段。

2 隧道開(kāi)挖

上加山隧道全長(zhǎng)4.11km，其中5段為1.193km，4段為2.152km，3段為0.77km。左線上加山隧道的起始里程為ZK1+925～ZK6+013，全長(zhǎng)4088m，坡度為1.15%、-1.2%；右線隧道的起始里程為YK1+895～YK6+010，長(zhǎng)4115m，坡率1.15%、-1.2%。上加山隧道采用兩側(cè)進(jìn)洞，雙側(cè)掘進(jìn)。

3 利用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬

通過(guò)數(shù)值模擬得到3 種不同開(kāi)挖方式，本構(gòu)模型是以摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則的摩爾—庫(kù)倫彈性力學(xué)模型。

常用的材料參數(shù)是、，其與彈性模量、泊松比的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中：為體積變形模量（kPa）；為剪切變形模量（kPa）。

3.1 計(jì)算基本假定

（1）模型中的圍巖及支撐材料均采用連續(xù)均勻的理想結(jié)構(gòu)。

（2）僅將自重應(yīng)力作為地層初始地應(yīng)力。

（3）模型的兩邊邊界與隧道的兩邊邊界都是50m，而模型的上下邊界則是100m以下的邊界。

（4）將左、右邊界設(shè)定為橫向位移限制，下邊界設(shè)定為垂直位移限制，上邊界設(shè)定為自由邊界，并對(duì)其進(jìn)行等效埋深荷載。

3.2 圍巖在不同開(kāi)挖條件下的受力特性分析

本節(jié)通過(guò)對(duì)不同開(kāi)挖方法下的圍巖變形進(jìn)行比較，得出了不同開(kāi)挖方法對(duì)隧道施工的影響。

3.2.1 豎向位移分析

通過(guò)3 種不同的開(kāi)挖方法，在隧道開(kāi)挖完畢后得到豎直方向位移分布云圖，從圖1 至圖3 中不難發(fā)現(xiàn)，環(huán)形開(kāi)挖留核心土豎向位移變形量最小，全斷面最大。

圖1 環(huán)形開(kāi)挖留核心土豎向方向位移分布云圖

圖2 上下臺(tái)階開(kāi)挖豎向方向位移分布云圖

圖3 全斷面開(kāi)挖方法豎向方向位移分布云圖

3.2.2 最大位移分布云圖

在不同的開(kāi)挖方式下，比較最大位移分布云圖4至圖6中，上下臺(tái)階法最大位移云圖位移較小。

圖4 環(huán)形開(kāi)挖留核心土最大位移分布云圖

圖5 上下臺(tái)階開(kāi)挖最大位移分布云圖

圖6 全斷面開(kāi)挖方法最大位移分布云圖

3.2.3 豎向應(yīng)力布云圖

通過(guò)3 種不同的開(kāi)挖方法，獲得了隧道的垂直應(yīng)力分布，如圖7 至圖9 所示，環(huán)形開(kāi)挖保留了中心土的垂直應(yīng)力，拱頂處的應(yīng)力比基坑的壓力大，隧道的兩邊都有環(huán)形的壓力。在拱腳部位，垂直應(yīng)力比上部高，中部受力大，拱腳受力小。采用全斷面開(kāi)挖垂直模擬，基坑底部垂直應(yīng)力較大，兩側(cè)應(yīng)力分布比較分散，不存在應(yīng)力集中，采用保留土法進(jìn)行支護(hù)，使其受力比較均勻。

圖7 環(huán)形開(kāi)挖留核心土豎向應(yīng)力分析

圖8 上下臺(tái)階開(kāi)挖豎向應(yīng)力分析

圖9 全斷面開(kāi)挖方法豎向應(yīng)力分析

通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)比豎向位移、最大位移、豎向應(yīng)力，可以發(fā)現(xiàn)采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土方法模擬豎向方向位移分布云圖、最大位移分布云圖、圍巖豎向應(yīng)力分布云圖，要比全斷面法、上下臺(tái)階法小得多，采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土法是較好的施工開(kāi)挖的方法。

4 結(jié)語(yǔ)

本次根據(jù)圍巖情況和隧道跨度，設(shè)計(jì)采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土、上下臺(tái)階開(kāi)挖及全斷面開(kāi)挖方法，根據(jù)了這些開(kāi)挖方式進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，根據(jù)模擬進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)力、位移大的地方易造成破壞的及時(shí)加固處理提供依據(jù)。