大瑤山一號隧道開挖變形分析

查洲陽 趙志強

1 概述

由于地質條件的復雜多變，地下工程難免會通過褶皺構造、斷層、節理裂隙發育地帶，由于圍巖本身的不穩定和受地質構造作用而被切割成碎塊，致使其結構松散，強度低，加之節理面有泥質物及巖屑充填，并且由于支護的不及時而使圍巖暴露時間過長，或因其通過斷層，突然遇到較高水壓富水洞段，地下水向洞室內漏出，掏空了斷層構造帶中破碎巖體和充填物，或由于巖層產狀的不利，或因巖爆等諸多地質原因而產生隧道施工過程中不同程度的塌方、突水和涌水、洞體縮徑和支護開裂［1］。因此隧道施工中的地質災害問題常常是影響隧道施工的關鍵問題。

2 工程地質及水文地質

大瑤山隧道區屬南嶺山系，其中一號隧道屬構造剝蝕～溶蝕切割中低山、低山地貌，進口至DK1909+730段為碳酸鹽巖分布區，主要巖溶形態為溶峰、溶谷，表層溶溝、溶槽、石芽等較發育，地形起伏較小;DK1909+730至出口段為碎屑巖～淺變質巖分布區，屬構造剝蝕型低山，最大相對高差達750 m，陡坡、峽谷極為發育。

3 隧道施工過程數值模擬方法及ADINA實現

3.1 基本模擬思想

隧道開挖時破壞了巖體內原有的應力平衡，在圍巖內各質點地應力的作用下，均將力沿最短距離向消除了阻力的自由面方向移動，引起圍巖內應力的重新分布，以達到最新的平衡，形成二次應力場。但限于目前的計算手段，用真三維的計算模型來模擬上述復雜的地層特征和施工條件是很難辦到的，昂貴的計算費用和有限的計算機內存使人們束手無策，但可采用適當簡化的模型，以盡量逼近真實原型。

現實中最常用的便是將地下結構按平面應變問題進行計算，又因為巖體的流變參數獲取困難，有時甚至不考慮巖體的流變特性，僅按現彈性或彈性處理，為此比較真實地模擬施工過程，常采用“應力逐步釋放方法”來模擬隧道開挖與支護的時空效應，本文將用“單元生死”方法來具體實現。其Ⅳ類圍巖物理力學參數見表1。

表1 Ⅳ類圍巖物理力學參數

3.2 開挖斷面說明

1 )開挖①部，施工支護Ⅰ。2)開挖②部，施工支護Ⅱ，同①部。3)開挖③部，施作Ⅲ。4)開挖④部，支護Ⅳ，同③部。5)開挖⑤部，施作支護Ⅴ。6)開挖⑥部，同⑤部。7)拆除臨時支護。8)施作仰拱填充混凝土及全斷面施作二次襯砌(見圖1)。

3.3 邊界條件和初始地應力場

為了確定力邊界條件，必須首先確定巖體內的初始應力場。常用的方法是根據自重應力場及構造應力場的特點，確定比較符合計算區域地質特點的力邊界條件，并利用部分量測數據進行調整和修正。自重應力場的特點是垂直及水平方向為主應力方向，主應力均為壓應力，其大小與深度有關而與水平位置及時間無關。錨桿長度2.5m，間距0.5 m，跨度13.4 m，高度11 m，計算區域取左右兩側和上下兩側分別向外延伸隧道跨度和高度的5倍，其網格圖及標準橫斷面圖見圖2，圖3。

3.4 模擬結果分析

開挖到支護完畢達到最終變形，模擬分為了14步。由圖4看出在開挖支護完畢后隧道圍巖豎向位移變化，最大下沉值為0.162 3 m，最大回彈為0.168 8 m。繪制出拱頂下沉隨著時間步的變化曲線圖(見圖5)，每步開挖拱頂下沉都會突然增大，每步支護都會使下沉維持平衡，所以呈臺階狀，時間第8步以后位移變化不大，表示變形達到穩定。由應力隨時間步驟變化可以看出最初每逢開挖支護階段應力就會突變(見圖6)，時間6步以后變化率逐漸減小，8步以后基本平衡，與位移變化規律吻合，表示應力變化達到穩定。隧道底隨開挖步驟的回彈變化同樣在開挖時陡然增大(見圖7)，支護時保持穩定，時間第8步以后維持平衡狀態。到支護完畢變形穩定時，錨桿所受最終錨固力為33.447 MPa，為錨桿設計布置提供了參考。監測歷程為DK1917+960，實測與數值模擬結果相對比，從開始到最終變形穩定，曲線大概變化趨勢相似，最終收斂實測值為29.68 mm，計算機模擬數值為32.01 mm，二者大小接近(見圖8，圖9)。

從圖10可以清晰的看出各巖層水平位移變化，實測橫向收斂值為39.5 mm，數值模擬值為36.2 mm，二者數值接近。由豎向、水平位移變形云圖可以看出，最大變形均在支護結構的銜接處，所以在施工中尤其要注意對支護銜接處的特殊處理，減少應力集中造成的危害，提高支護作用，避免事故的發生。

4 結語

本文通過對大瑤山隧道應力變形場的監測分析和數值模擬研究，得到了以下的結論與認識:

1 )針對斷面DK1917+960處運用計算機數值模擬與實測位移值進行對比，二者數值接近，并且在支護銜接處容易造成應力集中，變形最大，考慮到支護的有效、可靠必須處理好支護之間的銜接處。2)對圍巖應力變形場隨開挖變形變化規律分析得出:該隧道開挖后拱頂最大下沉值為0.162 3 m，拱底最大回彈為0.168 8 m;模擬隧道開挖變形最終穩定時，錨桿的錨固力為33.447 MPa，錨桿設計時可以參考該值。3)根據模擬隧道開挖變形隨時間步的變化得出結論:每逢開挖步時，隧道變形會突變，每逢支護時變形緩和，所以開挖時應盡量減少擾動，避免出現事故。

［1］ 劉 宏.隧道塌方的預防措施［J］.中南公路工程，2000 (10)：97-99.

［2］ 關寶樹.隧道工程設計要點集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］ 孫 均.地下工程設計理論與實踐［M］.上海：上海科學技術出版社，1991.

［4］ 易匯萍麗.現代隧道設計與施工［M］.北京：中國鐵道出版社，1986.

［5］ 王毅才.隧道工程(上、下冊)［M］.北京：人民交通出版社，1987(上冊)，1993(下冊).

［6］ 王明年.三車道隧道模型實驗研究及有限元分析［J］.公路，1995(19)：75-77.

［7］ JTJ 024-94，公路隧道施工技術規范［S］.