小凈距隧道施工順序FLAC3D模擬分析

李榮偉

（1.保定市水利水電勘測設計院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利監理咨詢有限公司，河北 保定 071051）

小凈距隧道施工順序FLAC3D模擬分析

李榮偉1，2

（1.保定市水利水電勘測設計院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利監理咨詢有限公司，河北 保定 071051）

以云南某地雙線隧道工程為背景，采用FLAC3D數值模擬研究方法，對小凈距隧道采用“同向滯后開挖”和“對向開挖”2種施工順序下施工過程中的力學行為進行了對比分析，揭示出不同施工順序下的地層剪應變增量、變形位移、應力及塑性區分布等相關方面的研究成果，得出“對向開挖”的施工方案優于“同向滯后開挖”方案的結論。同時也表明FLAC3D用于隧道圍巖變形分析是可行的。

隧道工程；圍巖穩定；數值模擬；有限差分法；FLAC

隨著我國西部大開發的深入，大量的地下工程要開工建設，探討地下工程穩定性的方法就顯得尤為必要。目前，地下洞室圍巖穩定性的分析方法大致可分為解析法、數值分析法、工程地質類比法、模型試驗法、不確定性法等幾種，各種方法均有優缺點［1－2］。FLAC有限差分法克服了有限元等其他數值分析方法不能求解大變形問題的缺陷，能更好地考慮巖土體的不連續和大變形特性，是目前研究地下洞室工程的一種重要手段［3－7］。

云南某地正在修建的小凈距雙線穿山隧道，均為直墻拱型，頂拱半徑為5.0m，直墻高5.0m。兩洞中隔墻厚10.0m。洞口天然斜坡分為38.7°、33.7°、26.6°3個等級，巖體較完整，巖層產狀近水平，巖性大致呈階梯狀展布，分上、中、下3層。目前，雙孔近距離平行隧道常見的開挖方式有同向滯后開挖、對向同步開挖2大類開挖方法。由于近距離雙線隧道開挖過程中相互影響，圍巖極易松弛和失穩，給施工帶來很大難度。因此，為了確定較為合理的施工方案，現急需對兩隧道不同開挖順序下的圍巖穩定性作以對比分析，以選擇合理的洞挖方案。為此，本文利用FLAC3D有限差分數值模擬法對以上問題進行探討。

1 計算模型網格剖分及物理力學參數選取

由于需分析比線隧道不同工況下洞身圍巖穩定性問題，故采用了三維計算。根據圍巖發生的變形情況及圍巖的材料特性，采用了彈塑性本構模型和摩爾－庫侖破壞準則。

模型計算范圍為：上取至地面，下取至隧道底部以下5.5D，橫向取至距洞室中心線兩側各5D，模型長度在隧道前進方向取15D，在負方向取6D。坐標原點建立在兩條隧道洞軸線連線的中心位置（圖1）。計算模型除上部為垂直荷載邊界外，其余各側面和底面為法向約束邊界，計算時僅按自重應力場考慮。計算穩定判定標準選為1×10－5。 隧道及其附近20m×20m區域采用方形放射狀網格，其余部位主要采用八面體網格（5m×5m×5m），天然斜坡表面采用五面體、六面體網格，共計32592個單元，34918個結點。

根據勘察成果，選取物理力學參數見表1。

表1 圍巖物理力學參數表

2 數值模擬結果及分析

根據常規，小凈距雙線隧道施工時，一般采用同向滯后開挖和對向開挖。同向滯后開挖時，滯后隧道較先行隧道要滯后一段合理距離；對向開挖時，一般在兩洞匯集點附近需相隔一定時間，以減小對相鄰隧道施工造成的不良影響。但對向開挖時應盡量避免兩線處于相互影響范圍內同時施工，兩線掌子面間的距離應大于一定值（另作討論），當距離小于一定值時，應停止其中一線的施工，待間距超過合理距離時兩線再同時對向推進。參照相關工程的施工經驗，以及采用數值模擬的方法反復試算比較，本工程主要按以下參數設置初期支護：①布置徑向錨桿，排間距1.5m，每排13根，頂拱180°范圍內放射狀均勻分布，長5m。力學參數?。簵钍夏Ａ?5×109Pa，橫截面面積6.158×10－4m2，漿液暴露周長1，抗拉強度250×106Pa，漿液固結剛度17.5×106Pa，漿液最大剪切力20×104Pa，內摩擦角30.0°。②頂拱180°范圍內設置網噴混凝土，厚0.2m。 力學參數取：抗壓強度10.5×109Pa，泊松比0.25，密度2500kg/m3。

本例中，當采用同向開挖時其滯后距離按50m考慮，模擬兩隧道均開挖完且計算平衡后的圍巖穩定性等問題，開挖循環步長取5m，初期支護滯后掌子面的距離按2個開挖段（2.5m×2m）進行了模擬。

2.1 最大剪應變增量

從隧道支護后圍巖剪應變增量云圖（圖2）表明，隧道由于受到自重應力和滑坡作用力的影響，在隧道兩側拱腳處剪應變增量較大，由此可推斷此四處是應力集中區，應對其進行重點監測，以掌握圍巖發生的剪切變形數據。從兩圖對比可以看出，采用對向開挖時同等級的剪應變增量分布面積較小，且剪應變增量最大值也相對較小。

2.2 地層位移

根據數值模擬結果（圖3），隧道縱斷面位移最大值分布在淺埋段（0～50m），最大值為2.82cm；橫斷面位移最大值分布在中隔墻側拱腳處，兩隧道靠近中隔墻一側的拱頂變形位移量均較大，說明隧道如發生破壞，應先從先行施工隧道靠中隔墻一側的拱頂開始。從兩圖對比可以看出，采用對向開挖時同等級的地層變形位移值分布面積較小，且位移最大值也相對較小。

2.3 地層應力

從支護后局部第一主應力等值線云圖（圖4）可以看出，隧道附近圍巖普遍處于低應力狀態，大部分范圍內仍處于受壓狀態；采用同向滯后施工順序時，兩邊墻局部和中隔墻部位壓應力集中現象明顯，中隔墻中心最大壓應力值為0.772MPa，兩邊墻部位最大壓應力值為0.6MPa，深5～10m；采用對向施工順序時，僅在中隔墻部位出現壓應力集中現象，最大壓應力值為0.5MPa。

隧洞邊墻淺部及底部仰拱部位明顯出現了應力松弛現象，該部位圍巖基本處于低應力狀態，但是兩邊墻拱腳及底拱小范圍出現拉應力集中現象，采用同向施工順序時最大拉應力達到0.076MPa，采用對向施工順序時最大拉應力達到0.093MPa，接近圍巖的抗拉強度，所以結合施工實際情況，兩邊墻和底板可補充增加初期支護，或者洞挖后及時進行二次襯砌。

2.4 地層塑性區

根據支護后圍巖塑性區分布圖（圖5）可以看出，在模型運行開始階段大部分范圍進入過剪切屈服狀態，后來由于應力重分布已退出塑性狀態，深部圍巖目前大范圍處于彈性狀態。模型完成開挖且計算平衡后，采用同向施工時接近活動塑性域的單元分布在兩邊墻、中隔墻及其基礎地層中，其中兩邊墻接近活動塑性域的深度5m，并向坡體淺部發展，表現為剪切屈服；中隔墻地層接近活動塑性域的單元表現為剪切屈服，深度15m。采用對向施工時，單元接近活動塑性域的面積稍有減少，而且中隔墻基礎地層已處于彈性狀態。

2.5 結構內力

采用兩種施工方案時，加固錨桿軸力隨時間步長的變化規律基本相同。從分析可知，錨桿安裝后即發揮其效用，其軸力開始增長緩慢，到后來迅速增大，隨著計算時步的增加，最終又趨于一個穩定值，說明初期支護結構發揮了應有作用。兩種施工方案下錨桿軸力均表現為拉張力，采用同向施工時錨桿最大軸力為6.521×105Pa，而采用對向施工時錨桿最大軸力為1.163×105Pa。

3 結語

根據FLAC3D數值模擬研究結果，說明按設計參數進行初期支護后，小凈距隧道圍巖趨于穩定狀態，且采用“對向開挖”的方案優于“同向滯后開挖”的施工方案，如隧道兩側進洞口均具備作業條件，則可優先考慮“對向開挖”的施工方案，有利于提高施工進度和經濟效益?？傊?，FLAC3D數值模擬法在本例中的成功應用，為該工程選擇合理的施工方案提供了可信證據，其方法也值得同類工程借鑒。

［1］張繼勛，劉秋生.地下工程穩定性分析方法現狀與不足［J］.現代隧道技術，2005，42（1）：1－5.

［2］許傳華，任青文，李瑞.地下工程圍巖穩定性分析方法研究進展［J］.金屬礦山，2003（2）：34－37.

［3］杜彬.長梁山隧道水平軟弱圍巖地段施工效應分析［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（13）：2357－2362.

［4］童偉.大型水電工程地下洞室群工作狀態研究［D］.南京：河海大學，2006.

［5］Itasca Consulting Group，Inc.Fast Language Analysis of continua in three dimensions［R］.USA：Itasca Consulting Group，Inc.，1997.

［6］吳傳斌，施斌，孫宇，等.昆明白泥井3號隧道圍巖穩定性FLAC3D模擬［J］.水文地質工程地質，2004（6）：52-55.

［7］華淵，朱贊成，周太全，等.基于有限差分法的隧道新型支護結構穩定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（15）：2718-2722.

Numerical Simulation Analyses on the Construction Sequence of Twin－tunnel with Short Separation by FLAC3D

LI Rong－wei1，2
（1.Baoding Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Insititute， Baoding 071051， China；
2.Baoding River Water Conservancy Project Management and Consulting Co.， Ltd.， Baoding 071051， China）

In accordance with one twin－tunnel with short separation in Yunnan province， a comparative study was carried out by numerical simulation program FLAC3Don the behavior of the construction process of two closely－spaced parallel tunnels， considering two options of construction， namely asynchronous excavation in the same direction and excavation in opposite direction.Results of the numerical analyses indicate， with different construction sequence of twin－tunnel， many reasonable conclusions on relevant research， such as shear strain increment， the maximum displacement， the maximum principal stresses， the plastic zones and so on， are gained.At the same time， the article revealed the result of the excavation in opposite directions is much better than the other option.Finally， the article indicates that FLAC3Dis very capable of solving the deformation analysis of the tunnel surrounding rock.

tunneling engineering；the stability of surrounding rock；numerical simulation；finite difference method；FLAC

TV52

A

1672-9900（2011）01-0082-03

2010－12－31

李榮偉（1974－），男（漢族），甘肅隴西人，高級工程師，主要從事水利水電工程勘察設計與研究工作，（Tel）18931261505。