公路隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖特性分析＊

李之達(dá) 黃 彬 王花平 張瓊武

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063）

不同施工工序會影響隧道圍巖穩(wěn)定性，甚至引起圍巖發(fā)生塑性變形和破壞.對于公路隧道，目前較常見的有全斷面法、臺階法和環(huán)形法三種開挖法，而不同的開挖法對圍巖的穩(wěn)定性有較大影響［1－2］，因此，研究不同開挖方式對隧道的影響具有現(xiàn)實(shí)意義.

本文以湖北省內(nèi)某高速公路隧道施工為背景.該隧道為單拱深埋隧道，所處山體整體為單斜構(gòu)造，植被較發(fā)育，緩坡及溝谷地段覆蓋第四系坡洪積碎石土，其余地段基巖出露，出露巖石為絹云鈉長石英片巖，屬硬巖石.隧道全長710m，其中洞身地段主要為IV級圍巖，因此，選取巖質(zhì)比較差的IV級圍巖為對象，做臺階法和環(huán)形法的模擬分析.由此得到隧道產(chǎn)生的應(yīng)力場和位移場，并結(jié)合隧道在開挖過程中常碰到如拱頂塌方、底部拱起、掉快、拱肩破碎等問題，研究其產(chǎn)生的原因，并做最優(yōu)改進(jìn)，確立最優(yōu)的開挖方案，使隧道能夠安全優(yōu)質(zhì)的建成.

1 隧道簡介及模型設(shè)計(jì)

該隧道采用復(fù)合式襯砌，建筑限界及內(nèi)凈空為：建筑限界寬9.0m，高5.0m.內(nèi)凈空采用拱部單心園方案，凈空面積為55.26m2，凈空周長28.55m.

本文所研究的IV級圍巖屬于鑲嵌型的碎石結(jié)構(gòu)，相對而言容易產(chǎn)生破碎松動，但巖質(zhì)比較堅(jiān)硬，有一定的自承能力.隧道開挖會引起圍巖的卸荷回彈、應(yīng)力重分布和地下水重分布，這些變化可能導(dǎo)致圍巖發(fā)生塑性變形和破壞.因此，為充分發(fā)揮圍巖自身能力，需要選定最佳開挖方法.

本次模擬分析中，擬定以下2種工況：（1）臺階開挖；（2）環(huán)形開挖.

取彈塑性平面應(yīng)變模型，巖土體材料非線性階段的本構(gòu)關(guān)系取用Ducker－Prager屈服準(zhǔn)則.在建模分析時(shí)，混凝土和巖體2種不同性質(zhì)的材料是共同工作的，支護(hù)作為骨架結(jié)構(gòu)，采用梁單元的力學(xué)模型并與圍巖的二維連續(xù)體力學(xué)模型結(jié)合在一起進(jìn)行分析.

隧道施工過程的二維仿真分析中，初期支護(hù)只考慮錨桿和噴射混凝土的共同作用［3－10］；支護(hù)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)資料和相應(yīng)規(guī)范擬定，其值如表1所列.

根據(jù)有限元數(shù)值計(jì)算特點(diǎn)，對其施工工序做了相應(yīng)的簡化，處理后的步驟如表2.

表1 圍巖及各結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)參數(shù)表

表2 隧道斷面不同開挖方法主要工序

在進(jìn)行平面模擬分析時(shí)，隧道所處矩形圍巖塊的尺寸為100m×80m，邊界采用施加約束的方法，兩側(cè)施加滑動支座，使水平位移為0；下側(cè)則施加豎向約束，使垂直位移為0；上側(cè)為自由邊界.網(wǎng)格劃分時(shí)，圍巖選用二維四節(jié)點(diǎn)等參單元PLANE42劃分圍巖，用2D的梁單元beam3來模擬襯砌，錨桿用2D的桿單元Link1來模擬.載荷釋放系數(shù)取0.6，即初次襯砌承擔(dān)60%載荷.

針對不同工況，建立有限元網(wǎng)格劃分模型及其邊界約束條件如圖1所示.

圖1 隧道模型圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

由于地質(zhì)條件及其它各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定相同，因此，在自重作用下，兩種開挖法對應(yīng)的位移場和應(yīng)力場相同，而兩者的區(qū)別則體現(xiàn)在初期支護(hù)后.這個階段也是隧道施工安全與否和圍巖是否被破壞的關(guān)鍵時(shí)刻，因此以下具體分析了該階段的應(yīng)力場和位移場.

2.1 初期支護(hù)后的位移場分析

在隧道開挖并進(jìn)行初期支護(hù)后，根據(jù)圍巖應(yīng)力和位移分布規(guī)律可知，應(yīng)力極值一般出現(xiàn)在隧道周邊上，因此沿隧道洞周取關(guān)鍵點(diǎn)的位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)討論.特殊點(diǎn)分別指拱頂、拱肩、拱腰、拱腳、拱底等位置，如表3所列.

各開挖法所對應(yīng)的位移云圖見圖2～5所示.

表3 關(guān)鍵點(diǎn)的水平（x）和豎向（y）位移值 mm

圖2 臺階開挖X方向位移

圖4 環(huán)形開挖X方向位移

圖5 環(huán)形開挖X方向位移

對比隧道洞室的關(guān)鍵點(diǎn)，從位移圖可知，對于臺階開挖，拱肩和拱腰處，分別產(chǎn)生0.23mm和0.25mm的水平方向位移，在拱頂處，有11.05 mm的沉降，拱肩有10.69mm的垂直位移.對于環(huán)形開挖，拱肩和拱腰處各自水平位移為0.24 mm和0.20mm，拱頂沉降為10.36mm，拱肩有較大豎向位移9.90mm.

由上可知，環(huán)形開挖所引起的拱頂沉降和橫向位移較小.此外，從兩者的位移云圖可看出臺階開挖時(shí)，拱頂處會出現(xiàn)較大面積的向洞內(nèi)移動的趨勢，而環(huán)形開挖發(fā)生大變形的面積則相對小得多.從位移數(shù)據(jù)看，環(huán)形開挖相對引起的變形較小.

2.2 初期支護(hù)后的應(yīng)力場分析

同理，在初期支護(hù)后，取5個關(guān)鍵位置的應(yīng)力，探討兩種開挖法的開挖特性，其數(shù)據(jù)如表4所列.

表4 關(guān)鍵點(diǎn)處主應(yīng)力值 MPa

其對應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖6～9所示.

圖6 臺階開挖最大主應(yīng)力云圖

圖7 臺階開挖最小主應(yīng)力云圖

對比兩種開挖法，從模擬數(shù)據(jù)可知，環(huán)形開挖產(chǎn)生的應(yīng)力相對較小，其最大主壓應(yīng)力不過1.99 MPa，而最小主壓應(yīng)力0.33MPa.

由應(yīng)力云圖可知對于臺階開挖，在拱腳和拱底出現(xiàn)應(yīng)力集中，拱腳處最大壓應(yīng)力值達(dá)2.87 MPa，拱腰處有最大拉應(yīng)力約0.29MPa；而環(huán)形開挖，拱腰和拱底出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，但區(qū)域較小，最大值不過1.99MPa，在拱頂和拱腳處出現(xiàn)拉應(yīng)力，但其應(yīng)力值不過0.12MPa.

圖8 環(huán)形開挖最大主應(yīng)力云圖

圖9 環(huán)形開挖最小主應(yīng)力云圖

由該數(shù)據(jù)表可以看出，對比關(guān)鍵部位的應(yīng)力，可知在拱底處臺階開挖法，產(chǎn)生最大拉應(yīng)力其值達(dá)0.11MPa，拱頂處，有較大拉應(yīng)力，總體來看，環(huán)形開挖法產(chǎn)生的應(yīng)力相對較小，不易形成塑性區(qū)，有利于圍巖穩(wěn)定.

2.3 不同開挖法的塑性區(qū)發(fā)展情況

由數(shù)值模擬圖可以看出，隧道開挖過程中，不同開挖方法在各個開挖階段隧道主應(yīng)變場的分布規(guī)律不同，其塑性區(qū)應(yīng)力云圖如圖10～11所示.

圖10 臺階開挖法的塑性應(yīng)變云圖

圖11 環(huán)形開挖法的塑性應(yīng)變云圖

從兩種開挖法的塑性云圖可以看出，在相同條件下，臺階法在拱腰處會產(chǎn)生局部塑性區(qū)，而環(huán)形法則不會出現(xiàn)塑性區(qū).即在相同圍巖條件下，采用環(huán)形開挖在初期支護(hù)后幾乎不會產(chǎn)生塑性區(qū).

綜合比較可知，環(huán)形開挖所產(chǎn)生的位移場和應(yīng)力場相對較小，且初期支護(hù)后隧道洞周不會出現(xiàn)塑性區(qū)，圍巖出現(xiàn)變形破壞和強(qiáng)度破壞的幾率相對小，從安全角度考慮，建議采用用環(huán)形法.但如果所在IV級圍巖的巖質(zhì)相對較好時(shí)，可用臺階法，但是必須加強(qiáng)監(jiān)控.

此外，從兩者開挖到初期支護(hù)后的變形和應(yīng)力特征可得到一些共性結(jié)論.（1）較不穩(wěn)定的是隧道拱頂，有較大沉降，在所承受的拉應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，可能引發(fā)掉快、坍塌事故.而拱底在較大壓應(yīng)力作用下，會向上拱起.（2）隧道拱腳和拱肩處有小范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，若其應(yīng)力達(dá)到圍巖屈服強(qiáng)度，則可能引起拱腳部位的局部破壞.

針對以上問題，本文提出改進(jìn)建議：即在初期支護(hù)后，在某些薄弱位置進(jìn)行局部加強(qiáng)處理.以使隧道損毀率降到最低.

3 結(jié) 論

本論文對IV級隧道圍巖的開挖方法進(jìn)行了力學(xué)分析，得出如下結(jié)論.

1）通過數(shù)值模擬并比較分析可知，環(huán)形開挖法產(chǎn)生的變形和應(yīng)力是較小的，相對而言較安全，在施工中應(yīng)優(yōu)先考慮.

2）從兩種開挖法支護(hù)后的應(yīng)力和位移可知，初期支護(hù)后，隧道拱頂和拱底是較不穩(wěn)定部位，存在著沉降和應(yīng)力較大的問題，因此，在隧道的開挖和支護(hù)過程中，應(yīng)對這些位置進(jìn)行加強(qiáng)，降低病害的出現(xiàn)，確保隧道施工安全.

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