軟弱隧道環形預留核心土開挖過程數值分析

馮家鑫 郇 瀾

1 工程概況

昆侖隧道位于大埔縣銀江鎮昆侖—大麻鎮岌頭村之間，本隧道為分離式長隧道，起止樁號左線ZK42+180～ZK44+975，長2 795 m;右線 K42+193～K44+998，長2 805 m。

隧道穿越昆侖山，為丘陵地貌，起伏較大。隧道進口位于山體西坡，坡度較緩，基本與等高線正交，山上植被為桉樹林，覆蓋層較厚，出口位于沖溝南側山嘴處，山間植被茂密，基本為松樹、農田和灌木。

隧址區內地層結構較為復雜，地質構造復雜，巖性變化很大，勘察揭露隧道址區內存在有較多的斷裂構造帶，隧址區地層上部為第四紀殘坡積層覆蓋，下伏基巖為侏羅系漳平組(J2zh)砂巖、泥質巖以及前泥盆系(AnD)變質砂巖、板巖。隧道埋深較淺。隧道開挖斷面高度為10.38 m，寬12.92 m。

2 有限元模型的建立

2.1 計算范圍

根據圣維南原理，開挖只在洞周一定范圍內引起應力重分布。實踐和理論分析表明，在均質彈性無限域中開挖的圓形隧道，由于荷載釋放而引起的洞室周圍介質的應力和位移的變化，在5倍洞徑范圍之外將小于1%，在3倍洞徑之外約小于5%。因此，依據工程的具體要求和有限元法的離散誤差以及計算誤差，一般選取的計算范圍沿洞徑各個方向均不小于3倍～5倍洞徑［1-3］。因此，隧道幾何模型的取值范圍左右兩側從隧道中心向外各延深50 m，上下部邊界均取為30 m。

2.2 計算參數的確定

根據工程勘察報告，并結合《公路隧道設計規范》［4］，選取的巖土體參數為:彈性模量E=200 MPa，泊松比μ=0.4，重度γ=20 kN/m3，凝聚力 c=55 kPa，內摩擦角 φ =29.5°。

初期支護結構的彈性模量 E=25 GPa，μ =0.20，γ =30 kN/m3。

2.3 施工工序模擬

進行有限元模擬時，將整個施工過程分為7步: