沖溝走向對大跨軟巖隧道穩定性影響研究

劉偉

(陜西省公路局，陜西西安 710068)

0 引言

本文以京新高速公路集寧至呼和浩特段旗下營隧道為研究背景，該隧道區屬剝蝕丘陵山地地貌，地形起伏較大，進出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于穩定狀態。隧道所處工程地質情況:隧址區上覆為第四系更新統坡積成因的粉土、礫砂、粉土及碎石，下伏基巖為上太古界集寧群花崗巖。隧址區地表水不發育，隧道山體沖溝發育，雨季雨水匯集可產生暫時性水流。因此在該地區沖溝對圍巖穩定性的影響較大，有待進一步研究。

本文以集呼高速旗下營隧道為依托，運用ABAQUS有限元軟件建立隧道三維模型，數值模擬了不同沖溝走向對隧道圍巖穩定性的影響。結果表明，沖溝的存在對隧道拱頂沉降的影響較大，對隧道的周邊收斂影響相對較小。沖溝走向平行隧道軸線方向時，沖溝對隧道圍巖拱頂沉降和周邊收斂影響較大。所得結論可為沖溝密布地區隧道施工提供理論參考。

1 有限元模型

1.1 隧道開挖支護工藝

現場施工時，隧道采用兩臺階五步開挖工藝，隧道開挖支護順序如圖1所示。開挖順序為1，4，6，8，10;2，3，5，7，9，11為初期支護，緊跟開挖步施工。上臺階超前10 m后，上下臺階按每進尺2 m循環開挖施工。

圖1 隧道開挖支護工藝（單位：cm）

本文數值分析時，上臺階開挖總進尺為40 m，下臺階開挖總進尺為30 m。

1.2 有限元模型及參數選取

有限元模型采用平面應變彈塑性模型，巖體初始應力只考慮自重，計算模型水平方向左右邊界取距隧道左右邊墻50 m，垂直方向邊界取至地表20 m，下邊界取距隧道底面60 m，左右邊界為水平約束，下邊界為垂直約束。

本文就與隧道縱向垂直、與隧道縱向平行兩種沖溝走向進行模擬，來分析沖溝走向對隧道開挖后圍巖穩定性的影響。圖2給出了橫向沖溝，縱向沖溝，無沖溝隧道的三維模型。模型的縱向長度為40 m。計算參數見表1。沖溝是在隧道斷面上部，沖溝上部最大寬度為10 m，深度為15 m。其中與隧道垂直的沖溝所在位置，為溝底距模型開挖進口斷面15 m處，與隧道平行沖溝的位置在隧道正上方。

圖2 沖溝不同走向時網格模型

1.3 計算參數選取

本次計算采用Mohr-Coulomb等面積圓屈服準則，其表達式為:

其中，I1，J2分別為應力張量的第一不變量和應力偏張量的第二不變量:

α，k分別為與巖土材料內摩擦角φ和粘聚力c有關的常數，α，k滿足下列表達式:

Mohr-Coulomb等面積圓屈服準則是與Mohr-Coulomb破壞準則準確匹配的巖土材料塑性屈服準則，應用Mohr-Coulomb等面積圓屈服準則可取得較為精確的結果。

圍巖初始地應力在考慮自重應力達到平衡情況下進行開挖模擬。圍巖采用實體單元進行模擬，初期支護采用ABAQUS中的具有追蹤功能的單元模擬，錨桿加固區通過強度等效法進行模擬。開挖過程中的應力釋放通過強度折減法［1］實現。

圍巖及支護結構的參數見表1。

2 數值結果

2.1 隧道拱頂沉降分析

圖3給出了拱頂沉降沿隧道縱向變化趨勢圖。由圖3可知，縱向沖溝下的隧道拱頂沉降最大，橫向沖溝下的隧道拱頂沉降最小。

無沖溝情況下，前20 m內拱頂沉降值變化不大;由于距掌子面距離的減小，拱頂沉降值隨之降低，特別是22 m處拱頂沉降變化明顯。有橫向沖溝情況下，前14 m內拱頂沉降值變化不大，在沖溝位置附近拱頂沉降值顯著降低，而后略有上升。而沿隧道軸線走向的沖溝存在時隧道拱頂沉降最大，但其沿隧道軸向變化趨勢與無沖溝情況下基本一致。

圖3 拱頂沉降沿隧道縱向變化趨勢圖

圖4 水平凈空收斂沿隧道縱向變化趨勢圖

2.2 隧道周邊收斂分析

圖4給出了水平凈空收斂沿隧道縱向變化趨勢圖。

由圖4可知，三種情況下，沿隧道軸向邊墻位置收斂值變化趨勢基本一致，有縱向沖溝時收斂值最大，橫向沖溝存在時收斂值最小;邊墻位置水平凈空收斂沿隧道縱向呈階梯形變化。

沿隧道軸向拱腰位置收斂值變化趨勢亦基本一致，無沖溝時收斂值最大，縱向沖溝存在時收斂值最小;拱腰位置收斂值均小于邊墻位置。

3 結語

本文以集呼高速旗下營隧道為依托，運用ABAQUS有限元軟件，數值模擬了不同沖溝走向對隧道圍巖穩定性的影響，得到了一些有益結論。沖溝的存在對隧道拱頂沉降的影響較大，對隧道的周邊收斂影響相對較小。隧道施工過程中，應加強拱頂沉降的監控量測與控制工作。

沖溝走向垂直于隧道走向時，沖溝對隧道圍巖拱頂沉降和周邊收斂影響不大。沖溝走向平行隧道軸線方向時，沖溝對隧道圍巖拱頂沉降和周邊收斂影響較大。當存在平行于隧道軸線方向的沖溝時需加強圍巖支護，必要時可對沖溝進行處理，以保證隧道安全施工。

［1］ 張黎明，鄭穎人，王在泉，等.有限元強度折減法在公路隧道中的應用探討［J］.巖土力學，2007，28(1)：97-106.