大跨軟巖隧道兩臺階法合理開挖比例的數值研究

王鐵軍

(中鐵電氣化局集團西安鐵路工程有限公司，陜西西安 710032)

大跨軟巖隧道兩臺階法合理開挖比例的數值研究

王鐵軍

(中鐵電氣化局集團西安鐵路工程有限公司，陜西西安 710032)

以集呼高速旗下營隧道為例，建立隧道二維有限元模型，并對計算參數的選取進行了探討，研究了Ⅳ級圍巖下兩臺階施工時不同臺階比例對隧道圍巖穩定性的影響，研究結果表明，隧道兩臺階開挖上下臺階比例為1．4時，隧道施工對圍巖的穩定性影響較小，可以保證施工的安全。

兩臺階，臺階比例，大跨隧道，圍巖穩定

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。

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二維模型，數值模擬了兩臺階開挖時不同臺階比例對隧道圍巖穩定性的影響。結果表明，大跨軟巖隧道兩臺階施工時上下臺階比例過小，圍巖豎向位移變化較大，上下臺階比例過大，初期支護拉、壓應力峰值［1］較大。經過分析比較認為上下臺階比例為1．4時，隧道施工時圍巖穩定性較好，且有利于機械的展開和出渣的方便。

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。

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80 m，垂直方向邊界取至地表60 m，下邊界取距隧道底面75 m，左右邊界為水平約束，下邊界為垂直約束。

本文就兩臺階施工方法下不同臺階比例的開挖情況進行模擬，來分析臺階比例對隧道開挖后圍巖穩定性的影響。圖2給出了開挖隧道的網格劃分情況。開挖臺階比例分別為：1)上下臺階比例0．7;2)上下臺階比例1．0;3)上下臺階比例1．4;4)上下臺階比例 2．0。

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，其中：

α，k是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［2］實現。

圍巖及支護結構的參數見表1。

表1 模型參數

2 數值結果

2．1 隧道周邊位移分析

圖3為拱頂沉降隨開挖步變化趨勢圖。由圖3可知，隨開挖步的進行，拱頂沉降逐漸增大，在第3開挖步完成后達到峰值，而后略有減小并逐漸趨于穩定。上臺階開挖完后，四種臺階比例開挖情況下的拱頂沉降值基本在6 mm左右，下臺階開挖產生了2 mm左右的沉降。上臺階比例越小，上臺階開挖完后拱頂沉降相對較小，下臺階開挖完后最終拱頂沉降相對較大。

圖3 開挖步—拱頂沉降圖

圖4給出了拱腰處收斂值隨開挖步變化趨勢圖，數值分析中，收斂值測點位于第1開挖步區域內。由圖4可知，上臺階開挖比例越大，收斂值基本呈增加趨勢。隨著上臺階開挖比例的增大，拱腰處應及時加固，以防止圍巖變形過大，保證隧道結構的穩定性。

圖4 開挖步—拱腰收斂圖

2．2 支護襯砌應力分析

圖5給出了初期支護峰值拉應力隨開挖步變化趨勢圖。不難看出，四種開挖比例下，初期支護峰值拉應力隨開挖步的進行呈先增大后減小的趨勢;原因是第5開挖步完成后初期支護封閉成環，使得其受力均勻。上臺階開挖比例越大，初期支護受到的峰值拉應力越大;上臺階開挖比例為2．0時，初期支護峰值拉應力約為0．58 MPa，但其小于混凝土的極限抗拉強度，不會威脅到初期支護結構的安全。

圖5 初支峰值拉應力—開挖步變化趨勢圖

圖6給出了初期支護峰值壓應力隨開挖步變化趨勢圖。由圖6易知，四種開挖比例下，第1和第2開挖步期間初期支護的最大壓應力呈增大趨勢，最大值出現在第2開挖步完成后上臺階開挖比例為2．0的情況下，初期支護峰值壓應力約為10．77 MPa。第3～第5開挖步過程中初期支護峰值壓應力逐漸降低，原因是當第3開挖步完成后，上臺階拱腳位置因幾何形狀造成的應力集中現象不再存在，使得初期支護壓應力迅速減小，并逐漸趨于穩定。

圖6 初支峰值壓應力—開挖步變化趨勢圖

2．3 合理開挖比例的選擇

參照圖3～圖6的分析結果，并結合大跨軟巖隧道兩臺階開挖時施工機械的適用性及出渣的便宜性，研究認為大跨軟巖隧道施工時，上下臺階開挖比例為1．4時較為合理。

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，數值分析了大跨軟巖隧道兩臺階開挖時不同開挖比例時的圍巖穩定性，結論如下：兩臺階開挖時上下臺階比例過小，隨開挖步的進行圍巖拱頂沉降和拱腰處收斂值變化明顯;上下臺階比例過大，初期支護拉、壓應力峰值較大。大跨軟巖隧道兩臺階施工時，上下臺階比例為1．4時較為合理。

［1］黃宏偉．大風埡口巖石公路隧道圍巖及初期支護變形與內力研究［J］．巖石力學與工程學報，2004，23(1)：44-52．

［2］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．

The numerical research on two steps method reasonable excavating proportion of large-span soft rock tunnel

WANG Tie-jun

(Xi’an Railway Engineering Co．，Ltd of China Railway Electrification Bureau Group，Xi’an 710032，China)

Taking Qixiaying tunnel in Ji-Hu high-speed as an example，this paper built tunnel two-dimensional finite element model，and discussed the calculation parameters selection，researched the influence of different step ratio to tunnel surrounding rock stability in two steps construction underⅣ surrounding rock，the results showed that，when the up and down steps ratio was 1∶4 of tunnel two steps excavation，the influence of tunnel construction to surrounding rock stability was smaller，could ensure the construction safety．

two steps，step ratio，large span tunnel，surrounding rock stability

U455

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.060

1009-6825(2013)10-0167-02

2013-01-27

王鐵軍(1974-)，男，工程師