小凈距隧道拓寬前后圍巖應力應變分析

周成濤，陳俊濤

（1.重慶市勘測院，重慶400020；2.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶400074）

渝州隧道位于重慶市渝北區龍王洞背斜東翼，巖層傾角稍陡，線路走向為44°～48°，與地質構造線小角度斜交，屬構造剝蝕淺丘地貌，地形坡度一般為10°～20°，局部由于人工開挖形成陡坎，坡度達60°～70°，上覆土層為殘坡積粉質粘土，一般厚為0m～1m，下伏基巖為侏羅系中統沙溪廟組砂巖、砂質泥巖。

經調查，隧道現狀分左、右雙洞，均為單向兩車道隧道，平面成喇叭型布置，進口段兩隧道結構間凈距約10m，出口段為15m。隧道凈寬10m，凈高6.6m，圓拱直墻，拱厚75cm，邊墻厚110cm。采用礦山法施工，復合式襯砌，初期支護以噴射混凝土，錨桿和鋼筋網為主要支護手段；二次襯砌采用鋼筋混凝土結構，現洞壁穩定，無變形跡象，局部有水痕。

根據設計方案，現擬對原有的渝州隧道進行擴挖，但不改變原隧道走向及長度。擴挖后，隧道洞凈跨17.5m，洞高約8m，雙向四車道，擬采用復合式襯砌，礦山法施工。

上述工程為典型的小凈距隧道施工問題。在采用鉆爆法進行隧道拓寬施工過程，將對圍巖進行二次擾動，這是一個周邊松動圍巖發生進一步變形及圍巖應力場、應變場重新建立的過程［1－5］。一般小凈距隧道施工對隧道圍巖受力分布及圍巖變形有重要的影響［6－11］。針對渝州隧道工程特點，本文基于有限元理論方法對小凈距隧道拓寬前后圍巖應力應變分析，為類似工程安全施工提供理論支持。

1 隧道有限元模型

模型取隧道受偏壓最嚴重的最不利斷面進行分析；為了減小邊界效應，設置隧道邊緣至模型邊緣為隧道寬度的3倍，隧道低部至模型邊緣設置為隧道高度的3倍，模型的尺寸為72m×152m［12］。

計算模型左、右邊界為X方向約束，底部邊界為Y方向約束，頂部邊界為自由面。計算模型詳見圖1［13］。

另外，在模擬巖土體開挖時，采用單元的生死狀態模擬計算。根據“殺死”單元部分的應力值，計算得到開挖邊界面各節點處，由 “死”單元作用的節點力，通過把與上述節點力等值反向的力施加到開挖邊界對應的節點上。“殺死”單元時，程序用一個很小的因數乘以單元的剛度系數，并從總的質量矩陣中消去單元的質量來實現“殺死”單元［14］。

圖1 有限元分析模型

2 計算結果分析

隧道圍巖開挖后，改變了之前原始的應力狀態，選取圍巖作為分析對象，可以更加直觀地反應出隧道拓寬前后圍巖的穩定情況［15］。

2.1 圍巖位移對比分析

如圖2、圖3所示分別為原有隧道及隧道拓寬后圍巖所發生的水平位移云圖。從圖2中我們可以看出，由于受偏壓影響，圍巖的最大水平位移主要發生在地表上部、隧道左洞右上角：向左方向的水平位移最大值為0.5mm，向右的水平位移最大值約0.4mm；由圖3我們可看到隧道拓寬后圍巖水平位移明顯增大，向左方向最大值達到1mm。同時，我們可以發現左洞隧道拱頂右側圍巖松動圈的范圍明顯擴大。

圖2 原有隧道施工完成時水平位移云圖（m）

圖3 隧道拓寬后水平位移云圖（m）

如圖4、圖5所示分別為原有隧道及隧道拓寬后圍巖所發生的豎向位移云圖。從圖4可以看出，由于受偏壓影響，隧道右洞的豎向位移大于左洞，并且右洞拱頂圍巖的松動范圍也比左洞更大。其中，最大拱頂沉降位移為2.7mm。由圖5可看到隧道拓寬后圍巖豎向位移明顯增大，最大拱頂沉降位移為5.0mm。

2.2 圍巖拉應力對比分析

如圖6、圖7所示分別為原有隧道及隧道拓寬后圍巖拉應力云圖。從圖6中可以看出最大拉應力主要發生在右洞拱頂右側附近，其中最大值為0.33MPa。從圖7中可以看出最大拉應力主要發生在右洞右邊墻附近，其中最大值為0.49MPa。

圖4 原有隧道施工完成時豎向位移云圖（m）

圖5 隧道拓寬后豎向位移云圖（m）

圖6 原有隧道圍巖拉應力分布云圖（Pa）

圖7 隧道拓寬后圍巖拉應力分布云圖（Pa）

2.3 圍巖壓應力對比分析

如圖8、圖9所示分別為原有隧道施工完成時、隧道拓寬后圍巖壓應力云圖。從圖5中可以看出最大壓應力主要發生在兩隧道的左右邊墻附近，其中右洞壓應力明顯大于左洞，最大值為－2.86MPa。從圖5可以看出圍巖壓應力分布情況基本同隧道拓寬以前一樣，但是最大值增大為－3.22MPa。

2.4 圍巖塑性區對比分析

如圖10所示為原隧道圍巖塑性區主要發生在兩隧道的右邊墻附近，但是塑性變形并不大，為0.21×10－3。從圖11中，我們可以看到塑性應變的分布狀況基本不變，但是塑性變形增大到0.39×10－3。

圖8 原有隧道圍巖壓應力分布云圖（Pa）

圖9 隧道拓寬后圍巖壓應力分布云圖（Pa）

圖10 原有隧道塑性變形云圖

圖11 隧道拓寬后塑性變形云圖

3 結 論

通過以上對隧道拓寬前后圍巖位移、應力應變及塑性區的分析，可以得出以下結論：

1）隧道拓寬后，圍巖豎向位移明顯增大；左右隧道拱頂松動圈擴展也較迅速，甚至可能貫通至地表，建議在拓寬施工過程中及時對拱頂進行支護。

2）隧道拓寬后，圍巖的拉應力及壓應力明顯增大；受上部偏壓影響，其最大值主要是分布在中央巖柱及右洞右邊墻附近。

3）通過對塑性區的分析，可以發現右洞右邊墻塑性應變較大，在隧道拓寬施工過程中需要加強支護力度。

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