復雜地質(zhì)條件下某隧道圍巖穩(wěn)定性分析及施工優(yōu)化

■程李鈺

（重慶大學資源及環(huán)境科學學院 重慶 400044）

復雜地質(zhì)條件下某隧道圍巖穩(wěn)定性分析及施工優(yōu)化

■程李鈺

（重慶大學資源及環(huán)境科學學院 重慶 400044）

本文采用彈塑性理論，利用通用有限差分程序Flac3D建立某公路隧道的二維模型以模擬其實際的隧道開挖過程，并利用數(shù)值模擬的方法對其開挖過程中的圍巖應力場和位移場進行分析研究，避免了人員傷亡事故的發(fā)生同時增加施工效率。同時通過分析開挖后圍巖應力的變化規(guī)律和變形規(guī)律，為不同圍巖條件下隧道的結(jié)構(gòu)設計和工程施工提供參考。

復雜地質(zhì)條件隧道施工圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

0 引言

隨著工程力學理論的研究和計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬因其能夠進行超前地質(zhì)預測及有效圍巖穩(wěn)定性分析，同時克服了試驗現(xiàn)場監(jiān)控耗費時間、資金以及人力浪費等問題，而被廣泛應用于隧道工程的理論研究和工程實踐。運用有限差分軟件Flac3D對隧道圍巖進行穩(wěn)定性分析已是解決不同巖體結(jié)構(gòu)、圍巖與支護相互作用、隧道圍巖壓力、圍巖應力與變形、圍巖破壞過程與破壞機制的主要方法。本文以某隧道為例，利用Flac3D有限差分軟件對隧道圍巖進行穩(wěn)定性分析，探究該隧道圍巖的應力分布規(guī)律與位移變形規(guī)律，以此指導施工進行相應的措施，確保施工安全。

1 隧道基本情況

1.1 隧道基本參數(shù)

隧道屬于高瓦斯特長隧道。左線長7285米；右線長7310米，設計為分離式隧道。設計有斜井2個、豎井1個。豎井深度258.163m，該隧道主洞與豎井交叉段凈空較大，對圍巖的穩(wěn)定極為不利，施工難度非常大。

1.2 地質(zhì)背景及原始數(shù)據(jù)

隧道位于某山背斜中南部，區(qū)域構(gòu)造具有背斜陡急，向斜寬緩的“隔擋式構(gòu)造”特征。隧道洞身段主要為鹽溶角礫巖、灰?guī)r破碎巖體，隧道洞深段巖性主要為頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，本區(qū)的地應力并不高，僅局部可能存在構(gòu)造應力集中帶。根據(jù)現(xiàn)場取樣實驗，得出計算所需的參數(shù)如表1：

表1 不同位置巖石參數(shù)

2 隧道圍巖理論

其中，

3 模型的建立

本文采用的是Mohr-Coulomb模型,模擬過程中采用的不同土層的內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c值,是結(jié)合實際工程情況取值的。

式中:Tf為抗剪強度；c為粘聚力；σ為作用于剪切面上的法向應力；φ為內(nèi)摩擦角。

4 圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值分析

按照施工步驟進行計算模擬,得出分布開挖過程中隧道圍巖初始狀態(tài)遭到破壞后的應力圖，如圖。

圖1 下臺階開挖后垂向應力網(wǎng)格圖

由圖可知,當上臺階開挖后,在拱部中央?yún)^(qū)域和開挖面的底部以及左右肩部圍巖中出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,拱頂部的最大應力為3.12MPa；下臺階開挖后，拱底部的最大應力為3.9MPa,應力集中在左右肩部，而拱頂中央?yún)^(qū)及底部中央?yún)^(qū)域應力得到緩解，應力較低；并且拱頂和底部的應力較上臺階開挖時有所增大。另外，兩側(cè)幫的應力也較大，遇到破碎的巖石很有可能發(fā)生片幫及落石危險，應加強支護。

5 結(jié)論

通過有限元模型的計算發(fā)現(xiàn)，每一次開挖結(jié)束后,圍巖中的應力將重新分布并產(chǎn)生一定的變形,打上支護以后支護會阻礙圍巖的變形,并且降低了巖體中的應力,較大程度上緩解了應力集中問題。對隧道進行數(shù)值分析的結(jié)果表明隧道開挖過后拱頂、底部及側(cè)壁的變形過大、應力較集中，應加強支護，這些部位在施工中應重點關(guān)注，這也是信息化反饋施工必須重點監(jiān)控的部位。

[1]華薇.公路隧道開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究 ［D］.吉林：吉林大學，2007.

[2]謝和平,周宏偉,王金安等.FLAC在煤礦開采沉陷預測中的應用及對比分析 [J].巖石力學與工程學報,1999,18(4):397-401.

The paper using the general-purpose finite element program Flac3D,elastic-plastic theory,establish the highway tunnel two-dimensional finite element model to simulate the actual tunnelingprocess,analysis of surrounding rock stress field and displacement field in the excavation process,using finite element numerical simulation method instead of the actual excavation process.In this way,personnel casualties are avoided and construction efficiency is increased. by analyzing the changing of the surrounding rock stress and displacement variation,the paper contributes to the structural design and construction of the tunnel under the different rock conditions.

Complex geological conditions,Highway tunnel,surrounding rock stability,numerical simulation,finite element

P54[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-95-2

薛炯（1988～），男，2011年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（武漢）地質(zhì)學專業(yè)，本科，助理工程師，研究方向為地質(zhì)礦產(chǎn)勘查。