鄰近礦洞對隧道開挖影響的數值模擬分析★

魏 華 趙曉全 王海軍 高華國

(1.沈陽工業大學建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870； 2.遼寧科技大學土木工程學院，遼寧 鞍山 114051)

1 概述

我國山地較多，隧道運輸便成為一個重要的運輸方式。現如今，隧道的開挖方法仍然是以礦山法為主[1]，山體內部存在的礦洞無疑是對隧道開挖的一個重要影響，輕則造成隧道在開挖過程中產生塌方，導致施工不能正常進行；重則威脅人們的生命財產安全。一些專家學者就隧道開挖對既有隧道影響進行了分析研究[2-5]，但大多數是從爆破震動方面分析震速波形圖。本文在前人研究的基礎上，依托愛民山隧道，進一步研究礦洞存在與否對隧道開挖產生的影響，得到相應的結論，為今后的隧道施工提供理論依據。

2 工程概況

愛民山隧道位于遼寧省丹東市郊附近，屬于丹東市四號干線(花園路至寶山大街段)，呈北東走向展布，設計為兩條小凈距單行線曲線隧道，屬短隧道；隧道左線全長為500 m，右線全長42 m，采用暗挖鉆爆法施工。隧道輪廓尺寸如圖1所示。

3 模型建立

本文利用ANSYS軟件建立二維模型進行運算，圍巖采用平面實體單元(Plane42)，襯砌支護結構采用梁單元(Beam3)，錨桿采用桿單元(Link1)。各種材料的物理力學參數按照隧道的設計說明書以及查閱文獻選取，見表1。

數值模擬采用位移邊界條件，在模型的底部施加豎向位移約束，左右兩邊施加水平位移約束，地表設為自由邊界。計算模型的尺寸為：100 m×100 m。模型圖如圖2，圖3所示。

表1 圍巖及支護結構物理力學參數

4 計算結果分析

4.1 地表沉降

隧道在開挖過程中不可避免地會對周圍地層產生一定影響，因此明確地表沉降趨勢有助于更好地分析圍巖的穩定性。以橫軸為地面水平線，縱軸為隧道中軸線，做出隧道的地表沉降曲線，繪制地表沉降曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，礦洞存在與否引起的地表沉降規律大致相同。礦洞存在時的地表沉降量略大于無礦洞時的數值，最大沉降量為3.9 mm。所以，礦洞對隧道開挖產生的地表沉降影響很小。

4.2 洞周位移分析

隧道在施工過程中，其輪廓的位移變形是反映隧道整體穩定性的一個重要標準，隧道開挖后的水平位移和豎向位移如圖5～圖8和表2所示。

表2 隧道兩個方向的變形量最大值

mm

由圖5～圖8和表2可以得出，兩種情況下隧道特殊位置水平位移均很小，拱頂和仰拱水平位移向左，兩側拱腳水平位移向外，其中最大位移為左側拱腳的0.439 mm；豎向位移方面，無礦洞和有礦洞情況下隧道整體位移均向下，礦洞存在時的豎向位移較無礦洞時稍大些，最大豎向位移發生在拱頂處，無礦洞時為17.580 mm，有礦洞時為17.963 mm。所以，對于洞周圍位移來說，存在礦洞對其無明顯影響。

4.3 圍巖應力分析

圍巖應力大小及其分布情況能直觀地體現隧道在開挖過程中圍巖的穩定性，對安全施工有著較大的幫助，所以分析圍巖的各個應力指標就顯得尤為重要。兩種情況下的隧道周圍圍巖應力云圖如圖9～圖14所示。

從應力云圖中可以看出，兩種情況下均出現應力集中現象，壓應力集中區出現在隧道拱腳處。當存在礦洞時，水平方向最大應力、豎直方向最大應力以及第一主應力均較大，水平方向最大應力出現在隧道右側拱腳處，為1.91 MPa；豎直方向最大應力出現在礦洞右側，為3.11 MPa，對于隧道來說，豎直方向最大應力出現在左右拱腳處，左拱腳為-2.52 MPa，右拱腳為-2.62 MPa；第一主應力出現在右側拱腳處，為-1.45 MPa。所以，存在礦洞對隧道周圍圍巖應力影響較小。

5 結論

通過對愛民山隧道的有限元分析，得出以下結論：

1)有礦洞存在時的地表沉降量略大于無礦洞時的地表沉降量，下沉增加約0.6 mm，所以礦洞存在對地表沉降幾乎無影響；

2)對于洞周位移而言，礦洞存在時的水平位移最大處出現在礦洞左側，施工時應采取必要的加固措施；有礦洞時的拱頂下沉增加約0.5 mm；

3)對于圍巖應力而言，兩種情況下均出現應力集中現象，礦洞存在時的圍巖應力均增加1%左右，礦洞存在時的X方向應力最大處出現在礦洞右側，施工時也應注意采取措施。

綜合以上三種分析得出的結論，礦洞存在與否對于隧道的開挖影響較小，雖然位移、應力均有所增加，但是也在合理可控范圍內，可不予考慮其影響。