软弱隧道环形预留核心土开挖过程数值分析

2011-07-09冯家鑫

山西建筑 2011年29期

冯家鑫郇澜

1 工程概况

昆仑隧道位于大埔县银江镇昆仑—大麻镇岌头村之间，本隧道为分离式长隧道，起止桩号左线ZK42+180～ZK44+975，长2 795 m;右线 K42+193～K44+998，长2 805 m。

隧道穿越昆仑山，为丘陵地貌，起伏较大。隧道进口位于山体西坡，坡度较缓，基本与等高线正交，山上植被为桉树林，覆盖层较厚，出口位于冲沟南侧山嘴处，山间植被茂密，基本为松树、农田和灌木。

隧址区内地层结构较为复杂，地质构造复杂，岩性变化很大，勘察揭露隧道址区内存在有较多的断裂构造带，隧址区地层上部为第四纪残坡积层覆盖，下伏基岩为侏罗系漳平组(J2zh)砂岩、泥质岩以及前泥盆系(AnD)变质砂岩、板岩。隧道埋深较浅。隧道开挖断面高度为10.38 m，宽12.92 m。

2 有限元模型的建立

2.1 计算范围

根据圣维南原理，开挖只在洞周一定范围内引起应力重分布。实践和理论分析表明，在均质弹性无限域中开挖的圆形隧道，由于荷载释放而引起的洞室周围介质的应力和位移的变化，在5倍洞径范围之外将小于1%，在3倍洞径之外约小于5%。因此，依据工程的具体要求和有限元法的离散误差以及计算误差，一般选取的计算范围沿洞径各个方向均不小于3倍～5倍洞径［1-3］。因此，隧道几何模型的取值范围左右两侧从隧道中心向外各延深50 m，上下部边界均取为30 m。

2.2 计算参数的确定

根据工程勘察报告，并结合《公路隧道设计规范》［4］，选取的岩土体参数为:弹性模量E=200 MPa，泊松比μ=0.4，重度γ=20 kN/m3，凝聚力 c=55 kPa，内摩擦角 φ =29.5°。

初期支护结构的弹性模量 E=25 GPa，μ =0.20，γ =30 kN/m3。

2.3 施工工序模拟

进行有限元模拟时，将整个施工过程分为7步:

第1步:自重应力场计算;

第2步:开挖上台阶;

第3步:支护上台阶;

第4步:开挖核心土;

第5步:开挖下台阶;

第6步:支护下台阶;

第7步:开挖仰拱;

第8步:支护仰拱。

3 计算结果分析

3.1 围岩应力场分析

隧道在没有开挖前，围岩在自重应力作用下处于初始应力状态，开挖隧道后引起围岩应力重新分布，使围岩处于二次应力状态和三次应力状态。研究开挖过程中应力发展变化规律(见图1)，为隧道围岩和支护结构稳定性分析提供依据。

图1 各工序开挖后第一主应力等值线图

根据计算结果，对不同工序下围岩拱顶、左右拱脚、左右边墙及仰拱的中点六个关键点的应力分布情况进行提取，具体见表1。

表1 各关键点的第一、第三主应力MPa

从表1各关键点第一、第三主应力中可以看出，上台阶开挖后拱顶处于受拉状态，左右拱脚出现应力集中。核心土开挖后，对各监测点处的第一、第三主应力影响很小。下台阶开挖后，左右边墙脚出现应力集中。在仰拱支护施作后，拱顶岩体由受拉状态转为受压状态，左右拱脚和左右边墙脚的受力得到了改善。因此在软弱隧道环形预留核心土开挖过程中，要加强对拱顶、左右拱脚和左右边墙脚的支护，防止受拉和应力集中的部位围岩坍塌，并且应该及时施作仰拱，来改善围岩的整体受力。

3.2 围岩位移场分析

根据计算结果，对不同工序下围岩拱顶、左右拱腰、左右边墙及仰拱的中点六个关键点的x，y方向的位移进行提取，具体见表2。

从表2中可以看出，最大水平位移发生在左右边墙中部。拱顶竖向位移在隧道开挖后发生了较大变化，上台阶开挖后拱顶处位移量达2.93 mm，下台阶开挖后位移量又有所增加，这是由于随着开挖断面的增大，围岩体应力重新调整的结果，当仰拱施作后，拱顶位移有所减小，为2.87 mm，这表明施作仰拱对拱顶竖向位移有一定的限制作用。左右拱腰处的水平位移和竖向位移，在上台阶开挖后，达到总位移的70%以上，这说明要加强上台阶的支护。左右边墙中部向上隆起，在施作仰拱后，明显减小。拱顶和仰拱中点处的水平位移为0，这是因为在数值模拟时，取的模型是对称模型。