宋青波

中铁十六局集团第四工程有限公司

黎家湾隧道破碎段 围岩开挖隧道稳定性分析

宋青波

中铁十六局集团第四工程有限公司

以黎家湾隧道穿越围岩破碎段为研究背景，建立了有限元数值模型，采用数值分析方法研究了隧道开挖过程中的位移和初期支护的内力，计算结果表明开挖过程中隧道变形和支护内力满足设计要求，说明现场隧道开挖和支护方案可行，为类似工程施工设计提供参考。

隧道;破碎带围岩;数值模拟;稳定性分析

1 引言

破碎围岩支护技术在我国破碎围岩综合支护技术一般遵循的原则是：长期监控、综合治理、因地制宜、联合支护[1]。针对破碎围岩的开挖，是以新奥法为基础的复合式支护原理，对初期的支护适当地加大力度，在开挖过程中采用合理的施工工艺和施工方案，尽可能的减小对围岩的扰动影响，使围岩的自承作用得以充分发挥，本文以黎家湾隧道为研究对象，通过数值模拟研究破碎段围岩开挖过程围岩变形，以期分析支护效果和开挖可行性。

2 工程概况

黎家湾隧道所在地为侵蚀地貌低山丘陵区，地形起伏较小，地面标高386～430 m，相对高差20～45 m，山顶呈马鞍形。山坡坡脚和中上部基岩裸露，剥蚀与侵蚀地貌特征明显。隧址范围上覆薄层坡洪积粉质粘土、破残积粉质粘土、坡崩积粉质粘土夹块石，下伏上沙庙组砂岩夹泥岩。地下水主要为基岩裂隙水，地下水量较少，最大涌水量1008 m3/d，对混凝土结构无侵蚀性。

3 数值模拟

本文以巴达铁路黎家湾隧道通过围岩破碎段开挖支护过程为研究对象，通过大型有限元软件进行计算，分析开挖支护过程中围岩变形及支护内力，确定开挖和支护方案的可行性。根据施工资料，支护锚杆直径为22 mm，喷射混凝土厚度为24 cm，隧道采用台阶式开挖，分两部开挖。详细的计算参数见表1。

表1 计算模型的材料参数

3.1 有限元模型建立

隧道在整体计算时，化分为5个分析步。第一步为上部围岩开挖，第二步为上部土体锚杆支护，第三部为喷射混凝土硬化，下部围岩使用相同的方法。隧道网格大小为0.2 m；土层网格大小为2 m；模型计算共分为4 251个单元，单元类型采用四边形单元，输入各土层参数，采用二维平面自动划分网格，并施加自重荷载，与地面边界支撑等条件，完成模型的构建。

3.2 结果分析

3.2.1水平位移分析

采用数值模拟对隧道上下台阶开挖进行计算，计算中考虑了开挖和支护过程，得出各个步骤的水平水平位移图如图2所示。

从上图可以看出，隧道开挖时水平位移沿隧道中心线几乎对称分布，最大水平位移出现在左侧拱脚，最大位移为22.9 mm。在隧道开挖过程中，隧道上部土体开挖时，水平位移发生较大，但施加上部锚杆后，能够有效减小水平位移，但随着下部土体的开挖，水平位移仍会增大，直至完成混凝土的硬化，位移场最终稳定。因此，可以得出初期支护可以有效的阻碍围岩变形，较大程度的缓解应力集中现象，防治隧道坍塌。

3.2.2拱顶沉降分析

采用数值模拟对隧道上下台阶开挖进行计算，计算过程中考虑了开挖和支护过程。

随着隧道上部土体的开挖，隧道拱顶沉降增大，但随着锚杆支护的施加，拱顶沉降值增量减少；当台阶法下部土体开挖时，拱顶沉降再次开始加大，但随着后期的支护和衬砌的施工，沉降值最终得到控制。因此，该支护方案比较合理，能够满足设计要求。

3.2.3支护结构内力计算

拱顶部位主要承受拉应力，而墙腰到墙角部位主要承受压应力。这充分说明锚杆对围岩的整体加固作用很好，锚杆使围岩形成了拱形承载结构，有效地发挥了岩体抗压强度高的特点。

通过对隧洞的数值模拟可以很好的预测当前施工条件下隧道的稳定性，为设计院提供参考依据，为下一步施工做准备。

4 结论

本章根据黎家湾隧道的具体工程尺寸，通过大型有限元软件构建数值模型，详细分析隧道开挖的位移场和应力场，并对计算结果进行分析，结果表明，锚杆能够起到很好的支护效果，表明该施工方案可行，支护设计比较合理。

[1]William.Soil tunnel test section case history summary[J].Jour⁃nal of GeotechniqueEngineering,1985,11(11).