壓縮--高地應(yīng)力單側(cè)軟巖大變形隧道施工數(shù)值模擬分析

1、文章編號：高地應(yīng)力單側(cè)軟巖大變形隧道施工數(shù)值模擬分析高地應(yīng)力單側(cè)軟巖大變形隧道施工數(shù)值模擬分析作者作者（單位）摘要：摘要：以巖層傾角對高地應(yīng)力單側(cè)軟巖大變形隧道位移場、塑性區(qū)和應(yīng)力場的影響為研究目的。結(jié)合宜巴高速公路石門埡隧道施工過程，利用有限差分軟件FLAC3D對隧道施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對比分析不同角度下全斷面法和下導(dǎo)洞超前開挖法模擬計算結(jié)果。結(jié)果表明：軟弱圍巖區(qū)位移場、塑性區(qū)和應(yīng)力場分布特征受巖層傾角影響較大，堅硬圍巖區(qū)受其影響較

2、小。兩種開挖方式下隧道周邊位移和塑性區(qū)分布差別不大；最終應(yīng)力場分布特征與開挖方式無關(guān)，但開挖期間主應(yīng)力、主應(yīng)變、位移和破壞度并不相同。所得結(jié)論可為同類隧道的設(shè)計、施工和研究提供借鑒和參考。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：巖層產(chǎn)狀；軟巖大變形；FLAC3D；數(shù)值模擬；下導(dǎo)洞超前開挖法1前言隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，在深部巖體中修筑隧道工程已必不可少，隨之而來的深部巖體所具有的特殊工程地質(zhì)問題也更加突出。在深埋隧道勘察設(shè)計和施工過程中，高地應(yīng)力的存在，是

3、影響隧道穩(wěn)定的重要因素，主要表現(xiàn)為硬巖巖爆和軟巖大變形或塑性破壞。高地應(yīng)力引起的巖爆、流變、斷層軟巖擠入大變形等災(zāi)害給施工帶來的困難也隨之出現(xiàn)[14]。軟巖支護是地下工程中最難解決的工程技術(shù)問題之一，以其大變形、高地壓、難支護的特點一直受到巖石力學(xué)及地下工程界的普遍關(guān)注[5]。高地應(yīng)力軟巖大變形地段隧道施工過程中，一要充分發(fā)揮圍巖的自承能力，允許有一定自由變形；二要避免變形過大、防止圍巖失穩(wěn)；并在軟巖大變形嚴(yán)重地段預(yù)留變形量，避免初期支

4、護結(jié)構(gòu)因承受較大的形變壓力，造成初期支護結(jié)構(gòu)破壞。下導(dǎo)洞超前開挖法作為分部開挖法的一種，適用于設(shè)計斷面較大或圍巖軟弱破碎嚴(yán)重、穩(wěn)定性較差的隧道，導(dǎo)坑超前開挖，有利于提前探明地質(zhì)情況，且小斷面坑道圍巖的相對穩(wěn)定性顯著增強，而在現(xiàn)代隧道施工建設(shè)中，下導(dǎo)洞超前開挖法應(yīng)用較少[6]。在深部軟巖工程中，由于涉及到物理非線性、幾何非線性和接觸邊界非線性等力學(xué)問題，因此其理論解的求解在數(shù)學(xué)上遇到非常大的困難，需要借助于有限元、有限差分和離散元等數(shù)值方

5、法和軟件[7]。本文針對宜巴高速公路石門埡隧道出現(xiàn)的單側(cè)軟巖大變形特征，利用有限差分軟件FLAC3D研究了隧道兩側(cè)圍巖巖性不同時，傾角對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，并對采用全斷面法和下導(dǎo)洞超前開挖法時圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析。2工程概況石門埡隧道是宜巴高速公路控制性工程之一，為項目全線最長隧道。隧道采用分幅式，左幅起訖樁號ZK118963~ZK126487，總長7524.0m，右幅起訖樁號YK118948~YK126441總長7493.0m。隧

6、道最大埋深約878m，屬特長深埋隧道。隧道施工至ZK120000時，隧道初期支護發(fā)生單側(cè)破壞、圍巖層狀剝落現(xiàn)象，造成錨桿彎曲破壞，針對于此，施工單位決定采取下導(dǎo)洞超前開挖法進(jìn)行施工。圖1下導(dǎo)洞超前開挖法施工方案圖2錨桿破壞情況3隧道施工數(shù)值模擬3.1計算模型計算模型采用FLAC3D三維快速拉格朗日差分方法分析軟件，根據(jù)地下結(jié)構(gòu)的計算原理，隧道開挖影響范圍為洞徑的3~5倍，且根據(jù)隧道的實際結(jié)構(gòu)形式及地質(zhì)條件，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃喕?。模型計?/p>

7、范圍：水平方向（x軸）長度取90m，豎直方向（y軸）取90m，縱向（z軸）沿隧道軸線方向取60m。圍巖材料模型采用MohrCoulomb理想彈塑性模型，開挖采用FLAC3D中的Null模型。模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，模型上部施加邊界應(yīng)力，其等效地應(yīng)力由確定，為上覆巖層的平均zh????453.784.872.713.532.922.122.23604.105.192.573.873.222.112.29904.965.

8、532.474.493.902.252.581206.045.272.584.824.512.583.061356.604.952.734.784.702.823.401507.104.542.954.584.753.123.751807.553.643.643.874.413.874.41分析表2可知，當(dāng)不考慮θ=0和θ=180兩種對稱狀態(tài)時，隨著角度θ變化，拱頂豎向位移、拱腰水平位移、拱肩豎向位移及水平位移具有不同的變化趨勢：（1）

9、拱頂豎向位移：隨著角度θ增大，拱頂下沉量逐漸增大。（2）拱腰水平位移：隨著角度θ增大，左拱腰水平位移先增大后減小，右拱腰水平位移先減小后增大；當(dāng)θ=90時，左拱腰水平位移最大，右拱腰水平位移最小。（3）拱肩豎向位移：隨著角度θ增大，左拱肩豎向位移逐漸增大；當(dāng)θ60時，右拱肩豎向位移隨著角度θ增大而逐漸增大。（4）拱肩水平位移：隨著角度θ增大，左拱肩水平位移先增大后減小，當(dāng)θ=120時，左拱肩水平位移最大；當(dāng)θ90時，右拱肩水平位移隨著角

10、度θ增大而逐漸增大。03060901201501801.01.21.41.61.82.02.22.4位移比（左右）角度θ（）拱腰x位移拱肩x位移拱肩y位移圖5左右兩側(cè)位移比Fig.5Displacementratioofleftrightsides圖5所示為左右兩側(cè)拱腰水平位移、拱肩豎向位移及水平位移之比。分析圖5可知：隨著角度θ增大，左右兩側(cè)拱腰水平位移、拱肩豎向位移和水平位移之比均呈先增大后較小的趨勢；當(dāng)θ=90時，比值均達(dá)到最大值

11、，且比值大小依次為拱腰水平位移（2.24）拱肩水平位移（1.99）拱肩豎向位移（1.51），說明隧道兩側(cè)巖性不同時，對拱腰水平位移影響最大，拱肩水平位移次之，拱肩豎向位移最小，且軟弱圍巖區(qū)隧道周邊位移較大。4.2塑性區(qū)特征塑性區(qū)特征θ=0θ=30θ=45θ=60θ=90θ=120θ=135θ=150θ=180圖6圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.6Plasticzoneofsurroundingrock圍巖塑性區(qū)分布如圖6所示，隧道開挖后引起的塑

12、性屈服主要為剪切屈服，不考慮θ=0和θ=180兩種對稱狀態(tài)時，隧道左側(cè)拱肩、拱腰塑性區(qū)范圍比右側(cè)范圍大，當(dāng)θ=90時表現(xiàn)最明顯；拱底塑性區(qū)范圍左右基本對稱。當(dāng)θ=0時，塑性區(qū)在隧道拱腰、拱肩兩側(cè)對稱分布，塑性區(qū)范圍為3.1~4.6m；拱頂塑性區(qū)范圍為3.1~4.7m，而拱底塑性區(qū)范圍為4.2~6.3m，比拱頂塑性區(qū)范圍大。當(dāng)θ=90時，塑性區(qū)在隧道兩側(cè)分布不對稱，右下部塑性區(qū)范圍為3.1~4.6m，拱底塑性區(qū)范圍為4.2~6.3m，而左