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摘要：本文据根据向家隧道的地质情况，采用数值模拟，从CD法、台阶法和全断面法对隧道进洞的扰动效应进行了分析。分析表明：采用台阶法+注浆进行开挖，可以很好的控制住围岩的变形，充分发挥围岩的卸荷作用，释放围岩的多余应力，减小支护结构的弯矩和轴向应力，提高隧道整体结构的耐久性；能够使锚杆绝大部分处于受拉状态，使锚杆的轴力分布均匀，充分发挥锚杆加固的作用；同时台阶法+注浆开挖施工工序少，施工过程简单，有利于隧道的快速掘进。本文的研究成果可为类似隧道的进洞开挖提供参考。
关键词：浅埋偏压隧道 进洞 数值模拟 分析
1 引言
向家隧道是大岳高速公路上一条隧道，隧道严重偏压，本文据根据向家隧道的地质情况，拟采用数值模拟，从台阶法、全断面法和CD法对隧道进洞的扰动效应进行了分析，揭示各种开挖方法的扰动影响，可为隧道的进洞开挖提供技术支持。
2 多种工况的数值分析模型的建立
根据向家隧道隧址区地质纵面图显示的地质情况和计算需要，经过适当的简化后建立浅埋偏压隧道进洞三维计算模型，模型选取左线出口浅埋偏压段，该区段里程为Z1K10+320-Z1K10+290。从开挖方法和围岩加固两方面对隧道偏压进洞的扰动效应进行建模分析，针对隧道开挖作用下的围岩扰动位移场、围岩扰动应力场、初支的受力特性及边墙砂浆锚杆的轴力进行分析，共建立六种工况下隧道的模拟开挖，各模拟工况具体情况见表1所示。
在计算模型中设置地表纵向监测线L1、地表横向监测线L2，对隧道洞身周围内各特征点的位移及应力进行监测，研究隧道开挖对围岩的扰动规律，确定隧道在浅埋偏压这一特殊地质条件下的受力分布、偏压荷载的集中部位及支护结构的应力集中部位，为进一步提出浅埋偏压隧道的进洞安全控制措施提供分析依据。对比分析在不同工况扰动下隧道的围岩扰动位移场、围岩扰动应力场、初期支护结构的受力、边墙锚杆的轴力的区别，选取最优工况为浅埋偏压隧道的进洞开挖工况。
2.1开挖计算模型的建立
模型尺寸为长90m×宽30m×高45m，山体的坡度比为1:2，土体围岩、注浆加固区及隧道二衬均采用实体单元，共划分网格域（zones）37200个、节点（grid-points）36580个。土体围岩、隧道的开挖区和围岩加固区的实体单元均采用Mohr-coulomb本构模型，隧道初期支护的模拟选用能承受弯矩和轴力的壳体单元(shell)，隧道二衬衬砌实体单元的本构模型采用各向同性的Elastic弹性模型，边墙砂浆锚杆采用cable单元，具体模型网格如图1所示。
3 各工况的扰动效应分析
考虑不同的开挖方法、有无围岩注浆情况，对隧道的开挖工况进行了数值模拟分析，为了更好的了解在隧道开挖过程中洞身周围围岩的应力跟位移分布情况，对隧道内的拱顶、拱底、左右拱腰、拱脚、边墙、墙角等各特征点进行了监测，进而分析隧道在不同工况下的结构内力、周边围岩变形及应力的分布规律。
3.1 围岩位移场的扰动分析
3.1.1 隧道拱圈特征点位移场分析
对于隧道而言，评价整体结构安全性最直观的指标为拱顶下沉与周边位移量测，本文通过数值模拟计算的手段，对各工况下隧道拱圈特征点进行了监测，其特征点Z方向位移监测值如图2所示，隧道拱圈特征点X方向位移值件图3。
由图2、3所反映出来的规律可知，各监测点在隧道开挖过程中存在着不同程度的位移变形，在不同工况下各监测点的总体变形规律相一致：在全断面法开挖下监测点的位移变形最大，在CD法+注浆开挖下监测点的位移变形最小，通过围岩注浆能够有效的控制拱圈的变形。
3.2 围岩应力场的扰动分析
3.2.1竖向应力场的扰动分析
围岩应力扰动区域主要分布在拱圈周围，为了进一步探究在各开挖工况下浅埋偏压隧道围岩应力场的扰动规律，对上文布置的特征点进行了监测，提取其相应的竖向应力（SZZ）值并加以整理，得到数据如表5所示。
4 结论
本文依托大岳高速向家隧道，利用FLAC3D软件对隧道洞口进行数值计算分析，得出了隧道在全断面法、全断面+注浆法、台阶法、台阶+注浆法、CD法、CD+注浆法这六种工况开挖下围岩扰动位移场、围岩扰动应力场的分布规律，结论如下：
⑴对不同工况下的地表下沉、拱顶下沉、拱底隆起进行了比较，得出在全断面法开挖下隧道的变形最大，在CD法+注浆开挖下监测点的变形最小，通过围岩注浆能够有效的控制拱圈的变形，但在位移变形的数值上，台阶法+注浆、CD法、CD法+注浆这三种工况下的位移变形值非常的接近。
⑵对不同工况下围岩的应力场进行了分析，得出了台阶法+注浆开挖能很好的减小围岩的竖向应力和剪切应力，改善隧道所受的偏压效应，且与CD法、CD法+注浆加固两种工况下对围岩应力的改善非常的接近。
⑶对不同工况下支护结构的受力进行了分析，其分布规律：全断面法的开挖断面与开挖进尺较大，对围岩造成了较大的扰动，致使初期支护上的轴力和弯矩较大，CD法则刚刚相反，开挖断面与进尺小，支护较早，没有较好的利用围岩的卸荷作用，未能释放较多的围岩应力，这一部分应力主要由初期支护来承受，从而造成了初期支护轴力与弯矩的大幅增加，而台阶法正好综合了两者的特点，在开挖过程中即较好的利用了围岩的卸荷作用，又避免了对围岩的较大扰动，从而减小了初期支护结构的轴力。
⑷对不同工况下边墙锚杆所受的轴力及其分布进行了分析，右边墙的锚杆主要承受拉力的作用，左边墙的锚杆在局部承受压力的作用，这部分锚杆没有发挥出应有的作用。在各工况中，台阶法+注浆这一工况下锚杆所受的轴力分布图中绝大部分的锚杆处于受拉状态，充分发挥了锚杆的作用，且不同锚杆所受轴力分布较均匀，最大值为6.36KN，符合锚杆的正常使用要求，得出了从锚杆的受力分析考虑采用台阶法+注浆开挖这一工况更为合理的结论。
参考文献：
[1]杨超.浅变质碎裂岩地区隧道洞口段预加固技术研究[D].重庆大学,2011.
论文作者:王叶松
论文发表刊物:《基层建设》2016年36期
论文发表时间:2017/3/29
标签：围岩论文; 隧道论文; 工况论文; 偏压论文; 位移论文; 应力论文; 断面论文; 《基层建设》2016年36期论文;