摘要：软弱围岩地质条件下进行城市山岭隧道的开挖一直是隧道工程界面临的重要课题之一。本文以工程实例为例，采用有限元软件建立了三维数值模型，模拟并分析了软弱围岩地质情况下山岭隧道的开挖方法，通过计算结果探究围岩及支护结构的力学响应，并根据分析结果，对地质条件较差的山岭隧道的设计和施工提出了建议。
关键词：软弱围岩 山岭隧道 有限元 施工 设计
1 引言
随着社会经济的发展和城镇化进程的不断加快，城市路网在不断完善，当道路需要翻越山岭时，除了可以选择盘山展线绕行，还可以选择垂直进洞穿越山岭。近年来，城市的地价越来越高，选择后者不仅可以节省占地面积，并且不破坏城市环境。但是当隧道开挖遇到软弱围岩地质条件时，如何安全快速地修建隧道成了一个难题。尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时，常常形成大变形等地质灾害，严重影响施工安全和进度[1]。
近年来，笔者有幸参加了珠海市新建的隧道工程项目的设计和施工，借助在建的工程项目，研究软弱围岩地质条件下隧道设计和施工中的注意事项，并对修建过程中存在的问题进行探讨。
2 工程概况
本隧道位于珠海市横琴新区境内，穿越横琴山，隧道西线全长1.025km，东线全长1.072m，属于长隧道。隧道毛洞最大跨度为16.418m，最大开挖高度10.911m。隧道最大埋深120m。根据地质勘察报告，隧道在洞口附近地质条件较差，基本为Ⅴ级围岩。针对在较差的地质条件处修建隧道，需要进行施工阶段模拟分析。
3 有限元模型及计算过程
3.1模型建立
计算模型以该隧道所在的Ⅴ级围岩的地质条件为背景，选择大型有限元软件GTS进行隧道稳定性分析[2]。计算模型边界初定为距隧道中心3~5倍开挖宽度，具体尺寸如下：长100m（x轴方向），高100m（z轴方向）。为了合理地表现锚杆的支护效应，隧道模型纵向尺寸定位15m（y轴方向）。隧道支护采用复合衬砌，喷射混凝土层厚度为28cm，拱墙、仰拱采用I22b型钢拱架，纵向间距50cm，二衬采用60cm厚的C30钢筋混凝土。
围岩采用三维实体单元，本构模型为莫尔-库伦模型；喷射混凝土、钢架和钢筋网组成的初期支护和导洞临时支护作为一个整体[3]，用平面板单元模拟。二次衬砌同样采用平面板单元模拟。最后，锚杆用植入式桁架单元模拟。
3.2 材料参数
围岩和初期支护的材料参数根据Ⅴ级围岩段的地质条件和设计参数来选取，二次支护的材料参数根据规范来选取。具体材料参数见表1~表2。
表1 隧道围岩计算参数
4计算结果与分析
4.1围岩位移场和应力场分析
计算结果显示，施工二衬后最大竖向位移位于隧道中心线上的仰拱和拱顶，其中拱顶下挠8.275mm，拱底上隆10.192mm，因此施工过程中要加强对拱顶和仰拱位置的位移监测，拱顶喷射混凝土回填一定要密实，并根据实时监测数据结果及时调整支护参数。
隧道开挖完成后，围岩的拉应变和压应变如图1所示。从围岩的塑性拉应变图中看出，最大拉应变出现在隧道两侧拱墙上，两侧拱墙上出现拉应变主要是由于隧道开挖拱顶下挠和拱底隆起导致出现拉应变。施工中应重点监测两侧拱墙处围岩的拉应变，要注意对这些地方围岩的保护，避免过度扰动。
从图1压应变云图可以看出施工完成后围岩的压应变情况，最大的压应变发生在拱脚位置，施工中需要注意拱脚喷射的混凝土，避免过大的压应力将拱脚混凝土压碎。同时，设计中，在拱脚处设置药卷锁脚锚杆，能起到较好的传力作用。
图1 二衬施工后围岩拉应变图（左）和压应变（右）
隧道开挖完成后，围岩的第一主应力和第三主应力如图2所示。从图中可以看出，拱顶、仰拱处围岩出现较大的压应力，最大压应力值为5.39MPa，发生在两侧拱脚处。
图2 二衬施工后围岩第一主应力图（左）第三主应力图（右）
5结论
1）软弱围岩条件下开挖隧道，围岩位移发生在拱顶和仰拱位置，建议施工过程中加强对拱顶和仰拱位置的位移监测，拱顶喷射混凝土回填一定要密室。
2）隧道开挖过程中，由于拱顶下沉，拱底隆起，将会导致两侧拱墙出现拉应变，建议施工中重点监测两侧拱墙处围岩的拉应变，注意对这些地方围岩的保护，避免过度扰动。
3）隧道开挖过程中，围岩最大压应变发生在拱脚位置，施工中需要注意拱脚喷射的混凝土，避免过大压应力将拱脚混凝土压碎。设计中，在拱脚处设置药卷锁脚锚杆，能起到较好的传力作用。
参考文献
[1]李国良，朱永全.乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制技术[J].铁道工程学报，2008，3（114）：54-59.
[2]桂荣，刘永.高地应力软岩隧道施工的时空效应分析[J].南华大学学报，2011，（01）：28-32.
[3]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.
论文作者:邹晓鸿
论文发表刊物:《防护工程》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/5
标签：围岩论文; 隧道论文; 应变论文; 拱顶论文; 应力论文; 地质论文; 软弱论文; 《防护工程》2018年第3期论文;