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摘要：本文以隧道常规开挖方法中全断面法、台阶法和分部法为研究对象，研究隧道围岩变形规律。依托工程实例，通过现场实测数据及ADINA有限元分析软件数值模拟分析，得出不同开挖工法下围岩的变形特征，结果显示：开挖步数越多，岩体扰动越小，围岩变形值越小；实测数据与数值模拟结果相差较小，其模拟值与实测值相差最大仅为6%；分部开挖方法可有效地控制隧道边墙节点的水平位移，优于另外两种方法。
关键词：施工工法；隧道；围岩变形；有限元分析；ADINA
隧道工程在我国国民经济建设中占得比重逐渐加大，同时相关科研人员对其开挖方法也进行了长期的研究。认为隧道在开挖过程中，由于原岩应力遭到破坏，隧道围岩应力重分布，结果产生应力释放以及围岩变形，而常规隧道开挖方法在处理复杂地质时显得捉襟见肘，诸如软岩、及软岩地质条件，这类岩体因整体强度低、自稳能力差，隧道开挖后顶部易沉降而造成安全事故[1]～[3]。不同的开挖方法对软岩隧道变形[4]具有不同程度的影响，而对开挖扰动敏感的地质主要采取一次开挖面积小多步开挖的方式控制围岩变形[5]。在现阶段解决复杂地质条件隧道开挖问题仍需要深入研究常规开挖方法以便在此基础上大胆创新提出新的开挖方法。为此，研究隧道常规开挖方法下围岩变形规律，探求影响隧道围岩变形因素、岩体变形时间效应[6]～[9]，分析各个因素对隧道变形影响的敏感性和显著性是处理复杂地质的根本。
本文结合工程实例，以有限元分析软件为计算手段重点分析对全断面法、台阶法与分部法隧道围岩变形进行比较，并提出相关结论，对类似工程具有重要借鉴意义。
2工程概况
石板沟二号隧道右线起讫里程YK35+560～YK35+868，总长308m；右线右幅起讫里程YFK35+545～YFK35+884，总长339m。该工程总共分三个工点施工，分别采用全断面法、台阶法和分部法开挖。本隧道属于丘陵剥蚀地貌，基岩埋藏较深。隧道穿越走向122°的丘陵区，地形起伏较大，自然斜坡坡度：进口为24。～38。，出口为34。～49。，最高海拔360.9m，山脊较窄小，沟谷较窄，切割不深，植被发育。
该隧道围岩以V级围岩为主。大部分围岩为残坡积层及全风化碎块状强风化燕山早期侵入花岗石，为极软岩-软岩，呈松散状碎裂结构无自稳能力，以松动破坏为主，埋深大部位有明显的塑性流动和挤压破坏，易发生较大的坍塌，侧壁不稳。隧道区区域性构造较稳定，表层风化层较厚，未发现有断裂带通过。洞身地下水主要聚集在全风化—强风化层中，渗透系数K=0.1~0.6m/d，经室内试验确定的围岩物理力学性质指标见表1。
表1 围岩物理力学性质指标
容重
λ（kg/m3）泊松比
μ弹性模量
E（Pa）内摩擦角
Φ内聚力
C（Pa）
24000.39644000025。8000000
3隧道围岩变形监测
3.1监测目的
隧道开挖过程中的工作面失稳，拱顶失稳，拱脚下沉和围岩大变形是隧道围岩变形控制的要点[10]。为了更好地控制后继开挖隧道围岩变形量，通过定时监测拱顶洞边变形值，分析其变形趋势和产生变形的具体原因，据此为后期隧道开挖变形控制提供依据。
3.2监测内容
（1）地表和隧道底部垂直方向位移
根据该工程地质条件以及以往的工程经验，认为随时间的推移地表和隧道底部垂直方向将会有一定的变形量，通过对其垂直方向变形的监测，进一步了解变形规律为隧道开挖和支护提供依据。
（2）隧道边墙水平位移
隧道围岩应力释放必将导致隧道边墙水平位移。通过对洞周两侧水平位移的监测，主要是为了控制洞口几何尺寸同时为后期开挖支护提供参考，以便提出合理的变形控制和支护措施。
3.3监测点布设
本工程隧道断面形状为小净距形式，结合监测内容和地质条件合理设计监测点。一方面能反映出工程地质特点，另一方面能反映出实际围岩变形，现提出监测点布设如图1所示。
图1 围岩监测点分布图
3.4监测数据及分析
该工程在实际开挖和支护过程分为三个标段进行实施，故而在监测过程中同样也分三标段进行，各个标段开挖方法下监测数据绘制图形见图2所示。
图2 不同开挖方法下围岩变形随时间的关系
由图2可以看出在三中不同的开挖法放下围岩变形随时间的关系既有相同之处又不乏区别的地方。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆图2中反映出围岩变形的相同之处在于隧道洞口开挖形成后在较短的时间内发生了较大的变形，也就是说其变形速率都是较为迅速的。但随着时间的继续推移其变形逐渐趋于稳定。图2反映的不同之处在于全断面法在洞口形成的前10天累计变形速率大于台阶法和分部法，后期稳定最终累计变形值均较大与后两种方法。总体上看出分布开挖方法优于另外两种方法，在洞口形成的前5天累计变形值低于前两种方法且其变形速率较小。
4数值模拟分析
4.1模型建立
在模型建立的过程中其核心就是要能尽可能的反映实际情况，一方面反映在承受载荷方面，另一方面反映在边界约束性条件。本模型的建立是依托于大型有限元分析软件ADINA，按实际尺寸同等比例建立几何模型并施加位移边界条件和应力边界条件，其数值分析模型见图3所示。
图3 数值分析模型图
4.2材料参数选取
由于本模型在分析过程张岩体应力应变服从Mohr-Coulomb准则，故而在选取材料参数时主要是选定岩土的弹性模量E、泊松比λ、岩土体的容重ρ、内摩擦角φ、内聚力C。一般认为，软岩岩体越完整，受构造影响越小，同一岩体与岩石力学指标相差就越小，故计算中将实验指标作适当折减后使用[11]。实验指标见表1，计算模型采用总应力法，即水土合算，不考虑降水过程中液面下降对围岩的影响。
4.3结果分析
图4显示了三种开挖情况下地表节点1272和隧道底部节点449的垂直方向模拟和实测位移的变化曲线，从曲线的走势看无论是模拟值还是实测值分部开挖方法法下垂直方向位移均较其他两种方法小且实测值与模拟值相差甚微。同时也说明了开挖步数越少地表节点下沉值越大，隧道底鼓现象也越明显。
图4 开挖方法不同时地表和隧道底部节点的垂直方向位移模拟值与实测值
图5 开挖方法不同时隧道边墙节点的水平方向位移模拟值
图6 开挖方法不同时隧道边墙节点的水平方向位移实测值
由图5和图6可以看出数值模拟及实测各节点的最终沉降量的变化趋势是相同的，即分部开挖由于对洞体的扰动的程度较小进而所产生的洞边最终变形量也较小。采用分步开挖方法可有效地控制隧道边墙节点的水平位移，其模拟值与实测值相差最大仅为6%，反应出模拟值具有一定的可信度。
5结论
通过对全断面法、台阶法与分部法下隧道围岩变形的实际监测和数值拟的比较，得出相关结论如下：
（1）分部开挖方法下对隧道围岩扰动较其他两种方法小，使围岩裂缝继续开展的概率大大减小进而所释放的能量也较少，隧道支护体所吸收的能量就变得很小，故而围岩变形稳定最终变形值也就越少；
（2）隧道孔洞竖向变形量随开挖步数的减少，地表节点下沉值增大，隧道底鼓现象变得明显；分部开挖法较其他两种方法引起的竖向变形小；
（3）隧道边墙变形量则随开挖步数的增多，收敛值减小；
（4）从现场监测数据和数值模拟值比较看出二者相差较小，分部法优于另外两种方法，分析主要原因是分部法引起的开挖面积小，所以扰动相对就小也就减小了拱顶沉降和两邦位移量；
（5）经分析可知在软岩或极软岩地质条件进行隧道开挖时分部开挖方法在降低围岩变形量和减少支护损耗方面具有很好的应用性。
参考文献：
[1]张向东，刘严，孙闯.软岩隧道开挖方法数值模拟分析[J].广西大学学报：自然科学版，2010，35（1）：73～77.
[2]韩厦，姜琳瑜，严利娥.隧道衬砌维修加固的新材料新技术[J].广西大学学报：自然科学版，2005，25（1）：16～19.
[3]黄波.公路隧道软弱围岩开挖方法研究［J］.施工技术，2004，18（10）：60-61.
[4]杨会军，王梦恕.隧道围岩变形影响因素分析[J].铁道学报，2006，28（3）：92～96.
[5]韦秉旭，唐辉湘，陈尤.CRD法与上下台阶法在隧道开挖中的效果对比及数值分析[J].中外公路，2011，31（4）：192～195.
[6]PELLI FKAISER P K，MORGERNSTERN N R.Three-dimensional simulation of rock line interaction near tunnel face[C]//Proceedings of the 2nd International Symposiumon Numerical Model sin Geo-mechanics.Ghent：[S.N.]，1986：359～368.
[7]SWOBODAG，MERTZW，SCHMIDA.Three-dimensional numerical model to simulate tunnel excavation[C]// Proceedings of the 3rd International Conference on Numerical Models in Geo-mechanics.Niagara Falls：[S.N.]，1989：536～548.
[8]赵旭峰，王春苗，孔祥利.深部软岩隧道施工性态时空效应分析[J].岩石力学与工程学报，2007，26（2）：404～409.
[9]孙钧，朱合华.软弱围岩隧洞施工性态的力学模拟与分析[J].岩土力学，1994，15（4）：20～33.
[10]赵勇.隧道围岩动态变形规律及控制技术研究[J].北京交通大学学报，2010，34（4）：1～5.
[11]林永贵.不同应力场软弱围岩隧道力学性状试验研究[J].陕西西安.长安大学.2006（5）：9～10.
论文作者:王增文
论文发表刊物:《北方建筑》2016年12月第35期
论文发表时间:2017/3/27
标签：围岩论文; 隧道论文; 方法论文; 位移论文; 分部论文; 节点论文; 两种论文; 《北方建筑》2016年12月第35期论文;