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1、 不同开挖方法对深埋隧道围岩稳定性的数值模拟研究 谭海洲【摘要】本文以莲花山2#隧道为例，利用数值模拟的方法研究不同开挖方法对深埋隧道围岩塑性应变的影响规律，从而合理地选择开挖方法指导深埋隧道的施工。【关键词】深埋隧道；围岩稳定性；开挖方法；数值模拟0 引言随着我国交通基础设施建设的推进，大量的深埋隧道频繁地出现在公路、铁路等工程建设中，而深埋隧道围岩稳定性一直是隧道工程研究的重点之一。围岩不稳定主要表现为底板隆起、边墙挤入、顶板塌落、岩爆、围岩或者衬砌开裂等，在隧道施工开挖过程中，围岩不稳定可能会引发隧道塌方灾害，造成人员伤亡，施工机械损坏，对社会造成不利的影响。因此，加强对围岩稳定性的研究
2、是十分必要的。本文以莲花山2#隧道为例，利用数值模拟的方法研究不同开挖方法对深埋隧道围岩变形和力学特性的影响规律，从而针对不同的围岩级别合理地选择开挖方法，确保在开挖过程中隧道围岩的稳定性，指导深埋隧道的施工。1 工程背景莲花山2#隧道为左右线分离式，左线洞体全长5181米，进口段里程桩号为ZK200+334，出口段里程桩号为ZK205+515，右线洞体全长5120米，进口段里程桩号为K200+325，出口段里程桩号为ZK205+445，洞体最大埋深为554.99米。2 不同开挖方法对深埋隧道围岩稳定性的影响2.1 三维数值模拟模型的建立及参数的选取莲花山2#隧道最大埋深约555m，大多数地段
3、埋深超过100m，因此本数值模拟考虑深埋情况，并且结合隧址区的地质构造特征，对莲花山2#隧道的级、级和级围岩进行模拟时考虑了岩体层理的特征。根据莲花山2#隧道的工程概况，深埋地段为级、级和级围岩，参考有关设计手册，决定采用：深埋地段级围岩用于比较的施工方案为全断面法和上下台阶法；深埋地段级、级围岩用于比较的施工方案为三台阶法、CD法。计算模型的边界条件是：上部边界为自由边界，其余的各侧面和底部边界都为法向约束边界。围岩采用Morh-Coulomb理想弹塑性模型模拟，拱墙砂浆锚杆采用锚单元模拟，钢拱架和网喷初期支护采用壳单元模拟，临时钢支撑采用梁单元模拟，二次衬砌采用理想弹性模型模拟，开挖单元采
4、用空单元模型模拟。2.2 三维计算结果及分析2.2.1 级深埋条件下两种施工方法对隧道围岩塑性区影响的比较图1 全断面法隧道围岩的塑性区分布 图2 上下台阶法隧道围岩的塑性区分布如图1、2所示，采用全断面法开挖时隧道围岩的塑性区较少，采用上下台阶法开挖时隧道围岩的塑性区较多。采用全断面法开挖时，塑性区主要出现在拱顶和拱底处，拱腰和拱脚处也有少量的塑性区；所有的塑性区主要是由拉伸破坏引起的，而剪切破坏引起的很少；这些塑性区都只是在开挖时出现过，支护做完稳定后又恢复到了弹性状态。采用上下台阶法开挖时，塑性区也主要出现在拱顶和拱底处，拱腰处也有少量的塑性区；拱顶和拱底处的塑性区主要是由拉伸破坏引起的
5、，拱腰处的塑性区主要是由剪切破坏引起的，其中有一小部分塑性区是由剪切破坏和拉伸破坏共同引起的；但是这些塑性区都只是在开挖时出現过，支护做完稳定后又恢复到了弹性状态。2.2.2 级深埋条件下两种施工方法对隧道围岩塑性区影响的比较图3 三台阶法隧道围岩的塑性区分布 图4 CD法隧道围岩的塑性区分布如图3、4所示，采用三台阶法开挖隧道围岩的塑性区范围、塑性区的破坏形式与CD法大致一样。拱腰至拱脚的塑性区主要是由剪切破坏引起的，但是这些塑性区都只是在开挖时出现过，支护做完稳定后又恢复到了弹性状态。拱顶和拱底处的塑性区主要是由拉伸破坏引起的，其中有一小部分塑性区是由剪切破坏和拉伸破坏共同引起的；但是这些
6、塑性区都只是在开挖时出现过，支护做完稳定后又恢复到了弹性状态。3 结论（1）在III级深埋条件下，采用全断面法开挖时围岩的塑性区较少，采用上下台阶法开挖时围岩的塑性区较多。采用全断面法开挖时，其塑性区主要出现在拱顶和拱底处，拱腰和拱脚处也有少量的塑性区；所有的塑性区主要是由拉伸破坏引起的，而剪切破坏引起的很少；采用上下台阶法开挖时，其塑性区也主要出现在拱顶和拱底处，拱腰处也有少量的塑性区。（2）在级深埋条件下，采用三台阶法开挖围岩的塑性区范围、塑性区的破坏形式与CD法大致一样。采用三台阶法开挖时，其塑性区主要在拱腰和拱脚处分布较多，拱顶和拱底处较少；拱腰至拱脚的塑性区主要是由剪切破坏引起的，拱
7、顶和拱底处的塑性区主要是由拉伸破坏引起的，其中有一小部分塑性区是由剪切破坏和拉伸破坏共同引起的。（3）在级深埋条件下，采用三台阶法开挖时围岩的塑性区范围较大，采用CD法开挖时围岩的塑性区范围较小。采用三台阶法开挖时，其拱腰至拱脚的塑性区主要是由剪切破坏引起的，其中有一小部分塑性区是由剪切破坏和拉伸破坏共同引起的；拱顶和拱底处的塑性区主要是由剪切破坏和拉伸破坏共同引起的，其中有一部分塑性区是由剪切破坏引起的。采用CD法开挖时，其塑性区破坏形式和三台阶法基本上一样，但分布范围较小。参考文献1 张路青， 吕爱钟. 双孔圆形洞室围岩应力分析的交替法研究J. 岩石力学与工程学报， 1998， 17（5）： 534-543.2 张路青， 杨志法， 吕爱钟. 两平行的任意形状洞室围岩位移场解析法研究及其在位移反分析中的应用J. 岩石力学与工程学报， 2000， 19（5）： 584-589.3 Dias D， Janin J P. Three-dimensional face stability analysis of circular tunnels by numerical simulations J. GeoCongress， 2008， 23（6）： 886-893. -全文完-
