留村隧道软岩施工技术

以留村隧道为工程背景，借助有限元软件ANSYS建立留村1号隧道软岩段施工过程的三维计算模型，对软岩地层隧道围岩变形、应力和塑性区做了分析研究。结果表明：随着隧道的开挖，核心土部分由于没有支护措施，产生了较大的塑性区；而隧道周围存在较小塑性区的主要原因是由于初期支护以及锚杆和超前小导管的作用限制了围岩塑性区的扩展。

随着社会的不断进步，地上空间的有限性和目前的交通现状已满足不了社会发展的需求，因而中国城市地铁与隧道工程得到迅速的发展；但随着隧道建设的增多，隧道设计和施工的问题也越来越多，其中比较突出的就是隧道软弱围岩大变形，这种问题在隧道工程中很常见并且具有较大危害[。
本文以留村1号隧道为工程背景，主要对软岩地层隧道围岩变形、应力和塑性区做分析研究。
1隧道计算模型的选取
1.1模型选取
留村1号隧道起迄里程为DK400+240~DK401+386,V级围岩，全长1146m,线路所经路段均为页岩、砂岩，其中DK400+240~DK400+255、DK401+386~DK401+371段设计为明洞。取DK400+300~DK401+350段的隧道作为研究对象，依据以往的工程经验以及隧道的影响范围，左右两侧取3~5倍隧道总跨度，底部边界距隧道底部的距离为2~3倍隧道高度，即整个计算模型在X方向取110m、Y方向取90m、Z方向取50m。隧道顶部距地面的距离取40m。模型左、右边界约束横向位移，前、后边界约束纵向位移，下部边界均施加竖向位移，模型的顶部为自由边界。对于围岩以及初支、超前支护均按照八节点六面体单元来模拟；隧道数值模拟主要分析拱顶沉降、净空收敛、围岩塑性区和支护结构应力等。隧道的三维计算模型见图1。

1.2钢拱架的模拟
钢拱架采用I20b全环设置，间距为0.6m,在计算模拟时根据面积等效原理将钢拱架折算到混凝土里，提高混凝土的弹性模量。折算公式[10为

式中：E为折算后混凝土的弹性模量；E为原混凝土的弹性模量；Sg为钢拱架截面积；E为钢材弹性模量；Sc为混凝土截面积。
1.3地层与支护参数的确定
隧道经过的地层主要有砂岩和页岩，对于锚杆和管棚力学行为的数值模拟，主要是从锚杆加固作用的等效原则和锚杆的真实力学模型2方面考虑。其中等效原则就是依据相关的经验公式，把已经施加锚杆或管棚的围岩的弹性模量、黏聚力和内摩擦角等指标提高一定的比例11-12]。隧道围岩和初期支护的参数见表1。

1.4隧道的开挖步骤
大拱脚台阶法施工顺序如图2所示。
2数值模拟结果及分析
2.1监测点布置
为最大限度减少边界约束对计算结果的影响，选取里程为DK400+325的断面（模型的中间断面）为研究对象。在拱顶和拱底各设1个监测点，拱脚和边墙处布置2条净空收敛测线，监测点的布置见图3。

投稿会员：芳华