浅埋偏压隧道施工过程围岩应力变化规律研究.pdf

摘要：浅埋岩质公路隧道爆破开挖时，由于工程地质条件复杂，环境影响因素较多，施工安全是大家十分关注的重要问题。对密云火郎峪浅埋岩质公路隧道开挖施工过程进行了应力应变有限元计算分析和监控量测，结果对比分析可知，隧道开挖后拱顶存在明显的拱效应，拱脚处围岩压力集中，拱脚的安全直接影响到整个隧道的安全和施工；围岩压力、洞顶沉降和收敛监控量测表明，初衬支护后7d为构筑二次衬砌最理想的时机。正确的监测和计算分析可以预测和预知隧道在施工过程中可能发生的变形和结构所受的应力大小，指导设计和施工，提高隧道施工安全性。[关键词]围岩压力；监控量测；有限元；收敛

内容摘抄：

1工程概况
火郎峪隧道全长618m,场地地形起伏大，隧道进口处最低标高约为238.52m,山脊最高处标高约为297.21m,相对高差达58.7m,为低山剥蚀地貌工程地质条件如下：①隧道进口(K10+215一K10+332)洞口表层为2.5m厚的粉质黏土，其下为强~中等风化（黑云母）片麻岩，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状~柱状，局部呈碎块状。综合评定隧道进口段围岩级别为V级。②隧道洞身(K10+332一K10+727)隧道轴线基本沿山脊走向，洞身底板标高242~245m,地表露头节理裂隙较发育，地表有第四系粉质黏土覆盖。综合评定该段围岩级别为W级。③隧道出口(K10+727一K10+833)洞口表层为2.0m厚的粉质黏土，其下为强风化（黑云母）片麻岩，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状~柱状，局部呈碎块状。综合确定该段围岩级别为V级。

2MDAS仿真分析
2.1基本假定
火郎峪隧道采用新奥法施工，支护必须紧跟开挖面施作，隧道的开挖破坏了围岩初始应力的平衡状态，随着开挖的进行，洞周围岩将产生一系列复杂的岩体力学作用。开挖面附近岩体的应力和变形，一部分是因开挖面向前推移逐步释放荷载引起的，一部分则是因围岩黏塑性变形随时间增长产生的蠕变引起的。考虑隧道属于细长结构物，隧道的横断面相对于纵断面的长度来说很小，计算时可以假定在围岩荷载作用下，其纵向没有位移，只有横向和竖向发生位移，隧道的力学分析可以采用弹性理论中的平面应变模型进行。采用有限元软件MIDAS可以对隧道开挖过程进行仿真分析，对隧道的围岩压力，初期支护和二次衬砌进行内力分析。

2.2模型的建立
火郎峪隧道几何模型的范围取横向两侧距离隧道轴线各60；模型上边界为现有地面，洞顶埋深为15m,下边界距离隧道上台阶开挖线50m,计算模型地层总厚度为70.5m。隧道模型地层自上而下分为3层：①土层，范围为地表至地下3.5m;②强风化岩石，范围为地下3.5~7.5m;③中等风化岩层，地下7.5m以下。单元网格的划分会影响计算的精度和运算时间，网格越密，精度越高，要求的存储量也越大，计算的时间也越长。为合理划分网格，火郎峪隧道在洞室附近的区域，单元布置较密，在其他区域单元布置较疏，网格划分方法如图1所示。

3现场监测与对比分析
围岩监控量测与信息反馈作为新奥法施工的一个重要环节，根据火郎峪隧道的工程地质条件、围岩特征和施工组织，沿隧道布置了隧道应力和应变监测断面，对施工过程中隧道的洞顶沉降、收敛、围岩应力和钢架应力等进行了监控量测，得到了隧道施工过程中围岩应力、洞项沉降和围岩收敛的变化规律，如图3所示。
图3a为隧道出口处A断面现场应力监测曲线，由曲线可知，在隧道上台阶开挖初衬支护后7d左右，拱顶的围岩压力达到7.5kPa,两侧拱腰处达到6.8kPa,随后围岩应力逐渐稳定或略有增大。在隧道下台阶开挖后，拱顶的围岩应力达到15kPa,两侧拱腰处达到13kPa,随后围岩压力逐渐趋于稳定或略有增大。与数值计算结果对比可知，拱项围岩应力大小一致，拱腰处围岩应力较小，说明拱腰处支护结构没有完全达到最大应力状态。

4结语
1)新奥法是公路隧道修建的最主要方法，围岩监控量测与信息反馈是新奥法施工的一个重要环节，对隧道开挖过程进行仿真分析可以预测和预知隧道在施工过程中可能发生的变形和结构所受的应力大小，指导设计和施工。

（略）

投稿会员：巧克力布丁