软岩隧道施工过程中围岩位移动态响应的三维数值分析.pdf

[摘要]以旦架哨3车道浅埋软岩隧道为背景，采用有限元法对上下台阶法施工过程进行了三维模拟，分析了地表、横断面和纵断面上的位移响应规律，结果与现场实测吻合较好。研究表明：隧道地表变形近似为槽形，且主要由上台阶开挖引起；对围岩变形的影响当前段开挖最大，之前段次之，之后段最小：变形主要分布在拱顶附近，且梯度集中在洞周3~5m施工量测结果一般小于数值模拟结果，宜进行放大修正以弥补之前段开挖的影响。[关键词]隧道工程；软岩隧道；围岩；位移；数值模拟

1工程概况
旦架哨隧道位于京珠高速公路粤境南段翁城一太和段，为上、下行分离式隧道，左线长735m,右线长785m。该隧道为3车道高速公路隧道，V级围岩中开挖最大宽度16m,断面面积153.05m2。隧道埋深为21~38m。隧道围岩为V,V级，其中V级围岩长约480m,约占总长度的60%。旦架哨隧道V级围岩段岩体稳定性差，隧道拱顶部采用32mm超前注浆小导管加固后，采用上下台阶法掘进。用于数值模拟的目标断面根据设计施工图纸资料，取埋深最大的一处V级围岩考虑，其里程桩号为右线K151+620.2一K151+668.2,最大埋深32.5m。三维弹塑性数值计算根据此段地质参数、地形实态建模。
2隧道施工过程模拟
2.1模型建立
根据隧道勘察设计资料，隧道跨度B=16m,高度H=9m。一般来说，隧道围岩位移开挖影响范围在距隧道中心3~5倍开挖宽度[41。因此，地层模型的横截面方向取80m(5B),竖直向上取至地表(埋深)32.5m,竖直向下取30m,隧道轴线方向取48m(3B)。模型左右、前后和下边界均设为法向位移约束，上边界自由，按自重应力场考虑如图1所示。

2.2开挖过程模拟
隧道开挖进尺为2m,上下台阶开挖面距离也为2m,如图4所示。施工过程模拟如下：形成自重地应力场→第1段(0~16m)开挖，释放荷载30%→第1段初期支护，释放荷载70%→第2段(16~18m)上台阶开挖，释放荷载30%→+第2段上台阶初期支护，释放荷载70%→第2段(16~18m)下台阶开挖，释放荷载30%→第2段下台阶初期支护，释放荷载70%→第3~9段(18~32m)开挖、初期支护与荷载释放的对应关系同第2段→第10段(32~48m)开挖同第1段→全断面施作二次衬砌(0~48m)。计算步中，奇数计算步为释放开挖面荷载30%,偶数计算步为释放开挖面荷载70%，荷载步为4的倍数是开始上台阶开挖的时刻。

3模拟结果分析
3.1地表沉降响应分析
旦架哨隧道属于典型的浅埋大断面软岩隧道，全部洞段(48m)开挖、支护结束后，地表最终沉降分布如图5所示。开挖对地面变形的影响显著，地表沉降呈现以拱顶为中心的中间大、两头小的槽形，且主要集中在距中心20m的范围内。

3.2横断面位移响应分析
隧道轮廓面上各特征点位移随开挖步的变化如图7所示。可以看出：①径向位移受前后一个开挖步距的影响最大，产生的位移约占总位移量的2/3;②径向位移以拱顶变化最为显著，拱底次之，拱腰和拱脚相对变化较小（完成全部洞段开挖后的等值线如图8所示)，由此可见软岩隧道施工中的位移监测应以拱顶作为主要控制点；③拱底部位向上隆起的位移需尽快施作仰拱加以控制，这也是在软弱围岩隧道施工中加设仰拱的主要原因之一。

4现场实测结果对比分折
选取数值模拟中的目标断面(K151+644.2)进行拱顶沉降和拱腰水平收敛监测，与数值模拟结果的对比分析分别如图11,12所示。可以看出：①实测结果的变化规律与数值模拟基本相似，且最后都趋于定值，这表明围岩整体上处于稳定。②实测值与对应开挖步计算值间的差值近似为一定值，且拱腰收敛变形差值小于拱顶沉降。造成实测结果与数值模拟结果间这一近似恒定差值的原因是：由于监控量测是在本段开挖以后进行，即不能测出前段开挖产生的位移。若计人这一差值实测曲线与计算曲线侧基本重合，这表明三维数值模拟结果正确可信。这也说明，由于新奥法隧道施工量测不能获得前段开挖对围岩位移的影响，应在本段开挖后及早进行量测，且量测结果宜按百分比放大以考虑隧道前段开挖的影响)。

（略）

投稿会员：巧克力布丁