软弱围岩中大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖的数值模拟.docx

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软弱围岩中大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖的数值模拟

软弱围岩中大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖的数值模拟

ISSN167l一29o0

CN43一l347/TD

采矿技术第9卷第5期

MiningTechnology,Vo1.9,No.5

2009年9月

Sep.2009

软弱围岩中大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖的数值模拟

傅鹤林,张聚文,黄陵武,谢启东,谭扞华

（1.中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075;2.贵州省交通规划

勘察设计研究院,贵州贵阳550001）

摘要:

软弱围岩条件下大跨度浅埋偏压小间距隧道合理的开挖方法是隧道工程界目前

一

个亟待解决的难题.采用有限元方法,对软弱围岩条件下大跨度浅埋偏压小间距隧道

的动态施工及施工方法进行了数值模拟比选分析,研究成果有利于提高大跨度浅埋偏压

小间距隧道的结构设计和施工水平,达到大跨度浅埋偏压小间距隧道结构设计和施工更

为经济,合理的目标,具有较好的应用前景.

关键词:

大跨度;浅埋偏压;小间距隧道;数值模拟

随着我国高速公路建设的发展和环保意识的增

强,需要在保护和利用自然环境的条件下,同时确保

施工和运营的安全,充分提高交通运输效率,节省经

济成本.而我国小间距隧道的出现和研究较晚,目

前还没有明确的规范,仍处于探索研究阶段.近年

来,国内不少学者和研究人员做了大量的研究工作,

但对大跨度浅埋偏压小间距隧道的研究报道甚少,

特别是在软弱围岩条件下鲜有听闻.本文利用有限

元软件,主要针对软弱围岩条件研究大跨度浅埋偏

压小间距隧道合理的开挖方法以及两隧道开挖后相

互之问的扰动影响,对于指导隧道结构设计和施工,

提高隧道工程质量,加快施工进度,降低工程费用等

均有重大的现实意义.

1数值模拟

1.1模型的建立

本文以一双向六车道小净距隧道为例,而高速

公路双向六车道大跨隧道一般单洞宽度16m左右,

因此本文选取一浅埋偏压典型段,围岩级别取V级,

隧道处于该段坡面的正下方,坡面倾斜角度为ll.

左右,隧道埋深大约为15m,所选取的断面宽度

17.5i'll,净宽16m,净高8m,隧道间距6.5m.边

界条件均采用位移边界条件,地表为自由面,不受任

何约束;计算模型左右边界面及下部边界面均受到

其法向方向上的位移约束.计算模型网格见图1,

计算软件采用FLAC如.

÷基金项目:

贵州省交通厅科技计划项目（2008015）

图1计算模型网格

根据FLAC分析问题的特点,该计算模型采用

弹塑性平面应变模型..隧道围岩材料特性按均

质弹塑性体考虑,采用Mohr—Coulomb屈服准则,初

始应力仅考虑自重应力,当材料进入塑性状态后,其

应力应变关系由塑性理论中的增量法求解.

1.2计算参数的确定

依据工程试验资料,水文地质资料和周边自然

环境,并参考规范,设定岩层岩性及隧道围岩初始力

学参数见表1.根据《公路隧道设计规范》所建议

的范围,结合相关工程实例及围岩特性,设定隧道初

支为25cmC20素砼,二衬为50cmC25钢筋砼,隧道

具体支护体系的物理力学参数取值见表2.

1.3各种施工方法的数值模拟

依据设计规范和工程实例,针对软弱围岩条件

即V级围岩条件,选定常见的3种工法:

全断面法,

短台阶法,CD法.参考有关文献,双洞不同时进行

开挖施工时,先开挖隧道会受到后继隧道的扰动,出

18采矿技术

现应力重分布,使得隧道受力明显不对称,仰拱产生

张拉应力,同时中间岩柱应力集中,雁形部位出现剪

应力,可能引起衬砌剪切破坏,影响衬砌作用效果,

严重时拱顶衬砌开裂甚至破坏.因此设定模型在双

洞并行同工法开挖施工时,分别对3种不同的开挖

方法所引起大跨度浅埋偏压小间距隧道的应力场和

位移场变化情况进行分析和对比,判定各种开挖方

法的优劣.首先确定具体的计算内容,在此基础上,

确定模拟3种开挖支护方法的步骤.

1.3.1计算内容

具体计算内容如下:

（1）首先形成计算模型的初始地应力场;

表1各岩层物理力学参数

表2支护体系物理力学参数值

材料名称强度等级重度（kN/m）弹性模量E（GPa）泊松比

素砼C2023280.2

钢筋砼C252529.50.2

（2）按各种方法进行隧道开挖支护模拟,分别

计算开挖适时支护与延时支护时,各种开挖支护方

法引起的围岩扰动后的应力场和位移场.计算分析

中考虑拱顶上覆岩体厚度为15m.

1.3.2各种开挖方法的工序

（1）全断面法.开挖后不及时支护:

双洞全断

面开挖一间隔后施作衬砌（间隔时间长度与及时支

护时施作二衬间隔时间相同,以下相同）;开挖后及

时支护:

双洞全断面开挖一临时支护一施作二衬.

（2）上下短台阶法.开挖后不及时支护:

开挖

隧道断面上台阶一开挖隧道下台阶一间隔后施作衬

砌;开挖后及时支护:

开挖隧道断面上台阶一喷射砼

进行初期支护一开挖隧道下台阶一进行初期支护一

施作二衬.

（3）CD法.CD法又称中隔墙法,此法开挖小

间距隧道时,容易引起中间岩柱应力集中,因此,隧

道开挖应遵从中间岩柱后形成的原则,故选择先开

挖左洞左导坑和右洞右导坑,再开挖左洞右导坑和

右洞左导坑,由外到内对称式开挖.开挖后不及时

支护:

左洞左导坑和右洞右导洞开挖一左洞右导坑

和右洞左导洞开挖一间隔后施作衬砌;开挖后及时

支护:

左洞左导坑和右洞右导洞开挖一喷射砼进行

初期支护一左洞右导坑和右洞左导洞开挖一喷射砼

进行初期支护一全断面施作二衬.

2计算结果

为更全面的对比各种工法,增设了延迟支护时

各种工法引起的应力场和位移场变化情况作为对比

方案,以此对比分析软弱围岩条件即V级别围岩条

件下各种工法的利弊.为表示方便,分别定义全断

面法为A方式,短台阶法为B方式,CD法为C

方式.

2.1应力场分布

由于隧道主要受第3主应力即竖向压应力的影

响,故有针对性地选择了3种工法的第3主应力场

分布.

2.1.1延迟支护的应力场分布

图2是3种工法开挖隧道后延迟一定时间即不

及时支护情况下隧道周边应力场的分布情况.从图

2可以看出,无论何种开挖方式,大跨度浅埋偏压小

间距隧道的开挖均会引起中间岩柱和左洞右侧处的

应力集中,但B方式和A方式所引起的引力集中区

域皆较大,C方式较小,说明由于A方式和B方式

皆先形成中间岩柱首先产生应力集中,较c方式而

言,随着时间推移该区域塑性蠕变流动,扩展了应力

集中的范围,故后形成中间岩柱有利于减少中间岩

柱处的应力.对比图2（a）（b）（c）可知,B方式隧

道周边应力最大,C方式次之,A方式最小,说明A

方式最有利于应力释放.

2.1.2适时支护的应力场分布

图3显示为3种不同工法开挖隧道并适时支护

的隧道周边应力场分布.对比图3与图2可知,无

论何种工法,适时喷射混凝土进行初期支护的隧道

应力场要较延迟支护的大,说明不同工法开挖后适

时喷射混凝土进行初期支护将会不同程度限制和延

缓应力释放.其中图3显示B方式隧道周边应力

最大,而A方式略小于c方式,但这两种工法产生

的隧道周边应力皆相对较小,说明隧道开挖后到喷

射混凝土进行初期支护这段间隙时间内,B方式应

傅鹤林,等:

软弱围岩中大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖的数值模拟19

力释放量较小,初期支护承受相对较大的应力,故B

方式开挖最不利于应力释放,而A方式和c方式相

对释放量较大,初期支护承受相对较小的应力,不过

A方式略优于C方式.

（a）A方式（b）B方式（c）c方式

图2第3主应力云图

（a）A方式（b）B方式（c）C方式

图3第3主应力云图

2.1.3施作二衬后的应力场分布

图4为不同工法隧道施作二衬后隧道周边应力场的

分布.比较图3与图4可以看出,不论哪种工法开

挖隧道,相对初期支护,二次衬砌承受较大的应力,

说明对于软弱围岩条件下大跨浅埋偏压小间距隧

道,无论何种工法开挖施工,施作二次衬砌不再只是

安全储备,而应是支护手段的重要组成部分.从图

4和图3（a）（b）（C）对比可知,3种开挖方式开挖隧

—

移静

道施作二衬后仰拱都不同程度受到竖直向上的正应

力,其中A方式和C方式较大,B方式较小,表明B

方式能较好释放仰拱应力,但隧道二次衬砌C方式

承受的应力最大,A方式和B方式相近,应力皆相对

较小,其中B方式略小于A方式,说明在初支后到

施作二衬之间,C方式应力释放量相对较少,故C方

式的初支后应力释放相对较慢,而A方式和B方式

较快,且B方式较A方式略占优势.

—嘲

静捐

—嘲嘲一

辔静

■■■（a）A方式（b）B方式（c）C方式

图4第3主应力云图

2.2位移场分布

2.2.1延迟支护的位移场分布

图5是3种隧道开挖方式下延迟喷射混凝土即

不及时进行初期支护时隧道周边的位移情况.从图

5可以看出,在软弱围岩条件下,无论何种工法,大

跨浅埋偏压小间距隧道开挖后不适时喷射混凝土进

_■

20皋矿技朱

行初期支护,将会引起隧道断面急剧变形.其中A

方式和B方式变形较严重,C方式较小,说明C方

（a）A方式

式相对A方式和B方式而言,更有效地发挥了围岩

的自承能力.

（b）B方式（c）C方式

图5位移云图

2.2.2临时支护的位移场分布

图6显示了3种不同工法开挖隧道并适时喷射

混凝土进行初期支护时隧道位移场的变化情况.与

图5比较可知,不论何种开挖方式,对软弱围岩条件

下大跨浅埋偏压小间距隧道开挖后及时进行初期支

（a）A方式

护,能显着改善隧道断面变形情况.从图6可以看

出,A方式引起的隧道断面变形最大,B方式次之,C

方式最小,说明C方式和B方式都能较好地利用围

岩的自承能力,从而抑制隧道断面过大变形,其中C

方式效果更好.

（b）B方式（c）C方式

图6位移云图

2.2.3施作二衬后的位移场分布

3种工法开挖的隧道施作二衬后围岩应力传递

达到平衡时隧道断面累积的位移场见图7,从中可

知,B方式和C方式相近,隧道累积变形量较小,其

中C方式略大于B方式,从而印证了C方式在初支

到二衬之间应力释放相对较慢,二衬顺承了较大的

应力,致使最后阶段的应力释放过程中,二衬变形量

较大,从而隧道累积变形量反而超过了B方式.

（a）A方式（b）B方式（c）c方式

图7位移云图

2.3模型内监测点位移

对比模型内各监测点位置处的位移云图可知,

左洞拱顶下沉和左洞左边墙水平收敛变形较明显.

故选取模型内这两个监测点,并通过计算得到这两

个监测点在3种不同工序情况下随着开挖和应力的

释放,其位移历史曲线见图8.

傅鹤林,等:

软弱围岩中大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖的数值模拟21

0

0.5

一

暑1.0

一

稔

魁

?

星l5

醐

2.0

2.5

时步（万步）

l01.5202.5

（a）左漏拱顶

0

—

2.O

l

彗4.0

*

6O

8.0

图8位移曲线

从图8可以看出,A方式拱顶的下沉量最大,但

断面径向的水平位移最小,B方式和C方式接近一

致,C方式下沉量略小于A方式,但C方式断面径

向水平位移要稍大,印证了c方式和B方式皆能较

好地发挥围岩的自承能力,但c方式初支后围岩应

力释放要略慢于B方式,而A方式能较快释放围岩

应力,从而减少了二衬顺承的应力大小和变形量.

3结论

本文对大跨度浅埋偏压小间距隧道在软弱围岩

条件下,分别采用不同的开挖方法进行了数值模拟

计算,通过综合分析和对比不同开挖方法引起的应

力场和位移场变化情况,从满足施工安全性和施工

效率角度分析,可以得到如下结论:

（1）大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖后到支护

时间问隔若过长,虽可较多释放围岩应力,但断面变

形量较大,水平收敛和拱顶下沉较严重;若支护间隔

时间过短,围岩应力基本或很少得到释放,将会增大

初支和二衬的应力负荷,引起衬砌较大的变形,严重

时甚至可能开裂,故在隧道开挖后适时进行支护很

重要,应具体根据工程经验和计算把握支护间隔时

间,控制围岩应力释放比率.

（2）在软弱围岩条件下,若周边地质情况简单,

可采用全断面法和短台阶法,若需严格控制断面和

衬砌变形量,可采用短台阶法,若周边地质情况复

杂,可采用短台阶法和CD法,但CD法施工难度大,

故宜采用短台阶法,若围岩自稳能力较差则宜采用

CD法,需严格控制隧道断面和衬砌的变形量,则宜

时步（万步）

1.01.52.02.5

（b）左漏左边墙

采用短台阶法.

（3）大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖支护后仰

拱存在较大的张拉应力和竖直向上的正应力,较易

引起隧道路面隆起开裂,故应通过计算对仰拱合理

配筋,设置相应强度的钢筋砼垫支.

（4）大跨度浅埋偏压小间距隧道无论何种方式

开挖均会引起中间岩柱和左洞右侧处的应力集中,

岩体易出现失稳崩塌,故应注意相应采取预支护加

固处理.

（5）大跨度浅埋偏压小间距隧道无论何种工

法,二次衬砌不再只是传统的安全储备,而应作为隧

道支护手段的重要组成部分.

（6）本文研究成果可对类似软弱围岩条件下大

跨浅埋偏压小间距隧道的开挖和施工提供参考.

参考文献:

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Continua（version3.00,user~manua1）[Z].Minneapolis:

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人民交通出版社,

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中国铁道出版社,

1995.11～77

（收稿日期:

2009—0l一04）

作者简介:

傅鹤林（1965一）,男,江西高安人,教授,博士生

导师,从事岩土工程与地下工程教学与科研工作.Email:

fu—

helinl00@.