大断面公路隧道施工围岩稳定性数值分析

第６卷第１期　石家庄铁路职业技术学院学报　ＶＯＬ．６　Ｎｏ．１　２００７年３月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧ　ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ　ＯＦ　ＲＡＩＩ　ＷＡＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｍ　ｉｌｌ＂．２　０　０　７　大断面公路隧道施工围岩稳定性数值分析　林宝龙¨　马祥旺¨　（石家庄铁路职业技术学院。　河北石家庄０５００４１　石家庄铁道学院”　河北石家庄０５００４　３）　摘要：针对昆一石高速公路阳宗隧道断面跨度大的特点，通过经济技术、操作难易程度的综合比　较，阳宗隧道使用ＷＴＤ系统锚杆支护对围岩进行加固，效果良好。使用高性能混凝土作为隧道二　次衬砌，降低病害的发生，减少整治麻烦，给隧道施工和运营都带来极大的方便。采用地层一结构　模式，运用同济曙光软件分析地质条件较差的Ｖ级围岩隧道施工方法对围岩稳定性的扰动规律，计　算结果表明施工方法选择合理；采用荷载一结构模式，应用有限元软件－－ＡＮＳＹＳ对二衬结构的安全　性进行检算，计算结果表明该隧道衬砌结构设计合理、安全性好。　关键词：大断面隧道　围岩稳定性　ＷＴＤ系统锚杆　数值模拟　中图分类号ｔＵ５４２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３－１８１６（２００７）０１—０００７—０５　１　引言　随着西部大开发战略的逐步实施，我国高速公路和高等级公路建设又进入了一个新的大发展　时期。由于公路等级的提高和交通量的剧增，包括大断面在内的各类公路隧道数量将会进一步增　加。虽然我国在大断面公路隧道建设方面的起步较晚，但是由于我国经济实力的提高和各部门的　努力，目前也已经取得了一定的成绩。尽管如此，还必须清醒地认识到，同国外一些经济发达国　家（尤其是北欧国家和日本）相比较，我国在大断面公路隧道设计、施工及其关键技术、围岩稳　定性研究等诸多方面还不够，还存在着较大的差距。我国现阶段的大断面公路隧道建设，既无成　熟的教程可执行，又无标准的规范可参照，积累的设计、施工实践经验又不多：由于其本身有众　多复杂的因素，再加上大断面隧道的跨度通常较大，因而无论是设计还是施工方法与围岩稳定性　等诸多方面都面临着许多需要攻关的前沿研究课题。　因此，了解大断面隧道围岩应力分布、支护受力状态和不同施工方法对围岩稳定性的影响，从　而制定出一套有效的大断面监控量测手段，开发大断面公路隧道围岩稳定性动态综合分析系统，提　出调整支护参数和支护措施及施工方法的具体建议，力求降低支护参数，采取适当的工程措施，达　到降低工程造价、加快施工进度、保证施工安全的目的，具有很重要的现实意义。故开展大断面公　路隧道设计、施工方法与围岩稳定性以及动态施工过程仿真模拟等方面的研究，确定不同围岩条件　下隧道开挖后围岩和支护结构体非线性力学行为的地应力场、位移场，找出适合于大断面公路隧道　的合理施工方法具有重大意义，以求对相关领域工程设计与施工提供一定的参考依据・。　２工程概况　收稿日期：２００６一ｌ１—２９　作者简介：林宝龙（１９７８一），男，汉，山东青岛人，硕士，研究方向结构健康监测。　７　维普资讯 http://www.cqvip.com

石家庄铁路职业技术学院学报　２００７年第１期　阳宗隧道位于昆明一石林高速公路上，是昆石高速公路的控制工程，属中山地形，以构造剥蚀为　主，呈现出构造剥蚀地形地貌特征。该隧道为上下行分离的双洞单向行车三车道隧道。下行线桩号：　Ｋ３７＋７３０￣Ｋ４０＋４５５，全长２　７２５　ｍ，最大埋深１４１　ｍ；上行线桩号：Ｋ３７＋７２０～Ｋ４０卜卜５１０，全长２　７９０　ｍ，　最大埋深１４３　ｍ。隧道拟定净宽１３．７５　ｍ，有效净高５　ｍ的建筑限界，设计净跨为１４．８０　ｍ，净高８．９　ｍ　的半圆拱曲墙断面，在Ⅱ类围岩中，其开挖宽度达到１６．７２　ｍ，开挖高度１３．３０　ｍ，矢跨比为０．８，开　挖面积达到２２２．３７６　ｍ　，施工难度非常大，技术复杂。　该隧道岩性主要为二迭系下统为栖霞茅口组灰白色、红灰色灰岩、局部夹白云质灰岩，二迭系　中统峨眉组灰褐色、灰黑色玄武岩。影响本区域的构造体系主要有南北向构造体系，由嵩明～华宁　大断裂和小江大断裂组成，区域内发育四条断层，断层影响带岩体破碎，围岩以Ⅳ级、Ｖ级别为主。　该段地下水排泄通畅，水文地质条件较好，灰岩地段地下水位埋藏较深，玄武岩地段地下水位　埋深稍浅，其中Ｋ４０＋０８０右３　ｍ做抽水试验，日涌水量　２１．２６４　ｍ　，渗透系数Ｋ＝０．０３９２　ｍ／ｄ。　根据阳宗隧道的实际情况，施工中主要采用上、下台阶分部开挖法。为了保证隧道净空达到其　使用功能，需要对围岩松动圈进行加固，　通过经济技术、操作难易程度的综合比较，阳宗隧道使用　了ＷＴＤ系统注浆锚杆对围岩进行了加固，　效果良好。　３围岩稳定性及结构安全性分析　３．１围岩稳定性分析　３．１．１计算模型　采用地层一结构模式，利用同济曙光有限元软件对地层比较　差的Ｖ级围岩的稳定性进行了模拟分析，通过拱顶下沉、周边收　敛以及塑性区的范围来评价开挖对围岩的稳定性影响，计算模型　如图１所示，取隧道中心１００　ｍ的范围作为研究对象，公路隧道　以三车道为主，将其简化为平面应变问题。在左右及下边界施加　图１计算模型　固定约束。有限元围岩计算参数由土工试验获得，支护采用梁单元模拟、锚杆采用杆单元模拟，支　护采用２５０号混凝土，锚杆采用　２２螺纹钢，计算参数如表１和表２所示。　表１有限元计算参数　３．１．２计算结果　先施工上半断面，上半断面高度７　ｍ，在应力释放７０％时施作支护以及锚杆；然后施作下半断　面，也是在应力释放７０％时施作支护以及锚杆。隧道开挖后围岩应力如图２和图３所示，支护轴力　和弯矩、锚杆轴力、塑性区范围如图４和图５所示。　８　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　林宝龙，等　大断面公路隧道施工围岩稳定性数值分析　一　～　一　一　一　一　一　一　１１　一　一　…　．．．～、　、一　一～　～　一　、　…一…一■　‘　－　。　。…　一　一一　Ｊ　。。～、、一一、、，，／　’’…～～一　ｌ…　＿　：　■　、　、、、　嚣　。　一　一　三一一　一　　．，／　，、、　、、　、．　■三　ｌｉｔ一一～一　～～～…　一——一　■　一　一　．　：　图２　台阶法最终　ｌ等值线图　图３　台阶法最终　３等值线图　支护弯距／ｋＮ・ｍ　支护轴力／ｋＮ　图４支护内力图　锚杆轴力／ｋＮ　塑性区　图５锚杆轴力及塑性区图　根据计算结果可知，上台阶开挖后，分界处的围岩产生较大的应力集中，锚杆轴力以及支护弯　矩较大，最大锚杆轴力达ｌ１３　ｋＮ，最大支护弯矩达５５　ｋＮ・ｍ，最大支护轴力ｌ　７８８　ｋＮ发生在拱顶　处，两侧底部围岩会产生局部的破坏。　下台阶施作完毕后，围岩的最大剪应力有所增大，最大主应力和最小主应力都有所减小。围岩的　位移值变化不大，相对于上台阶施作，围岩的周边收敛只增加了０．８　ｍｍ，拱顶下沉也只增加了１．３　ｍｍ。　但是在两侧拱腰位置的初期支护剪切应力有所增加。相对于上台阶施作，拱顶锚杆轴力变化最小，而　上台阶底部的两根锚杆轴力变化稍大，从ｌ１３　ｋＮ增加到１４３　ｋＮ。上台阶的支护轴力随着应力的进一　步释放，也有所增加，从ｌ　７８８　ｋＮ增加到２　４２６　ｋＮ，但下台阶的轴力较小，最小值出现在上下台阶分　界处６０８　ｋＮ，仰拱处的轴力也比较大２５１４　ｋＮ。支护弯矩也有一定程度的增加，分界处及墙脚处的加　大分别为１４０　ｋＮ・ｍ和１０６　ｋＮ・ｍ。塑性区也随着开挖的进行进一步向深处扩展，底部塑性区深于拱　９　维普资讯 http://www.cqvip.com

石家庄铁路职业技术学院学报　２００７年第１期　部，达到６．４　ｍ深度，其中拱脚、墙腰处的屈服接近度达到２，建议严格施作墙部以及仰拱的锚杆，以　较大的利用围岩的自承载能力，保证洞室稳定。　．．／　一…、　＼＼　３．２结构安全性分析　／　＼　３．２．１计算模型　二衬结构安全性检算采用荷载一结构模型，应用　ＡＮＳＹＳ软件进行模拟，单元类型为二维梁单元，梁单元　宽度为单位宽度，梁高按结构实际厚度考虑。计算中，结　构均按素混凝土考虑，根据计算内力进行配筋计算，并根　据计算配筋面积与设计配筋面积的比较，分析评价结构的　安全性能，结构计算参数如表３所示。围岩抗力采用弹簧　图６　Ｖ级围岩衬砌断面计算模型　单元模拟，弹簧施加范围及数量根据试算中结构的变形情　况进行调整和优化，仅当结构产生朝向围岩方向的位移时添加弹簧单元，围岩弹性抗力系数按规范　选值，计算模型如图６所示。围岩压力按《公路隧道设计规范》推荐公式确定。　一一一一一一一一表３计算参数　３．２．２计算结果　复合式衬砌结构计算内力分布见图７，　典型截面计算配筋见表４。　－３２７９５５　Ｉ　２７１Ｅ＋Ｏ７　Ｉ　Ｉ　一　Ｉ　２５４　７　—　２３７　７　一　２２ｌ　７　一　Ｉ　２０４Ｅ＋０７　豳　一　圈　ｌ８８｜　７　囹　１７ＩＥ－ｔ－Ｏ７　圈　圈　ｌ５５Ｂ＋Ｏ７　ｍ　圉　ｍ　ｌ３８Ｂ＋Ｏ７　ｌ２ｌ　＋Ｏ７　弯矩　轴力　图７　Ｖ级围岩衬砌断面计算内力　表４典型截面计算配筋　计算结果表明，在规范荷载作用下，可按最小配筋率进行配筋（配筋面积ｌ　２００　ｍｍ。），实际设计　配筋５　２２（配筋面积ｌ　９００　ｍｍ　），大于计算配筋；抗压强度控制承载能力时安全系数均大于２．４，抗　ｌＯ　　一维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　林宝龙，等　大断面公路隧道施工围岩稳定性数值分析　拉强度控制承载能力时安全系数均大于３．６，设计合理、结构安全。　４结语　针对阳宗隧道三车道大断面的实际情况，采用地层一结构模式和荷载一结构模式，分别对隧道　施工动态和二衬结构安全性进行模拟及检算，主要结论有：　（１）隧道的开挖分部数目及其型式应与围岩性质、地应力场分布、施工工艺及其支护形式相适　应。分部数过多、分部形态不合理、支护参数设计不当等都可能发生应力集中过大或拉伸破坏。　（２）台阶法施工时上部台阶底端锚杆轴力最大，呈“里小外大”分布，下台阶开挖后拱项和拱　腰锚杆轴力增大，上台阶底端锚杆受力最大，呈“中间大，两头小”分布，仰拱的施作除了改善边　墙底端应力集中外，基本上对整个隧道结构的受力和围岩周边位移没有太大的影响，围岩在上、下　两台阶的分界处会出现应力集中现象。塑性区随着开挖的进行向深处扩展，底部塑性区深于拱部，　达到６．４　ｍ深度，其中拱脚、墙腰处的屈服接近度达到２，建议严格施作墙部以及仰拱的锚杆，以较　大的利用围岩的自承载能力，保证洞室稳定。　（３）通过对Ｖ级围岩二衬断面进行截面安全性检算，计算结果显示断面尺寸设计合理，安全性好。　（责任编辑田明山）　参考文献：　【ｌ】夏保祥，程崇国．三车道大断面公路隧道研究现状综述【Ｊ】．地下空间．２００２，２２（４）：３６０￣３６５　【２】杨淑清．地下洞室围岩开挖稳定分析【Ｊ】．武汉水利电力学院学报．１９８６：７３￣８２　【３】刘怀恒．岩石力学平面非线性有限元法及程序【Ｊ】．地下工程．１９７９：２３￣２５　【４】姚宝魁，刘竹华，刘春元等．矿山地下开采稳定性研究【Ｍ】．北京：中国科学技术出版社．１９９４　【５１朱维申，何满潮．复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学［Ｍ１．北京：科学出版社．１９９６　【６】朱合华，丁文其．地下结构施工过程的动态仿真模拟分析【Ｊ】．岩石力学与工程学报．１９９９　【７】蒋树屏，等．大梅沙隧道施工力学响应及施工方法的研究【Ｒ】．科学技术报告．２００１．６　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　Ｒｏｃｋ　ｄｕｒｉｎｇ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ－Ｓｐａｎ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｎ　Ｂａｏｌｏｎｇ　Ｊ　Ｍａ　Ｘｉａｎｇｗａｎｇ２Ｊ　（Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＲａｉｌｗａｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊ　Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｈｅｂｅｉ　０５００４１　Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｉｎｓｔｉｕｔｔｅ　Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｈｅｂｅｉ　０５００４３　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ　ｏｆ　Ｙａｎｇｚｏｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ　ｏｆ　ｋｕｎｍｉｎｇ－Ｓｈｉｌｉｎ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ｎａｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｌａｎｓ，ＷＴＤ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｂｏｌｔｓ　ｒａｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｙａｎｇｚｏｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｈｉｈｇ　ｐｒａｉｓｅｄ　ｂｙ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｈｉｈｇ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｌｉｎｉｎｇ　ｉｎ　Ｙａｎｇｚｏｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ　ｎａｄ　ｈｔｉｓ　ｍａｋｅｓ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｎａｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｂｅｃｏｍｅ　ｅａｓｉｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｎｏ．Ｖ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｕｓｉｎｇ　ｉｆｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｇｒ锄—－Ｔ０ｎｇｊｉｓｈｕｇｕａｎｇ　ｂｙ　ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ　ｂｏｄｙ　ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｌｉｎｉｎｇ　ｉｓ　ｔｅｓｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｉｆｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｐｒｏ　ｌｎｌ—　ＡＮＳＹＳ　ｂｙ　ａｃｔｉｏｎ－ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌｉｎｉｎｇｉｓｖｅｙｒ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｔｈｅｌｉｎｉｎｇｈａｓ　ａｈｉｈｇ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｔａｂｉｌｉｙｔ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ＷＴＤ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｂｏｌｔｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌ￣ｉｏｎ　ｌ１