隧道长斜井开挖模拟分析

　　　　摘要：如何在复杂地质条件下快速修建隧道工程，目前仍是地下工程研究和探索的重点和难点。现模拟一隧道较长斜井，对复杂地质条件下特长斜井的支护选型进行分析，并选择合理的施工方案，选取计算参数，利用Adina有限元计算程序，对开挖支护方案进行数值模拟。在模拟过程中考虑了开挖的“时空效应”，对开挖过程中的地表沉降、支护内力以及变形进行系统的分析。论证了各施工步斜井支护的稳定性，为复杂地址条件下特长斜井支护方案的研究提供理论依据。
　　关键字：复杂地质，隧道，长斜井，数值模拟
　　修建地下工程，开发利用地下空间被认为是人类解决其生存发展空间的重大问题之一，随着科学技术的进步，人类改造自然的能力在不断增强，国内外均有人提出21世纪是地下工程的世纪[1]，地下工程是人类工程活动中最困难的方面，修建地下工程之所以困难，主要是由于工程地质条件的复杂性，尤其是遇到不良地质[2]。我国是一个多山的国家，开发中西部又是目前的基本国策，发展山区交通，使中西部交通更发达是我们的目标[3]。目前，西部铁路隧道出现了迅速发展的势头，相继出现了许多工程技术问题，影响着隧道工程的设计和施工。为了探索西部地区复杂地质条件下长大隧道施工技术经验，提高隧道修建的技术和理论水平，加快施工进度，开展复杂地质条件下铁路隧道长斜井支护的研究是非常必要的。
　　1工程概况
　　现以具有长、大、深以及地质条件复杂等一系列特点隧道进行模拟，假设该隧道位于我国中西部海拔山区，构造运动强烈，地震活动性强，断裂构造发育，隧道围岩稳定性差，施工难度大，工程地质问题多。隧道长20000m，设计为2座单线隧道，线间距45m；两座隧道线路纵坡相同，主要为10‰的单面下坡。
　　隧道斜井全长3500米，是目前较长的斜井。井口位于沟左岸处，沟谷较狭窄，两侧地行较陡峻，自然边坡为35゜～40゜。斜井地面高程2901.00米，铺底高程2566.00米，相对高差335米，最大埋深930米。先后穿过志留板岩、千枚岩，加里东晚期闪长岩、断层岩、三叠系砂岩，所经地层时代跨度大，岩性多变，同时穿过F6断层并在工程区南北分别和两条断裂毗邻，其中北侧断层为区域性活断层，受其影响明显，工程地质条件复杂。
　　2计算模型及计算参数
　　采用基于WindowsXP控制平台的Adina大型有限元计算程序，利用生死单元对该开挖支护方案进行模拟，模拟控制从开挖时刻起一直到支护施作完成，即：0.001～400时刻，每开挖一个面加一层衬砌，开挖全部完工后，统一进行二衬支护。用单元死来模拟开挖过程，用生来模拟开挖过程中围岩的支护过程。
　　2.1开挖支撑布置方案
　　为了控制围岩变形，在施工过程中，严格贯彻“超前探、弱（不）爆破、随开挖，随支护，快封闭，早衬砌”的施工原则，尽量缩短开挖面暴露时间。由此可见，对支护和衬砌快速封闭是围岩变形发展的关键因素。在通过F6断层地段采用正台阶预留核心土法开挖，台阶长度控制在5～6m。围岩整体性、稳定性较好的地段采用钻爆法开挖，较差地段采用人工配合机械开挖。拱部采用超前小导管预注浆加固围岩，模筑C20混凝土衬砌，厚20cm，C20混凝土铺底，厚20cm。二衬厚30cm。
　　2.2计算模型
　　 ADINA平面计算模型中地层和支护均采用四边形等参元单元。选取F6断层地带不利断面做开挖模拟分析，来判断支护的合理性，分析斜井开挖过程的稳定性。计算范围：长度方向取100m，深度方向取60米。全部计算区域共划分为3548节点，3420单元。计算时左右边界施加横向约束、底部边界施加竖向约束。屈服准则采用MohrCoulomb屈服准则[4]，围岩采用弹塑性模型，衬砌为弹性模型。在模型中施加初始地应力场，用以和重力场相平衡。
　　3计算结果
　　3.1表层沉降
　　在开挖过程中，不同施工步模型表层沉降曲线如图2所示。

　　在最初的开挖时，围岩位移随时间迅速增大，并在某一时间达到峰值，随着支护结构的施加，表层的下降趋势逐渐减缓，最后趋向一个稳定的收敛值。并且表层围岩的总体沉降值也较无支护情况下低。
　　3.2表层变位
　　施工完成时模型表层最大变位见表1。
　　表1模型表层的最大变位
　　最大沉降最大水平位移最大倾斜
　　数值/mm 位置数值/mm 位置数值位置
　　4.97 开挖结束后中线处 3.2 开挖结束后距隧顶水平距离13.5m处 0.0003 开挖结束后距隧顶水平距离10m处
　　从表中可以看出，由于施工采用分部开挖法时，对围岩扰动较小，可以有力的控制模型表层沉降，各步的沉降量均较小，二衬施作完成以后，表层最大沉降量为4.97mm，满足控制要求。
　　3.3拱顶竖向位移
　　在支护施作完成之后，斜井最大拱顶下沉量为11.3mm，发生在拱顶偏后开挖一侧，满足斜井的使用安全要求。
　　3.4支护内力
　　施工结束时支护内力如图4~7所示。

　　根据计算结果，支护以后，支护结构的支护压力迅速上升，达到一个最大值后，随着围岩收敛值的增加，作用在支护结构上的压力慢慢减少，最后趋向一稳定的值。拱底处开挖结束时内力分布最不利，最大弯矩59.2kN·m，最大轴力311.7kN；永久支护在施工结束时内力分布最不利，最大弯矩154.914kN·m，最大轴力275.4kN，发生位置均在拱顶略偏向先开挖一侧。因此设计中按最不利内力组合，支护的配筋面积单侧不应小于960mm2。
　　3.5计算结果分析
　　通过本次模拟分析，可以得出如下结论：
　　（1）在用暗挖法修建斜井过程中，支护以前，拱脚和拱腰部位出现压应力集中现象，容易产生压破坏。在支护以后，压应力虽有所分散，但拱顶出现拉应力区，造成拱顶受拉破坏，最大拱顶下沉11.3mm。因此，拱顶、拱脚和拱腰部位都是支护的重点部位。
　　（2）开挖以后，围岩的变形比较大，因此必须采取一定的手段限制围岩变形的发展，从模拟的结果看出，支护对限制围岩变形发展所起的作用还是明显的。因此，在斜井的施工中，为限制围岩的变形过分发展，必须采取强支护的措施。
　　（3）由于围岩物性指标较高，隧道埋深较大，施工过程中地表沉降不大，最大表层沉降为4.97mm，地表沉降曲线相对平坦。
　　（4）隧道开挖的时空效应较为明显。随着开挖的进行，隧道围岩位移与时间的关系呈现规律性的变化。在最初的开挖时，围岩位移随时间迅速增大，但在某一时间后，则趋向平稳。充分利用隧道开挖的时空效应，选取适时的支护时间，对超大断而隧道不致发生过大的变形以及减轻超大断而隧道衬砌结构的压力，不无意义。
　　（5）支护内力最不利截面位置在拱部，按照内力计算结果，初支单侧受力配筋面积不应小于960mm2。
　　（6）初期支护以后，随着围岩变形的发展，支护压力虽有所降低，但仍然保持较高水平。因在斜井的施工过程中采用强支护措施虽然限制了变形的过分发展，但支护压力还是相当大的。因此，二次衬砌是必不可少的。
　　4结语
　　通过Adina有限元法计算模拟复杂地质条件下隧道开挖的稳定性，数值分析结果表明：最大拱顶沉降为11.3mm，结构内力也小于允许值，结构安全。对于复杂地质条件下隧道施工有很大的现实意义。
　　参考文献：
　　余卫平、耿克勤、汪小刚.某水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析[J].北京：岩土力学.2004.12，25（12）
　　黄宏伟、徐凌，大风垭口岩石公路隧道围岩及初期支护变形与内力研究[J].岩石力学与工程学报.2004.1，23（1）
　　王梦恕.21世纪是隧道及地下空间大发展的年代[J].北京：岩土工程界.第3卷.第6期
　　ADINA中文使用手册[CP].亚得科技－ADINA中国
　　