软弱围岩隧道施工方法的有限元分析

摘 要：在不同的施工方法下采用有限元方法对软弱围岩隧道的应力、变形进行分析，从而找到使软弱围岩受到最小扰动的施工方法，对隧道在软弱围岩条件下的顺利建造起一定的指导作用。

关键词：有限元法；软弱围岩；应力分析；变形分析

中图分类号：TU31 文献标示码：A

1 概述

软弱围岩是隧道常见的穿越区，围岩的稳定性是目前影响隧道工程质量的主要因素。如何开挖岩体使其初始状态不受过大扰动，从而使岩体处于相对稳定状态，是一个非常复杂的问题。本文通过有限元分析法对隧道周围岩层进行不同方式开挖下应力和变形分析，寻求使围岩受到较小扰动的施工方案，进而使隧道工程的施工及使用更加安全、可靠。

2 工程概况及分析计算的原理、模型

2.1 工程概况

某隧道工程位于韶关北部的山区中，属于山中地形，以构造腐蚀作用为主，主要岩性为第四纪下灰色、褐色、灰白色花岗岩石，部分夹白云质灰岩。设计净跨宽度约为9.6m，净空高度为5.6m的半。立墙圆拱形断面，在二类结构围岩中最大开挖宽度为10.5m，高度为6.5m。隧道最大埋深58m。全风化层层为灰褐色、灰白色花岗岩，半岩土状，中心破碎，平均层厚约为40m；强腐蚀带为浅灰色、灰褐色花岗岩，节理裂隙发育作用较强，平均层厚度27m；弱风化岩层为岩性较好的玄武岩。施工地段内地下水排泄较为顺畅。

2.2 设计原理

2.3 计算模型

我们知道隧道开挖仅对围岩周围一定范围内产生较明显的影响，而距开挖部位较远的地方，应力及变形变化会很小，距三倍洞跨处其应力和变形变化一般都在3%以下，为减小有限元模型中边界条件对运算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围取等于三倍洞跨进行有限元模拟计算。隧道断面如图1。

根据有限元计算方法的基本原理，计算时把不同地层的岩体看作均质来考虑，在平面单元有限元计算中二次衬砌采用梁杆单元模拟，锚杆用轴力单元模拟，荷载为周围岩石结构自重和边界上部岩体的压力。取对整个开挖隧道最不利区段的断面进行有限元计算模拟。选取隧道围岩及支护材料的计算参数见表1。

3 模拟计算结果

3.1 上下台阶开挖法：首先，隧道拱部采用上台阶开挖法；其次，已经开挖的拱部打入锚杆并喷射混凝土进行初期支护；第三步，采用下台阶法开挖；第四步，对隧道两侧立墙进行支护；第五步，对开挖的隧道断面进行整体二次衬砌。则采用不同工序下围岩拱顶、左右拱角、左右立墙中部关键点的位移情况见表2。

当拱部开挖后在拱部顶部区域和开挖面底部围岩中出现了应力较为集中现象，其最大应力为4.99MPa。当下台阶开挖后，在拱肩部的临时支护层中也出现应力较为集中现象，其最大应力为3.50MPa。

3.2 两侧超前施工法：第一步，对隧道设计断面的两侧同时进行超前开挖；第二步，对已开挖部分进行锚杆支护并施作喷射混凝土初期支护；第三步，对剩余部分进行开挖；第四步将开挖断面先进行初期支护并对整个断面进行永久性二次衬砌支护。

隧道断面两侧导洞开挖后在导洞断面底部及拱角与剩余部位相交处出现了应力集中现象，最大应力为1.35MPa。开挖出现断面二次衬砌完成后在衬砌底部出现应力集中，最大应力为2.36MPa。

3.3 中壁CRD施工法：首先，采用上台阶法对左部开挖；其次，对已经开挖的拱部打入锚杆并及时喷射混凝土进行支护；第三步，采用上台阶法开挖右半部分；同样，对开挖部分打入锚杆并喷射混凝土支护；第四步，采用下台阶法左下部分开挖施工，然后对新开挖部分打入锚杆和喷射混凝土初期支护；第五步，同样采用下台阶法开挖隧道断面的右下部分；第六步，对开挖部分打入锚杆并喷射混凝土初期支护。最后对全断面进行二次衬砌施工。

隧道拱部左半部分开挖后在开挖断面顶部引起围岩应力重分布，最大应力为0.935MPa。二次衬砌完成后在断面底角部位形成应力集中，最大应力2.36MPa。

4 结果分析

4.1 根据计算结果，三种有限元分析的模拟施工方法均无塑性区出现，故都是可行的施工方法。通过对比：两侧开挖优于其它两种方案，与上下台阶开挖相比较，两侧开挖方案在应力和位移量上都小于上下台阶分步开挖；上下台阶开挖与中壁CRD法相比，中壁CRD法开挖造成过大的应力集中，数值上比上下台阶开挖大，造成的位移量也较大。

4.2 通过对不同方案计算结果的应力场和位移场的变化分析，发现开挖次数过多，并不会使位移量和应力减少。在每次开挖后都会有岩层位移的增加，而衬砌支护后位移量又会减少，这说明衬砌支护在隧道开挖过程中的作用是非常明显的。

4.3 运用有限元分析法对隧道围岩进行应力和应变进行分析，比传统的实验方法节约大量的费用和时间。

参考文献

[1]潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京：中国铁道出版社，1995.

[2]孙钧，朱合华.软弱围岩隧洞施工性态的力学模拟与分析[J].岩土力学，1994，15（4）： 20-33.

[3]华渊，等.软岩单线隧道新型支护结构有限元分析[J].施工技术，2004，33（10）：31-32.