软岩大跨径隧道的施工力学研究

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1、软岩大跨径隧道的施工力学研究李春贤(中铁十三局集团第三工程有限公司辽宁盘锦市124021)摘要：在软弱围岩中修建大跨隧道，由于结构呈扁平状，施工工序复杂，地层和支护结构的受力状态频繁变化，如何保证施工过程中支护结构和围岩的稳定十分重要。本文应用ANSYS程序对大梅沙隧道的施工进行模拟计算，结果表明：采用双侧壁导坑法施工，中洞上步开挖为施工中的最不利受力状态，产生的卸荷效应更明显，拱部支护需要及时施作二次衬砌。关键词：隧道工程；软弱围岩；大跨隧道；施工；力学分析；支护0前言近20年来，国内外修建了大量的大跨隧道工程，如德国瓦尔德克Ⅱ号水电站地下厂房宽度×高度＝34m×54m

2、，以及我国广州环城公路白云隧道宽度达31.5m，福州象山四联拱隧道宽达35.4m［1,2］。深圳大梅沙隧道位于深圳市盐田区大梅沙村西，是深圳市盐田至坝岗高速公路一期工程A段的关键控制工程。隧道穿过散体状强风化岩全风化花岗岩，松散的构造破碎带，围岩地质条件差，跨度较大，埋深较小，且呈典型的扁平结构，施工工序多，地层和支护结构受力变化复杂，拱腰及边墙处的应力集中较大容易造成该处的支护结构破坏。因此，保证隧道围岩以及结构的稳定性成为施工的关键。本文应用ANSYS程序的二维平面应变弹塑性分析，对大梅沙隧道的典型断面不同的工况下的状态进行非线性分析计算，揭示大跨隧道在不同开挖阶段的

3、受力情况，为类似的工程设计和施工提供参考。1隧道概况深圳市盐田至坝岗高速公路工程大梅沙隧道是线路穿越求水岭的取直隧道，隧道为上下行左右分线的双洞单向三车道隧道，左线隧道全长1505m。单洞净宽13.25m，净高7.8m。隧道进口经过的地段多为Ⅴ级围岩，少量属于Ⅵ级。由于围岩级别较低，在隧道开挖前进行了注浆、锚杆、管棚等预加固处理。　图１　隧道典型断面及施工工序图隧道采用双侧壁导坑法施工，其断面及开挖及支护步骤如图１所示。具体的施工工序为：左侧壁导坑分层开挖、初期支护→右侧壁导坑分层开挖、初期支护→边墙灌注混凝土→中洞拱部开挖、初期支护、临时立桩→拆除侧壁导坑内侧临时支护→

4、拱部模筑混凝土→中洞其余部分分层开挖→仰拱初期支护→仰拱模筑混凝土。2隧道分步开挖的平面计算分析2.1计算模型的建立2.1.1模型考虑为保证计算的准确性，计算采用四节点PLANE42平面单元；采用BEAM3梁单元混凝土弹性材料模拟初次支护及二次衬砌；分析时围岩采用DP材料，其屈服准则为Drucker－Prager屈服准则，其具体表达式和各项表达式含义可参见文[4]。在程序中采用单元“生”与“死”的功能模拟分步开挖。所谓单元的“死”，ANSYS程序并不是真正移走“死”单元，相反，程序通过用一个很小的因子[ESTIF]乘以他们的刚度矩阵，“死”单元的载荷、质量、应变等都将设置

5、为零；与此相似，当单元“活”的时候，它们也不是真正被添加到模型中去，而只是一种简单的激活，其刚度、质量、载荷等恢复原来的数值，参与模型的求解，而没有应变历史的记录［4］。2.1.2计算参数初期支护采用C20早强混凝土，厚度为30cm；二次衬砌采用C25混凝土，厚度为50cm；仰拱采用60cm厚模筑钢筋混凝土。对开挖前进行的地层加固措施进行简化，用提高围岩等级的方法，将加固区域的地层由Ⅴ级提高到Ⅳ级，其中注浆、管棚将围岩等级提高了0.5倍，范围为隧道径向4m；锚杆支护将围岩等级提高了0.5倍［５］，范围也为隧道径向4m内。具体计算参数见表1。围岩物理力学参数表１围岩　　级别

6、弹模E　　/Gpa泊松比　　μ　　　　容　重　　　　　　　粘聚力c/Mpa内摩擦角计算内摩擦角Ⅲ2.20.35220.203555Ⅱ0.60.37200.103045Ⅰ0.20.40190.072535C20260.2023C2528.50.2024一般的，根据围岩地质条件、开挖面积以及地应力场水平等影响因素来选取计算影响范围。对于大梅沙隧道，取埋深为10m的断面建模，竖直方向从地表向下取67.8m(即取隧道中线向下50m)，而水平方向取长度为80m（大于6倍的开挖直径）范围。此外，对地应力场的模拟，主要是按自重应力场考虑。而边界条件则取为：左右边界水平约束，下边界垂直方

7、向约束，地表为自由面。隧道全断面开挖完毕后的模型共划分为2016个节点，2256个单元，其中梁单元140个。2.2计算结果及分析2.2.1左导洞超前开挖支护图２给出了超前导洞支护结构的弯矩、轴力和塑性区分布，衬砌最大轴力1451KN，发生在边墙底部；弯矩最大值为311.7KN·m，发生在临时支护与仰拱结合角点。同时，在临时支护结构与初次支护的结合部位出现较大的拉压应力，围岩的塑性区也主要分布在这两个部位。超前开挖左导坑引起的地表和该洞拱顶处沉降分别为4.7mm和10.5mm，地表沉降约占沉降总量的20％。可见，该步开挖对地表沉