浅埋大跨径黄土公路隧道弧形导坑法施工数值模拟

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1、浅埋大跨径黄土公路隧道弧形导坑法施工数值模拟　　摘要：采用有限差分软件FLAC3D对浅埋大跨径黄土公路隧道进行施工开挖过程模拟，监控隧道各部位位移、地表沉降和围岩应力，通过对比分析得到由于开挖引起的位移和应力的变化规律，进而分析弧形导坑法对浅埋大跨径黄土公路隧道的控制效果，并针对针对施工中易出现安全事故的薄弱环节提出一些针对性和具体的施工处理措施，为工程施工提高依据和参考。关键字：浅埋大跨公路隧道弧形导坑法数值模拟中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1.引言黄土在我国西北地区广泛分布，但黄土隧道的建设并没有一个非常适用合理的标准。

2、尤其是大跨径黄土隧道较一般隧道更加扁坦，围岩应力集中程度高，衬砌的压力、围岩的位移沉降较大，而黄土隧道的浅埋因素对隧道的施工更不利，施工方法的选择也更为复杂，对弧形导坑法开挖浅埋大跨径黄土隧道中力学规律进行研究，分析其中易出现的问题，根据规律正确选择支护手段，指导设计和施工。2.计算假定6由于黄土自身的性质较复杂，全部考虑并完全模拟施工步骤难度很大。因此在建模和计算的过程中，考虑主要因素，次要因素简化处理。（1）将围岩视为单一土体，看成均质、连续、各向同性介质。（2）只考虑自重应力场，不考虑地表降水和构造应力场的影响。（3）不考虑时间效

3、应，认为开挖、支护、加固等行为一步到位。3.模拟计算与分析3.1模型的建立取Vb级别围岩中Q3砂质黄土模拟围岩，隧道开挖跨径16.69m，开挖高度12.16m，埋深10m，计算区域：向下取3倍隧道高度35m，左右取4倍隧道跨径68m，纵向取60m。采用M-C模型模拟围岩、加固区，弹性模型模拟初期支护、二次衬砌、临时支护。将超前小导管、锁脚锚管、注浆加固的范围等效为均质材料对其力学参数进行调整提高。围岩及支护的物理力学参数。通过改变步长来模拟开挖过程，每次开挖3m。3.2计算结果及分析3.2.1竖向位移规律分析对竖向位移进行综合分析：61

4、、隧道上部围岩发生整体沉降，沉降区域呈倒U状，边界近乎垂直，一直延伸到隧道的拱脚处，拱顶沉降与拱脚沉降相差不大。2、在弧形导坑掌子面到达监测面前，隧道上方围岩已发生少量沉降。地面受远处围岩条件变化反应明显，沉降最大，随着埋深的增加，沉降越来越小。此阶段未发生明显应力状态的改变，埋深越浅累计沉降越多。当开挖掌子面通过监测面后，隧道上方围岩产生卸荷，而离隧道洞室越近围岩受到影响越大，变形从拱顶向地表发展，从隧道周边到地表处沉降越来越小。3、当掌子面距离监测面一倍跨径（16m）以上时，监测面位移很小，当距离减小到一倍跨径以内时，监测面地表和拱

5、顶开始产生明显沉降。说明隧道的开挖对围岩的影响区域为掌子面前方一倍跨径范围。4、掌子面到达时发生的拱顶沉降为38.22mm，占拱顶总沉降量的33.18%，仰拱底部上扬22.87mm，占上扬总量的25.64%，仰拱开挖时，沉降突然增大，沉降量为18.4mm，支护封闭前拱顶沉降达到总沉降的87%，仰拱施工完毕后沉降值和拱部上扬值增加不大。5、随着掌子面的接近，监测面围岩沉降速度越来越大，掌子面到达时，达到顶峰，在初支封闭之前，沉降变化速度缓慢减小。仰拱开挖时，拱顶沉降变化速度发生显著增加，当初支封闭仰拱回填后，变化速度很快减小并趋于零。66

6、、地表沉降随着地面与隧道中心线距离的减小而增大，且在距离35m（约2倍隧道跨径）范围内影响明显，在距隧道中心线19m（约1倍隧道跨径）处，沉降的变化趋势显著增大，在中心线处的地表沉降达到最大。7、开挖稳定后，隧道拱顶沉降虽径向深度的逐渐衰减，但衰减的趋势不大，地表沉降值是拱顶沉降值的83%，体现了上部土体的整体沉降性。3.2.2水平位移规律分析对水平位移进行分析：1、在弧形导坑掌子面到达监测面前，隧道围岩仅发生少量水平收敛，最大值仅有4.3mm，说明开挖对掌子面前方土体的水平位移影响不大。2、掌子面到达监测面开始，拱脚和拱腰的收敛逐渐增

7、加。拱腰收敛增加趋势持续到下台阶通过（掌子面离开监测面15m）后趋于稳定，此时拱底未开挖，初支未封闭。拱脚收敛主要在各台阶通过监测面阶段完成，在下台阶通过后仍有少量增长，此增长趋势在初支封闭（掌子面离开监测面24m）后趋于稳定。3、掌子面到达监控面开始，拱脚和拱腰的收敛速率逐渐增大。拱腰的收敛速率在中台阶通过时达到最大，且一直持续到各台阶全部通过。拱脚的收敛速率在下台阶通过监控时达到最大，且当下台阶通过后，收敛速率迅速减小。64、在开挖弧形导坑时，拱腰作为弧形导坑的拱脚，便开始产生收敛，且收敛明显，中下台阶开挖后，拱腰收敛进一步发展。3

8、.2.3围岩应力规律分析对围岩应力进行分析：1、弧形导坑开挖后，水平应力不大，达到最大水平应力的12%，而竖向应力则有很发展，达到最大竖向应力的74%。开挖面各台阶通过监测面时，水平应力和竖向应力增加很快，