某隧道台阶开挖法模拟分析

周 刚

(核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610031)



某隧道台阶开挖法模拟分析

周 刚

(核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610031)

以甘肃省某隧道为例，应用ANSYS有限元软件，对采用上下台阶法开挖大断面隧道的稳定性进行了模拟分析，通过对隧道变形、围岩塑性区分布及初衬、二衬应力的分析，得出了台阶法能有效控制围岩的变形，使衬砌有较好的受力条件，但围岩在施工过程中会出现较大塑性区，为今后类似隧道施工提供了依据。

大断面隧道，台阶法，有限元软件，围岩

1 工程概况

某隧道位于甘肃省境内，进口端洞口里程为DK431+051，出口端洞口里程为DK433+782，隧道全长2 731 m。在隧道进口段DK431+051～DK431+096之间45 m内卸荷节理发育，属于Ⅴ级围岩，在大断面隧道施工过程中需要加强支护，选取安全的开挖方法。本文对台阶法进行了数值模拟，借以为工程施工提供参考。

2 数值模拟计算

2.1 计算条件

隧道断面宽20.16 m，高15.01 m，埋深30 m，位于Ⅴ级围岩。横向计算范围：左右各75 m；竖向计算范围：隧道拱部以上取15 m，仰拱以下取50 m；边界条件：顶部加竖向压力，使模型等效为30 m埋深，底部加水平和竖向约束，左右两侧加水平约束。锚杆直径25 mm中空注浆，拱墙锚杆直径22 mm普通砂浆。开挖及支护参数如表1所示。

表1 初期支护参数表

二次衬砌厚度为0.8 m，拱墙和仰拱使用C35钢筋混凝土，仰拱填充用C20混凝土。隧道开挖断面如图1所示。

2.2 计算网格模型

台阶法的主要施工步骤：上台阶开挖,下台阶开挖。计算网格图如图2所示。

2.3 计算结果

2.3.1 关键点位移计算结果

拱顶竖向位移变化曲线如图3所示。

拱底竖向位移变化曲线如图4所示。

边墙中点水平位移变化曲线如图5所示。

2.3.2 应力计算结果

隧道二衬后围岩的第一主应力场，如图6所示。

隧道二衬后围岩的第三主应力场，如图7所示。

各关键点最大应力如表2所示。

表2 关键点最大应力表 MPa

其中初衬的第一主应力在墙顶与拱脚接触部位取最大值，为0.378 MPa，第三主应力在墙顶与拱脚接触部位取最小值，为-6.877 MPa；二衬的第一主应力在墙顶与拱脚接触部位取最大值，为0.057 MPa，第三主应力在墙底、仰拱脚接触部位取最小值，为-2.784 MPa。

2.3.3 塑性区

在二衬后围岩出现最大的塑性区，如图8所示。

2.3.4 计算结果分析

1)从关键点位移变化曲线分析，拱顶在自重场中沉降量为1.407 cm，到二衬后沉降量为2.023 cm，施工过程中拱顶下沉0.617 cm；拱底在自重场中沉降量为1.122 cm，到二衬后沉降量为0.585 cm，施工过程中拱底上升了0.534 cm；左侧边缘点在自重场中向左偏移量为0 cm，到二衬后向右偏移量为0.136 cm，施工过程中左侧边缘点向右偏移了0.136 cm；右侧边缘点在自重场中向右偏移量为0 cm，到二衬后向左偏移量为0.132 cm，施工过程中右侧边缘点向左偏移了0.132 cm。

2)从隧道初衬和二衬主应力场分析，初衬的第一主应力在墙顶与拱脚接触部位取最大值，为0.378 MPa，第三主应力在墙顶与拱脚接触部位取最小值，为-6.877 MPa；二衬的第一主应力在墙顶与拱脚接触部位取最大值，为0.057 MPa，第三主应力在墙底、仰拱脚接触部位取最小值，为-2.784 MPa。主应力都小于混凝土的抗压强度。

3)从塑性区分析，二衬完后，在边墙墙腰部位出现了宽度大约为7.2 m,深度大约为4.0 m的塑性区。拱脚和仰拱脚附近也出现了小范围的塑性区。

3 结语

通过对台阶开挖方式下隧道的变形、衬砌的受力条件和围岩塑性区的分析，可以得出如下结论：

在大断面隧道中，上下台阶法能控制围岩的变形，且使衬砌有较好的受力条件，但是围岩在施工过程中出现了较大的塑性区。从经济方面考虑，在围岩条件较好地段可以采用台阶法，但要注意适当加固围岩；在围岩条件恶劣的地段应选用更为安全的开挖方法。

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Simulation analysis of a tunnel with bench method

Zhou Gang

(NuclearIndustrySouthwestSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Chengdu610031,China)

Taking a tunnel in Gansu as an example, the stability of large span tunnel with bench method is studied with finite element analysis. After analyzing the tunnel deformation, plastic zone of surrounding rock and stresses of preliminary lining, the result shows that, with bench method, it is able to control the deformation of surrounding rock, and get ordinary lining force conditions, but it emerged a larger plastic zone in construction process. The results provide a suggestion for tunnel construction.

large span tunnel, bench method, finite element software, surrounding rock

1009-6825(2017)15-0145-03

2017-03-07

周 刚(1978- )，男，博士，高级工程师

U455

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