隧道施工过程中围岩位移分析研究

隧道施工过程中围岩位移分析研究

姚建清

中交一公局厦门工程有限公司福建厦门361000

摘要：本文利用有限差分软件flac对CRD法开挖隧道施工过程中围岩位移的变化情况进行分析模拟得出：随着隧道的开挖，在隧道周围的围岩中形成椭圆状的竖直位移等值线，随着离隧道距离的增加，竖直位移逐渐减小。在隧道拱顶位置，由于隧道开挖形成的临空面和应力的释放，在距隧道一定位置的围岩损坏较严重，产生的竖直位移较隧道临空面处产生的位移大。隧道左右中拱墙的竖直位移与相应隧道某断面的开挖有关。

关键词：隧道围岩；CRD法；竖直位移

0.引言

隧道的开挖使得隧道周围围岩扰动，扰动后的围岩强度降低；隧道开挖形成的临空面隧道围岩应力释放，变形能力增加。在隧道施工中，对于隧道围岩位移的检测是确保隧道安全施工的重要手段。但不管是基于新奥法施工的隧道需要对隧道围岩位移进行实时的监控，以判断施工中的隧道安全，还是学者对于隧道力学位移的研究，其设置的监测点都是在隧道的临空面上[1-5]，而对于距隧道不同深度的围岩位移变化情况的研究还不多。基于此本文将研究随隧道开挖，距隧道不同深度位置的围岩位移变化情况。

1.模型基本参数

本文采用CRD工法进行隧道施工数值施工模拟。CRD工法又称作交叉中隔墙法，是将所开挖隧道的大断面划分成4~6个小断面，施工时各工序受力体系完整，结构受力均匀，变形较小，各个工作面封闭成环的时间短。本文中将隧道断面划分成4个断面，先开挖断面1并进行初期支护，而后顺次开挖支护，最后在进行二次衬砌，见图1。

本文采用FLAC3D有限差分软件进行分析，计算模型尺寸为100m×60m，计算模型左右两侧的计算边界为4倍左右隧道跨度，下边界为3倍左右隧道总高度。模型上表面施加自由边界条件，其他各面均有垂直其面的约束。围岩和二次衬砌采用实体单元模拟，屈服模型选取M-C模型，初期支护采用shell单元模拟，初期支护和二次衬砌采用弹性模型模拟。围岩及衬砌物理参数见表1。设置A、B、C、D四条位移检测线，每条检测线上设置3个监测点，监测点距隧道的间距为0m、1m、2m，共15个监测点。

从图1可以得出：随着隧道的开挖，隧道顶部围岩的位移逐步增大；隧道开挖之后，立即施加的初期支护可以有效地抑制隧道围岩位移的增加，能够有效地保护隧道施工安全；在开挖隧道右半部时，隧道顶部围岩位移迅速的大幅度的增加，这是由于此时隧道的顶部围岩失去支撑，在力的作用下，顶部围岩位移迅速增加。A3点由于受到隧道开挖影响较小，所以其位移最小；A2点受到隧道应力释放在隧道围岩中形成的应力变化区域内，该区域内的围岩受到扰动较大变形能力增加，其位移最大；A1点由于受到初期支护的约束，其围岩位移处于两者之间。

从图3中可以得出：由于右半部土体的约束作用，隧道在开挖左半部土体时，隧道右中拱墙位移变化较小；在开挖隧道右半部时，由于原有的约束条件被移除，此时隧道右中拱墙位移迅速增加，C1的位移增加幅度最大，C2的位移增加幅度次之，C3的位移只是稍有波动，这是由于随着距离隧道越来越远，受到隧道开挖卸荷的影响越来越小，所以C3的竖直位移只是稍微的波动。由图4得到：在隧道开挖1断面之后，隧道围岩D1处即产生较大的竖直位移，开挖之后施加的初期支护有效地抑制了位移的发展，在之后的开挖过程中，其位移变化较小。

图5为隧道周围4个监测处围岩的变化情况。A1和B1受隧道开挖的影响较大，C1和D1受隧道开挖的影响较小。随着隧道的开挖，A1和B1处的位移逐步增加，开挖到荷载步5时，A1和B1处的位移迅速增大，其增加的幅度约占整个位移的1/3，由此可知当隧道围岩处于临空时，隧道处于危险的位置。隧道开挖之后的初期支护和衬砌成环可以有效阻止隧道围岩的发展，有利于隧道的施工安全，因此在隧道开挖后应迅速的进行初期支护、隧道衬砌应立即成环。在开挖1断面时，由于应力的释放D1处立即释放出位移；开挖3断面时，C1处释放出的位移较大，在其他施工步中处于轻微的波动中。因此在隧道周围形成一个椭圆状的竖直位移等值线。

从图6和图7中可以得出：两处监测点对应位置的竖直位移规律相似，即随着隧道开挖的进行，A、B两点处竖直逐步增加，但是A3和B3处的竖直位移小于A2和B2处的竖直位移。C、D两点处的竖直位移变化较小，其竖直位移受隧道开挖的影响较小。在隧道周围形成一个椭圆状的竖直位移等值线。

3.结论

本文通过对CRD法开挖隧道施工过程中围岩位移的变形进行分析，得出以下结论：

（1）隧道拱顶和底部的竖直位移随着隧道开挖而增加，在隧道拱顶位置，由于隧道开挖形成的临空面和应力的释放，在距隧道一定位置的围岩损坏较严重，产生的竖直位移较隧道临空面处产生的位移大。在隧道底部则是形成土体的隆起，其竖直位移随距隧道的距离而逐渐减小。

（2）隧道左右中拱墙的竖直位移与相应隧道某断面的开挖有关。在开挖左断面时，左中拱墙竖直增加，在开挖隧道右端面亦是如此。

（3）随着隧道的开挖，在隧道周围的围岩中形成椭圆状的竖直位移等值线。随着离隧道距离的增加，椭圆状的等值线逐渐变化成圆形，且竖直位移的大小逐渐减小。

参考文献：

[1]孙大松.不同围岩和埋深条件下隧道围岩位移和应力变化规律分析[J].现代交通技术.2012.9（2）；53-58.

[2]刘天宇.浅埋偏压隧道围岩稳定性数值分析研究[J].山西建筑.2013.39（3）；150-153.

[3]陆洲邱利祥盛素玲.双侧壁导坑法在大跨度隧道施工中的应用[J].山西建筑.2009.35（35）；328-330.

[4]潘刚.通渝隧道围岩位移及稳定性模拟研究[J].西部探矿工程.2005（12）；163-165.

[5]刘庆.隧道围岩位移解析解在反分析中的应用[J].工程技术.2013.22（8）；232-233.

作者地址：浙江省杭州市江干区之江东路圆梦园茵梦十径五号，电话13799715666