唐家山隧道施工特性及时空效应

2012年10月上第41卷第374期施工技术

CONSTRUCTION TECHNOLOGY

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唐家山隧道施工特性及时空效应研究

霍晓龙，陈寿根，张小明

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川

成都

610031）

［摘要］以汶川灾后重建的唐家山公路隧道为背景，采用FLAC 3D

软件建立隧道三维模型，模拟了隧道在不同施工

方式中围岩随时间和空间变形的过程，并结合现场实测数据，重点分析了拱顶沉降、水平收敛和掌子面的挤出位移。结果表明：软岩隧道围岩稳定很大程度上受到隧道的时空效应影响，施工中要综合选择开挖方式，既要考虑围岩先行变形，

也要考虑掌子面的挤出变形，同时通过早期闭合支护来控制围岩的后方变形。［关键词］隧道工程；软弱围岩；时空效应；数值模拟；监测；水平收敛；沉降［中图分类号］TU94；U459.2

［文献标识码］A

［文章编号］1002-8498（2012）19-0079-05

Study on Construction Characteristic and Temporal-spatial Effect of

Tangjiashan Tunnel

Huo Xiaolong ，Chen Shougen ，Zhang Xiaoming

（MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering ，Southwest Jiaotong University ，

Chengdu ，Sichuan

610031，China ）

Abstract ：Taking Tangjiashan highway tunnel ，which was reconstructed after the Wenchuan earthquake as background ，a three-dimensional model was constructed for the tunnel using software FLAC 3D ，to simulate the rock deformation with time and space in different ways of tunnel construction．Combined with the field measurement ，the vault settlement ，the level convergence and the extruded displacement of the working face were analyzed in detail．The results show that stability of surrounding rock in soft rock tunnel is significantly influenced by temporal-spatial effect of the tunnel．As a result ，comprehensive considerations should be made during the selection of excavation methods ，i．e．both the rock deformation and the extruded deformation of the working face．At the same time ，the rear rock deformation should be controlled by early closed supporting．Key words ：tunnels ；soft surrounding rock ；time-space effect ；simulation ；monitoring ；level

convergence ；settlement

［收稿日期］2011-11-28；［修订日期］2012-03-25

［基金项目］教育部创新团队发展计划资助（IRT0955）［作者简介］霍晓龙，硕士研究生，

E-mail ：feilong812481444@qq．com 本文针对目前的国内软弱围岩研究现状，结合唐家山公路隧道围岩变形的现场实测资料，

利用有限差分法软件FLAC 3D

进行三维非线性数值模拟分

析，研究软弱围岩施工特性以及时空效应规律，包括在不同施工方法下围岩变形的时空效应，作出了围岩沿隧道走向拱顶下沉、

水平收敛位移和掌子面挤出变形等曲线。通过现场监测资料和模拟计算的比较，更深刻地认识软弱围岩变形规律，并对隧道的安全施工、设计提供了指导意义和一定的参考价值。

1工程概况

北川县是“5.12地震”受灾最严重的地区之一，

县城以北3km 的唐家山滑坡形成的唐家山堰塞湖，将省道S302线在北川禹里镇至北川县城曲山镇段完全淹没，严重阻碍了该地区群众灾后自救和重建工作。绵阳市省道S302线北川曲山至茂县界段灾后重建工程曲山任家坪至禹里段唐家山隧道设计为单洞双向行车隧道，起讫桩号为K0+865—K4+375，隧道总长3510m 。设计隧道纵面为单向上坡，隧道最大埋深为730m ，隧道净宽9.0m ，净高5.0m 。施工中采用全断面和预留核心土台阶法开挖。隧道断面尺寸与支护参数如图1所示。初期支护用220mm 厚C20喷射混凝土，Q22格栅钢拱架（纵距100cm ）， 8mm 钢筋网（间距200mm ˑ200mm 单

80施工技术第41卷

层），预变形量7cm ，二衬为400mm 厚C25钢筋混凝土

。

图1

断面尺寸与支护参数

Fig．1

Section size and support parameters

2工程地质条件

隧址区在区域构造上属北川—映秀大断裂的

西北侧（距隧址起点约15m ），该断层是一条现今仍在活动的冲断层，

断层倾角60ʎ 70ʎ，其活动对该隧道的威胁很大。根据收集的资料，该区域地震活动较频繁，

具有一定的破坏性，为地震多发地区，属区域构造次稳定区。唐家山隧道以岩质隧道为主，隧道围岩体涉及地层为含粉土角砾、含粉土碎（块）石、寒武系下统清平组粉砂岩夹千枚岩、灰岩和碳硅质千枚岩。根据调查、勘探、试验等资料、岩石隧道的围岩定性特征、

围岩基本质量指标BQ 或修正的围岩质量指标［BQ ］值、土体隧道中土体类型、密实状态等定性特征，

综合确定围岩级别。其中，围岩基本质量指标BQ 在230 300。隧道穿越的围岩条件复杂，涵盖Ⅲ Ⅴ级围岩，以Ⅳ和Ⅴ级围岩为主。节理裂隙发育，呈不规则网状，岩芯呈碎块状，岩体破碎，呈碎裂状。地下水主要为松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水。因为汶川地震影响，岩层受到强烈构造变形影响，岩体特点为软弱、破碎、富水含泥，属于构造破碎带。3FLAC 3D 建模分析3.1

模型建立

考虑到对于单元和节点众多的复杂模型，FLAC 3D 内置网格生成器建模效率较低。建模中采

用了有限元软件（ANSYS ）与FLAC 3D

相结合的方式，

即在ANSYS 中建立模型后，将网格数据导入到FLAC 3D 中生成模型。

解析边界设定为对解析结果没有很大影响的（3 5）。模型尺寸为：隧道水平方向取70m （＞3倍洞径），

竖直方向取60m （＞3倍洞径），隧道轴向取50m 。计算区域划分成78300个单元，83385个节点，能够保证计算具有足够的精度。根据施工设计和施工步骤进行解析，计算模型如图2所示。约束

条件为：两侧边界水平方向约束，铅直方向自由；底部边界铅直方向约束，水平方向自由；顶部为自由表面，

上部受围岩自重作用

。图2隧道计算模型

Fig．2

Calculation model of tunnel

3.2计算参数确定

围岩采用莫尔-库仑模型，

初期支护和二次衬砌均采用实体单元，为弹性模型。锚喷和钢拱架将其弹性模量等效折算给初期支护。围岩和支护结构的物理力学参数如表1所示。

表1

围岩和支护结构参数Table 1

Parameters of surrounding rock and support structures

密度ρ/（kg ·m

－3

）弹性模量E /GPa

泊松比

μ黏聚力

c /MPa 内摩擦角φ/（ʎ）

Ⅴ级围岩200020.450.2025初期支护2500220.25——二次衬砌2600280.20——仰拱

2300

28

0.20

—

—

数值计算模拟隧道实际施工过程，取右线K3+890—K3+940段作为分析对象，平均埋深为300m ，围岩等级为V 级。采用短台阶法施工，台阶长度为5m ，每环进尺2m ，开挖后及时施作锚喷支护，在距离掌子面10m 处施加仰拱闭合，

由于实际施工时二次衬砌距掌子面太远，所以不予模拟，开挖施工过程模型如图3所示。在分析时设定y =20m 断面（对应于原型中的K3+920断面）为目标断面。计算中还模拟了全断面无支护施工、全断面有支护施工和台阶无支护施工方法，与实际台阶施工方法对比，分析隧道围岩随时间和空间变形的规律。4计算结果与分析

4.1

软弱围岩变形的时空效应

在软弱围岩段开挖隧道，由于开挖面的空间约束作用，开挖后的围岩应力释放不是瞬间完成的，而是逐步释放，围岩变形随时间的推移而不断发展并慢慢趋于稳定。隧道地质条件、结构形式、施工方法、支护时机与刚度等各有不同，对周围围岩造成的扰动程度也不同，但隧道开挖引起的力学过程