节理密集带隧道开挖支护力学特性分析

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摘要：在隧道开挖过程中，每次开挖进尺、开挖顺序、循环时间、地下水渗漏、岩性强度变化、爆破强弱等因素影响，直接威胁到隧道施工安全。本文针对冲沟地貌陡倾节理密集带隧道开挖支护，采用数值模拟方法模拟施工过程，进行隧道开挖支护力学特性研究，对此类地貌隧道施工具有非常重要的实际指导意义。

关键词：隧道开挖、节理密集带、数值模拟

Abstract：In the tunnel excavation process, the footage of each excavation, excavation sequence, cycle time, groundwater seepage, rock intensity, burst strength and other factors, a direct threat to the safety of tunnel construction. In this paper, steep gully landscape dense with joint tunnel excavation and support, using numerical simulation method to simulate the construction process, the mechanical properties of the tunnel excavation and support research on the type of tunnel construction landscape has a very important practical significance.

Keyword：tunnel excavation, jointed intensive, numerical simulation

1 隧道开挖支护模型建立

现阶段隧道施工方法一般采用新奥法施工，针对冲沟地貌节理裂隙密集带围岩，采用台阶法分部开挖和锚喷支护方式【1】。即第一步开挖上半断面并及时支护，第二部开挖下半断面的左半部分并及时支护，第三部开挖下部断面的右半断面并及时支护，将二次支护作为安全储备。隧道开挖断面为城门型，开挖外轮廓直径为6.98m。考虑隧道不受边界条件的影响，横向以隧道中心线为中心取80m，垂直方向取实际隧道埋深为建模边界，支护参数如图1所示。

图1 隧道开挖支护模型参数

2 隧道开挖支护有限元分析

针对隧道区地貌、地质条件和开挖支护的施工过程的实际情况，对隧道地表为冲沟地貌并经过陡倾斜节理裂隙密集带开挖支护情况下，考虑放水孔排水和注浆两种情况下进行围岩力学特性分析【2】。大多数岩石为脆性材料，屈服准则采用Mohr-Coulomb破坏准则，支护材料采用弹性模型进行计算，节理密集带材料力学参数【3】采用两种材料力学参数phase2软件自带裂隙密集带模型参数，支护材料力学参数见表1：

表1 支护材料力学参数

2.1 仅考虑地下水+放水孔情况

隧道经过冲沟地貌陡倾节理裂隙密集带，开挖并及时支护，考虑左侧地下水位16m，右侧为22m，在拱脚和边墙底部考虑放水孔排水情况下，随着隧道开挖和放水孔排水，地下水位下降到隧道放水孔位置，边墙和仰拱有地下水位侵蚀。

冲沟地貌陡倾节理裂隙密集带隧道分步开挖【4】与支护力学特性分析结果见图2所示，主应力在节理裂隙影响下，分布较为紊乱；总位移场和矢量分布受节理裂隙影响，且无法控制，屈服区增大，边墙大约3.5m，拱顶基本贯穿地表，而新增拉剪破坏区即松动圈也得不到有效控制，拱顶、仰拱出现大范围破坏，隧道围岩整体不稳定。

图2隧道开挖与支护力学特性分析结果图

2.2 考虑节理裂隙密集带注浆情况

针对隧道经过冲沟地貌陡倾斜节理裂隙密集带，考虑对隧道节理裂隙密集带注浆，在考虑左侧地下水位16m，右侧为22m，同时在拱脚和边墙底部考虑放水孔排水情况下随着隧道开挖和放水孔排水，地下水位下降到隧道放水孔位置，边墙和仰拱有地下水位侵蚀。

冲沟地貌倾斜节理裂隙密集带，注浆加固后隧道分步开挖并及时支护，力学特性分析结果见图3所示：

图3注浆隧道开挖与支护力学特性分析结果图

针对节理裂隙密集带注浆隧道开挖与支护，得到以下结论：

1、主应力总体随埋深分层增大分布，但在节理裂隙和注浆体复杂影响下，分布较为紊乱，但得到了改善。

2、总位移场和矢量分布得以控制，屈服区得到控制，在拱顶、右侧松动范围大约2.0m，隧道围岩屈服区受节理裂隙影响得到明显改善。

3、隧道围岩屈服区、新增拉剪破坏区即松动圈得到有效控制，隧道围岩整体稳定。

3 结论

对隧道地表为冲沟并经过陡倾斜节理裂隙密集带围岩开挖支护情况下，考虑放水孔排水和注浆两种情况下进行围岩力学特性进行稳定性分析，分析结果表明，放水孔排水情况下，隧道围岩不稳定，屈服点联通，施工不安全；在考虑注浆加固情况下，隧道围岩基本稳定，可以采取此种方法进行隧道开挖掘进【5】。

参考文献

[1]夏峰.地下硐室围岩松动圈影响因素分析：[中国地震局工程力学研究所硕士学位论文].哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2009

[2]孙有为.地下洞室的几何性质对松动圈的影响：[中国地震局工程力学研究所硕士学位论文].哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2006

[3]刘传孝，王同旭，杨永杰.高应力区巷道围岩破碎范围的数值模拟及现场测定的方法研究.岩石力学与工程学报，2004，23(14)，2413-2416

[4]李纯洁，孔德森，王立才.探地雷达在松动圈确定与巷道支护参数优化中的应用.山东科技大学学报自然科学版，2008，27(1)，19-22

[5]许金升.巷道围岩破裂范围研究:[东北大学硕士学位论文].沈阳：东北大学，2003

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