魏 華 趙曉全 王海軍 高華國

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870； 2.遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

1 概述

我國山地較多，隧道運(yùn)輸便成為一個重要的運(yùn)輸方式?，F(xiàn)如今，隧道的開挖方法仍然是以礦山法為主[1]，山體內(nèi)部存在的礦洞無疑是對隧道開挖的一個重要影響，輕則造成隧道在開挖過程中產(chǎn)生塌方，導(dǎo)致施工不能正常進(jìn)行；重則威脅人們的生命財產(chǎn)安全。一些專家學(xué)者就隧道開挖對既有隧道影響進(jìn)行了分析研究[2-5]，但大多數(shù)是從爆破震動方面分析震速波形圖。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依托愛民山隧道，進(jìn)一步研究礦洞存在與否對隧道開挖產(chǎn)生的影響，得到相應(yīng)的結(jié)論，為今后的隧道施工提供理論依據(jù)。

2 工程概況

愛民山隧道位于遼寧省丹東市郊附近，屬于丹東市四號干線(花園路至寶山大街段)，呈北東走向展布，設(shè)計(jì)為兩條小凈距單行線曲線隧道，屬短隧道；隧道左線全長為500 m，右線全長42 m，采用暗挖鉆爆法施工。隧道輪廓尺寸如圖1所示。

3 模型建立

本文利用ANSYS軟件建立二維模型進(jìn)行運(yùn)算，圍巖采用平面實(shí)體單元(Plane42)，襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)采用梁單元(Beam3)，錨桿采用桿單元(Link1)。各種材料的物理力學(xué)參數(shù)按照隧道的設(shè)計(jì)說明書以及查閱文獻(xiàn)選取，見表1。

數(shù)值模擬采用位移邊界條件，在模型的底部施加豎向位移約束，左右兩邊施加水平位移約束，地表設(shè)為自由邊界。計(jì)算模型的尺寸為：100 m×100 m。模型圖如圖2，圖3所示。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 地表沉降

隧道在開挖過程中不可避免地會對周圍地層產(chǎn)生一定影響，因此明確地表沉降趨勢有助于更好地分析圍巖的穩(wěn)定性。以橫軸為地面水平線，縱軸為隧道中軸線，做出隧道的地表沉降曲線，繪制地表沉降曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，礦洞存在與否引起的地表沉降規(guī)律大致相同。礦洞存在時的地表沉降量略大于無礦洞時的數(shù)值，最大沉降量為3.9 mm。所以，礦洞對隧道開挖產(chǎn)生的地表沉降影響很小。

4.2 洞周位移分析

隧道在施工過程中，其輪廓的位移變形是反映隧道整體穩(wěn)定性的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，隧道開挖后的水平位移和豎向位移如圖5～圖8和表2所示。

表2 隧道兩個方向的變形量最大值

mm

由圖5～圖8和表2可以得出，兩種情況下隧道特殊位置水平位移均很小，拱頂和仰拱水平位移向左，兩側(cè)拱腳水平位移向外，其中最大位移為左側(cè)拱腳的0.439 mm；豎向位移方面，無礦洞和有礦洞情況下隧道整體位移均向下，礦洞存在時的豎向位移較無礦洞時稍大些，最大豎向位移發(fā)生在拱頂處，無礦洞時為17.580 mm，有礦洞時為17.963 mm。所以，對于洞周圍位移來說，存在礦洞對其無明顯影響。

4.3 圍巖應(yīng)力分析

圍巖應(yīng)力大小及其分布情況能直觀地體現(xiàn)隧道在開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性，對安全施工有著較大的幫助，所以分析圍巖的各個應(yīng)力指標(biāo)就顯得尤為重要。兩種情況下的隧道周圍圍巖應(yīng)力云圖如圖9～圖14所示。

從應(yīng)力云圖中可以看出，兩種情況下均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在隧道拱腳處。當(dāng)存在礦洞時，水平方向最大應(yīng)力、豎直方向最大應(yīng)力以及第一主應(yīng)力均較大，水平方向最大應(yīng)力出現(xiàn)在隧道右側(cè)拱腳處，為1.91 MPa；豎直方向最大應(yīng)力出現(xiàn)在礦洞右側(cè)，為3.11 MPa，對于隧道來說，豎直方向最大應(yīng)力出現(xiàn)在左右拱腳處，左拱腳為-2.52 MPa，右拱腳為-2.62 MPa；第一主應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)拱腳處，為-1.45 MPa。所以，存在礦洞對隧道周圍圍巖應(yīng)力影響較小。

5 結(jié)論

通過對愛民山隧道的有限元分析，得出以下結(jié)論：

1)有礦洞存在時的地表沉降量略大于無礦洞時的地表沉降量，下沉增加約0.6 mm，所以礦洞存在對地表沉降幾乎無影響；

2)對于洞周位移而言，礦洞存在時的水平位移最大處出現(xiàn)在礦洞左側(cè)，施工時應(yīng)采取必要的加固措施；有礦洞時的拱頂下沉增加約0.5 mm；

3)對于圍巖應(yīng)力而言，兩種情況下均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，礦洞存在時的圍巖應(yīng)力均增加1%左右，礦洞存在時的X方向應(yīng)力最大處出現(xiàn)在礦洞右側(cè)，施工時也應(yīng)注意采取措施。

綜合以上三種分析得出的結(jié)論，礦洞存在與否對于隧道的開挖影響較小，雖然位移、應(yīng)力均有所增加，但是也在合理可控范圍內(nèi)，可不予考慮其影響。