第１２卷 第８期 ２０１２住 中 国水运 ＶｏＩ．１２ Ａｕｇｕｓｔ Ｎｏ．８ ２Ｏ１２ ８月 Ｏｈ ｉ ｎａ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ 核心土对软弱围岩浅埋隧道掌子面 支撑作用的数值模拟研究 女 烨 姜立辉 （河北承德承秦高速公路管理处，河北承德０６７０００） 摘要：在隧道浅埋段，因岩体风化严重，其质量往往很差，弧形导坑预留核心土法是常见的隧道开挖方法，核心 土对维持掌子面的稳定会发挥重要的作用。由于隧道属于浅埋，拱顶覆岩对掌子面产生较大的附加荷载作用。在拱 顶覆岩与核心土联合作用下，掌子面应力、应变与位移等力学行为与核心土单独作用下表现出一定的特殊性。基于 此，采用ＦＬＡＣ３Ｄ有限差分程序，就软弱围岩浅埋隧道掌子面在拱顶覆岩的作用下预留核心土的支撑作用进行数值 模拟研究，以期为隧道设计或施工人员就维护掌子面稳定提供更丰富的研究资料。 关键词：浅埋隧道；预留核心土；软弱围岩；掌子面稳定；ＦＬＡＣ。。 中图分类号：Ｕ４５１．２ 引言 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９７３（２０１２）０８—００５７—０３ 二、弧形导坑预留核心土开挖法 ｌ ＩⅡ 一、弧形导坑预留核心土的隧道开挖方法一般适用于围岩质 量较差的洞段，预留核心土对稳定掌子面具有积极的支撑作 用。对于浅埋隧道，因开挖后不能形成自热平衡的压力拱， 目前在国内隧道设计当中拱顶覆岩引起的荷载考虑为隧道埋 深范围内的全部自重应力。因此，对于围岩较差的浅埋隧道， Ⅻ ２ ４ ２ ２ 掌子面的应力应变等特性是拱顶覆岩压力与核心土支撑力联 合作用下的综合结果。 目前在核心土对掌子面应力应变特性的影响研究方面， 皇甫明等…分析了核心土长度对隧道工作面内空水平位移、 工作面前方土体的地层沉降及其主应力分布等的影响；谢东 核心土 ０ ７ ９ 武等＿２】推导了核心土临时支护稳定性的判别准则；曲海锋等『３ 对核心土合理曲率形式选择问题进行了分析，李志刚等［４１采 用有限元手段对核心土合理厚度与开挖方式进行了分析；郭 Ⅷ ＸＩ Ｘ 桃明等＿５】分析了核心土长度、宽度对隧道掌子面纵向位移与 塑性区的影响。 Ⅵ 图１ 弧形导坑预留核心土开挖方法示意图 在覆岩对掌子面稳定性的影响研究方面，李树忱等＿６ 采 隧道弧形导坑预留核心土开挖方法基本步骤如图１所 用ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟手段建立了海底隧道最小岩石覆盖厚度 的位移收敛判据，蒋树屏等【１ 以拱顶位移和主拉应力为判别 指标对重庆朝天门两江隧道理覆盖层厚度进行了研究，李廷 春等｝８】根据应力分布、洞周位移、塑性区、损伤区等数值计 算结果对厦门海底隧道的最小项板厚度进行了分析，宋超业 示，具体包括：１一拱部超前支护；２一拱部弧形导坑开挖；Ⅲ 一上半断面初期支护；４一核心土开挖；５一下半断面中槽开挖； Ⅵ一下半断面中槽初期支护；７一下半断面左侧开挖；Ⅷ一下半 断面左侧初期支护；９一下半断面右侧开挖；Ｘ一下半断面右 侧初期支护；ＸＩ一浇注仰拱；Ⅻ一敷设防水卷材，施做二次衬 砌。 等ｌ９】对水下盾构隧道合理覆盖层厚度的影响因素与选择方法 进行了探讨。 三、核心土支撑作用分析 １．力学模型 由上述研究现状可见，在拱顶覆岩与核心土两个因素， 就单因素对围岩或掌子面的影响研究成果较多，但是掌子面 在这两个因素联合作用下的力学相应特性，目前还有待深入 研究。基于此，采用ＦＬＡＣ 有限差分程序，采用数值模拟方 法，对软弱围岩浅埋隧道掌子面在拱顶覆岩作用下核心土的 支撑作用进行探讨。 收稿日期：２０１２—０５—０４ 为了采用ＦＬＡＣ。。对核心土的支撑作用进行分析，将浅 埋隧道掌子面简化为如图２所示的直立边坡力学模型。其中 ｑ代表掌子面上覆岩层对拱顶的压力，ｑ＝ ｒ彳，Ｈ为拱顶覆 岩厚度， 为覆岩的重度； 为核心土对掌子面的水平支撑 力，呈线性分布；ｈ为核心土的高度。 作者简介：姜立辉（１９７２一），男，河北承德人，河北承德承秦高速公路管理处工程师，从事高速公路项目建设管理工作。 第８期 姜立辉：核心土对软弱围岩浅埋隧道掌子面支撑作用的数值模拟研究 ５９ （３）最大主应力 （ａ）不存在核心土的情况 （ｂ）存在核心土的情况 ０ ０ 图６主应力矢量对比 图６为主应力矢量情况，其中图６（ａ）为无核心土支撑 的情况，图６（ｂ）为有核心土支撑的情况。由该图可见，不 论核心土存在与否，计算区域内最大主应力基本位于竖直方 向，最小主应力基本位于水平方向。但是，在不存在核心土 的情况下，计算区域的绝大部大水平主应力远小于竖向主应 力，基本呈单向应力状态，此种情况极易引起岩土体的剪切 破坏；在存在核心土的情况下，计算区域的大部分均为两向 应力状态，这对岩土体的稳定是有利的。 （４）测点竖向位移 图７为掌子面顶部与拱顶交界处（对应于图３中点Ａ）的 竖向位移随计算步的变化曲线，其中图７（ａ）为无核心土支 撑的情况，图７（ｂ）为有核心土支撑的情况。由该图可见， 在不存在核心土的情况下，该测点位移持续增大不收敛，表 明掌子面已发生塑性流动；在存在核心土的情况下，该测点 竖向位移趋于一稳定值，该值约为３．４ｒａｍ，表明掌子面是稳 定的。 ’ｏ ２０ ３ ４０ 菩．心 ｅ￣－赫 ａ￣１ ３ （ａ）不存在核心土的情况 位档￡ｍ 删秘一３ 抖辣￡≯耐 ３ （ｂ）存在核心土的情况 图７掌子面顶部测点竖向位移变化曲线 四、结论 采用ＦＬＡＣ。。数值模拟技术就浅埋软弱围岩预留核心土 对掌子面的支撑作用进行了分析。数值计算结果显示：当围 岩质量较差时，若掌子面失去预留核心土的支撑，其内部应 力状态、应变与位移等力学特性均表明掌子面极易发生滑塌 事故。因此，在高速公路软弱围岩浅埋隧道的实际施工中， 现场施工或管理人员必须重视预留核心土对掌子面的重要支 撑作用。 参考文献 『ｌ１皇甫明，孔恒，王梦恕等．核心土留设对隧道工作面稳 定性的影响［Ｊ１．岩石力学与ｘ－ｈｌ学报，２００５，２４（３）： ５２１－５２５． ｆ２１谢东武，丁文其，李志刚．大跨隧道核心土临时支护稳定 性研究Ｕ１．地下空间与工程学报，２０１０，０６（４）：７０１—７０６， ７２８． 【３１曲海锋，朱合华，蔡永．曲率半径对临时支护及核心土 的受力影响分析Ｕ１．岩土力学，２００８，２９（７）：１７７８—１７８２． 【４】李志刚，丁文其，杨重存等．扁平特大断面公路隧道核心 土模拟与分析［Ｉ１＿地下空间与ｘ－ｈｌ学报，２００７，３（４）： ６２７－６３２． ［５１郭桃明，李德武，宋妍．核心土对软弱围岩隧道掌子面 稳定性的影响Ⅲ．兰州交通大学学报，２００７，２６（６）： ３４－３７． ［６１李树忱，张京伟，李术才等．海底隧道最小岩石覆盖厚度 的位移收敛法卟岩土力学，２００７，２８（７）：１４４３—１４４７． 【７１蒋树屏，刘元雪，谢锋等．重庆市朝天门两江隧道越江段 盾构法合理覆盖层厚度研究ＵＪ＿岩石力学与工程学报， ２００７，２６（６）：１１８８—１１９３． 【８】李廷春，李术才，自世伟．厦门海底隧道顶板厚度选择及 其开挖稳定性分析Ｕ１．岩土力学，２００５，２６（１２）： ２０１０－２０１４． ｆ９】宋超业，周书明，谭志文．水下盾构隧道合理覆盖层厚度 的探讨 ．现代隧道技术，２００８，（增）：４７～５１．