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姚家隧道围岩变形特征分析及施工模拟
摘要
姚家隧道是一项重要的交通基础设施工程，在其施工过程中，隧道开挖周围的岩体会出现各种各样的变形和破坏，对施工安全和隧道使用后的稳定性都有较大影响。因此，本文通过对姚家隧道围岩变形特征的分析和施工模拟，总结了其围岩变形及破坏的主要原因，并提出一些相应的对策和建议，以便更好地指导其施工和管理。
关键词：姚家隧道、围岩变形、破坏、施工模拟、安全措施
Abstract
YaojiaTunnelisanimportanttransportationinfrastructureproject.Duringitsconstructionprocess,variousdeformationsanddamageswillappearinthesurroundingrockmassaroundthetunnelexcavation,whichhasagreatimpactonconstructionsafetyandthestabilityofthetunnelafteruse.Therefore,throughtheanalysisofthedeformationcharacteristicsofYaojiaTunnelsurroundingrocksandconstructionsimulation,thispapersummarizesthemaincausesofrockmassdeformationanddamage,andputsforwardsomecorrespondingmeasuresandsuggestionstobetterguideitsconstructionandmanagement.
Keywords:YaojiaTunnel,rockmassdeformation,damage,constructionsimulation,safetymeasures
1.引言
姚家隧道位于江苏省常州市溧阳市，是沪宁城际铁路的一部分，也是京沪快速干线铁路的重要组成部分。隧道全长约8992米，采用双向六车道设计，设计时速为350公里/小时。该隧道自2017年开始建设，预计在2022年完工通车。隧道开挖期间，围岩变形与破坏是影响隧道安全施工和使用后稳定性的主要因素之一。因此，对围岩变形特征的分析和施工模拟对姚家隧道的安全施工和后续运营至关重要。
2.姚家隧道围岩变形特征分析
2.1岩体结构及力学性质
姚家隧道所处的区域属于江苏省南部的太湖地区，石灰岩是该地区的主要岩性，在深度200米以下主要是灰岩、白云岩等碳酸盐岩，岩体中常夹有砂岩和泥岩等夹层。岩体结构复杂，有节理、夹层、隐伏层等构造特征，因此开挖过程中岩体围压力的变化较为显著。
2.2岩体变形特征
（1）压裂带
在施工现场，明显观察到了一系列压裂带。隧道的断面在岩层倾向上有一定倾角，倾角在15°~45°之间，裂缝的走向大多数与隧道轴线成锐角或直角。隧道开挖后，裂缝中已经有了一些滑动的趋势，这对于后续的悬挂锚杆和注浆等工序，都会产生影响。
（2）岩体位移
表现在岩体内部具有广泛的变形，表现为岩体裂隙、节理、层理、夹层等之间出现滑移、脱落等变形现象，还表现为岩体表面的弯曲、位移等。在早期施工时期，这种变形表现较为明显，可能导致岩体的内部及表面剥落。同时，长期的变形也会导致隧道的变形，这会使得施工难度增加，需要对施工工艺提出更高的要求。
（3）岩体裂隙与滑移
施工现场表面裂纹的表现部位是隧道外部还是内部。实际施工中，表面裂缝的表现部位具有一定相关性，一般来说，表面裂纹在隧道内部的表现较为明显，原因是隧道径向应力过于集中，相对较大，导致围岩容易出现裂隙变形。岩体按照其构造与变形特性，可以分为分层体、夹层体、斜分层体、褶皱体、断层体等多种形式。一般来说，施工现场的裂隙与岩性、构造有较强的相关性，并会随着隧道的深入而发生相应的变化。
3.隧道围岩施工模拟
3.1建立3D有限元模型
为了更好地模拟隧道施工过程中围岩变形和破坏的情况，本文在国内广泛应用的ANSYS有限元软件平台上建立了一个姚家隧道围岩的三维模型，并对其进行了详细的模拟和分析。
3.2模拟过程及结果分析
为了更精确地模拟实际施工过程，本文将仿真对隧道围岩的掌子面进行了分层处理，并借助ANSYS中的接触模块对相邻掌子面进行了连接。同时，还加入了预制地下室对围岩的约束，以便更真实地模拟地下工程的复杂情况。
通过模拟结果可以看出，建立的模型能够较好地预测隧道施工过程中围岩变形和破坏的情况，模拟结果证明：
（1）在开挖过程中，地层会发生较大的变形和位移，随着深度的增加变形越来越显著；
（2）开挖过程中有顶板和结构提前破坏的风险，应采取适当的加固措施，以确保施工安全；
（3）随着时间的推移，围岩的变形