軟巖隧道開(kāi)挖方法對(duì)變形影響數(shù)值模擬研究

黃成林，羅學(xué)東，呂喬森，3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074;2.寶鋼集團(tuán) 新疆八一鋼鐵有限公司 礦山管理部，烏魯木齊 830022;3.新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開(kāi)發(fā)局，烏魯木齊 830000)

軟巖是一種特定環(huán)境下的具有顯著塑性變形的復(fù)雜力學(xué)介質(zhì)，其工程巖體力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為非線性大變形力學(xué)特性。根據(jù)軟巖的非線性大變形力學(xué)特性，不同的開(kāi)挖方式將會(huì)產(chǎn)生不同的圍巖變形結(jié)果［1-4］。采取合理的手段用于軟巖隧道開(kāi)挖并對(duì)變形影響進(jìn)行分析可以輔助指導(dǎo)施工，最大程度地避免施工事故發(fā)生。

有限差分法主要用于研究由巖土體及其它材料組成的結(jié)構(gòu)體，在達(dá)到屈服極限后的變形破壞行為，其代表性的程序FLAC3D在計(jì)算中使用了“混合離散化”技術(shù)，使用全過(guò)程動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程，采用“顯式”差分求解方法，在某種程度上克服了有限元和離散元不能統(tǒng)一的矛盾［5-7］。為研究不同開(kāi)挖方式對(duì)軟巖隧道變形的影響，以某高速公路隧道為工程背景，采用 FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，對(duì)圍巖在不同開(kāi)挖方式下的力學(xué)響應(yīng)行為進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模擬得到了全斷面開(kāi)挖、分步開(kāi)挖與預(yù)留核心土開(kāi)挖這三種開(kāi)挖方式下的隧道力學(xué)響應(yīng)行為，并以此進(jìn)行分析。

1 計(jì)算模型與模擬方案

1.1 研究對(duì)象

火車嶺隧道位于十堰至漫川關(guān)高速公路隧道K54+190—K55+960段，全長(zhǎng)約1 770 m，縱向坡度為2.0%，地形起伏較大。隧道沿線主要出露圍巖巖性為絹云母石英片巖、絹云鈉長(zhǎng)石英片巖等。結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，地層產(chǎn)狀多變，地表巖體風(fēng)化破碎，深部巖體整體性良好，硬度中等。隧址區(qū)內(nèi)地下水水量不豐富。

1.2 計(jì)算模型

數(shù)值模擬分析的結(jié)果是否符合實(shí)際以及可信度的大小取決于對(duì)地質(zhì)原型的正確抽象，地質(zhì)模型是計(jì)算模型的基礎(chǔ)，對(duì)工程地質(zhì)條件的深入認(rèn)識(shí)與抽象是建立合理的地質(zhì)模型的重要前提。該隧道右線出口60 m埋深左右洞段，圍巖為強(qiáng)～弱風(fēng)化絹云母石英片巖，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，產(chǎn)狀雜亂，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。盡管從局部看各向異性明顯，但是在埋深不大的條件下，從整體來(lái)看，巖性和力學(xué)性能比較均一，因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本次模擬以單一地層來(lái)建模。

為保證計(jì)算的可靠性，消除邊界效應(yīng)的影響，本模型的邊界范圍取為隧道有效高(寬)度的3倍左右(初期支護(hù)前，隧道凈高7.0 m，跨度12.0 m)。為模擬分析施工對(duì)隧道圍巖體時(shí)間及空間方面的影響，模型縱深方向長(zhǎng)度取為50 m。

依照上述分析，建立隧道三維模型。共有114 240個(gè)單元，117 828個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中豎直向上為 Z軸正向，水平向右為 X軸正向，隧道軸向指向背面為 Y軸正向。

1.3 材料模型與邊界條件

在模擬分析隧道圍巖體物理力學(xué)響應(yīng)時(shí)，隧道圍巖體材料選用Mohr-Coulomb塑性材料模型。依據(jù)隧道區(qū)巖體力學(xué)試驗(yàn)成果，同時(shí)結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，對(duì)強(qiáng)～弱風(fēng)化絹云母石英片巖巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了綜合取值，如表1所示。

表1 隧道圍巖體計(jì)算參數(shù)

按上述參數(shù)對(duì)模型賦值后，可計(jì)算出原巖應(yīng)力場(chǎng)在Z方向的應(yīng)力分布等值線云圖如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，開(kāi)挖前應(yīng)力場(chǎng)均為壓應(yīng)力，隧道埋深位置應(yīng)力接近2 MPa，與現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)壓力盒讀數(shù)基本一致，說(shuō)明模型建立和參數(shù)選擇比較合理。

圖1 開(kāi)挖前Z方向應(yīng)力分布等值線云圖(單位:MPa)

1.4 模擬方案

1)全斷面開(kāi)挖的模擬過(guò)程

全斷面開(kāi)挖10 m(開(kāi)挖部分包括分步開(kāi)挖中的上下臺(tái)階，不包括仰拱)→考慮施工實(shí)際情況，給予大約1 d的時(shí)步控制后，進(jìn)行已挖10 m的初期支護(hù)(包括底板)→繼續(xù)全斷面開(kāi)挖10 m，開(kāi)挖長(zhǎng)度達(dá)到20 m→給予大約1 d的時(shí)步控制后，進(jìn)行第二個(gè)10 m的初期支護(hù)(包括底板)→按上述步驟再完成10 m的開(kāi)挖和支護(hù)，使長(zhǎng)度共達(dá)到30 m。

2)分步開(kāi)挖的模擬過(guò)程

上臺(tái)階開(kāi)挖10 m→大約1 d時(shí)間的時(shí)步控制后，進(jìn)行上臺(tái)階已挖10 m的初期支護(hù)→上臺(tái)階繼續(xù)向前開(kāi)挖10 m，同時(shí)下臺(tái)階開(kāi)挖第一個(gè)10 m→大約1 d時(shí)間的時(shí)步控制后，進(jìn)行前一步驟開(kāi)挖部分的初期支護(hù)→上臺(tái)階向前開(kāi)挖第三個(gè)10 m，同時(shí)下臺(tái)階開(kāi)挖第二個(gè)10 m，仰拱開(kāi)挖第一個(gè)10 m→大約1 d時(shí)間的時(shí)步控制后，進(jìn)行前一步驟開(kāi)挖部分的初期支護(hù)。最終，上臺(tái)階共開(kāi)挖30 m，下臺(tái)階共開(kāi)挖20 m，仰拱開(kāi)挖10 m，并全部完成初期支護(hù)。

3)預(yù)留核心土開(kāi)挖的模擬過(guò)程

上臺(tái)階開(kāi)挖10 m，時(shí)步控制后進(jìn)行初期支護(hù)→上臺(tái)階開(kāi)挖10 m，掌子面處留2 m×2 m×2 m核心土，時(shí)步控制后進(jìn)行初期支護(hù)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 全斷面開(kāi)挖模擬分析

全斷面開(kāi)挖的模擬結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 全斷面開(kāi)挖Z方向位移等值線云圖(單位:m)

圖3 全斷面開(kāi)挖X方向位移等值線云圖(單位:m)

圖4 全斷面開(kāi)挖位移矢量云圖

圖5 全斷面開(kāi)挖塑性區(qū)分布云圖

由模擬結(jié)果可見(jiàn)，Z方向最大位移約28 cm，發(fā)生在洞口附近正上部，同時(shí)在隧道底板有10～13 cm的底鼓;X方向最大位移約23 cm，位置在洞口附近靠近底板的位置，這是因?yàn)槟M中初期支護(hù)未加鎖腳錨桿，因此該處破壞最大也是與實(shí)際相符的。從圖5可以看出，隧道開(kāi)挖后圍巖位移變化趨勢(shì)，大致上為洞頂下沉，兩側(cè)收斂，底部上鼓;在洞口兩側(cè)斜上方、掌子面附近及底板下方個(gè)別位置發(fā)生了剪切破壞，拉伸破壞極少出現(xiàn)，只在底板下方少量可見(jiàn)。

2.2 分步開(kāi)挖模擬分析

分步開(kāi)挖的模擬結(jié)果如圖6～圖9所示。

與全斷面開(kāi)挖模擬結(jié)果對(duì)比可知，分步開(kāi)挖后，塑性區(qū)明顯減少，只是在上下臺(tái)階掌子面附近發(fā)生部分剪切破壞，以及洞口兩側(cè)靠近底板附近有少量剪切破壞(如圖9所示);Z方向最大位移約20 cm，但位置不在洞口附近，而是在仰拱未封閉的已開(kāi)挖上下臺(tái)階上部，在全斷面開(kāi)挖中變形最大(達(dá)28 cm)的洞口上部相同位置，分步開(kāi)挖向下變形量只有10 cm左右，已經(jīng)大大降低，同時(shí)底鼓最大部位發(fā)生在上臺(tái)階部分，約17 cm，仰拱部位的底鼓只有2～5 cm;X方向最大位移只有4～5 cm，發(fā)生在洞口段邊墻處。全斷面開(kāi)挖與分步開(kāi)挖變形量對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖6 分步開(kāi)挖Z方向位移等值線云圖(單位:m)

圖7 分步開(kāi)挖X方向位移等值線云圖(單位:m)

圖8 分步開(kāi)挖位移矢量云圖

圖9 分步開(kāi)挖塑性區(qū)分布云圖

表2 全斷面開(kāi)挖與分步開(kāi)挖變形量對(duì)比

根據(jù)模擬結(jié)果，無(wú)論是全斷面開(kāi)挖還是分步開(kāi)挖，掌子面上均發(fā)生較大的Y方向變形，其中全斷面開(kāi)挖時(shí)掌子面Y向(即隧道軸向)向洞口方向變形達(dá)40 cm，而分步開(kāi)挖時(shí)上臺(tái)階掌子面在相同方向也發(fā)生了約20 cm的位移，如果不采取特殊的施工工藝，勢(shì)必導(dǎo)致掌子面的變形與垮塌。

2.3 預(yù)留核心土開(kāi)挖模擬分析

預(yù)留核心土開(kāi)挖模擬的目的是，為了得出掌子面Y向變形情況采用該方法施工，隧道軸向變形能否得到有效的控制。由于所留核心土遮擋了掌子面部分情況，可以采取截取掌子面剖面的方法，觀察其在Y向的位移，為了更清楚對(duì)比二者的區(qū)別，均截取了掌子面剖面上的Y向位移并繪出等值線云圖。模擬結(jié)果見(jiàn)圖 10、圖 11。

對(duì)比圖10、圖11可以看出，不留核心土?xí)r，上臺(tái)階掌子面區(qū)域變形較大部分呈扇形分布，且占據(jù)掌子面絕大部分(超過(guò)2/3)，其軸向變形超過(guò)25 cm;預(yù)留核心土施工后，變形較大部分急劇較少，呈極窄的弧線狀分布，而且變形量也減少，約20 cm，其它絕大部分變形在約10 cm。另外，從圖11也可看出，所留核心土部分Y向變形也不大，約10 cm?？梢?jiàn)，預(yù)留核心土開(kāi)挖對(duì)于抑制掌子面變形和垮塌的作用非常明顯，實(shí)際施工過(guò)程中還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)核心土的大小進(jìn)行調(diào)整，以滿足施工要求。

圖10 不留核心土掌子面上Y向位移等值線云圖(單位:m)

3 結(jié)論

圖11 預(yù)留核心土掌子面上Y向位移等值線云圖(單位:m)

1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，應(yīng)用全斷面開(kāi)挖方式后，火車嶺隧道圍巖的變形大致表現(xiàn)為洞頂下沉，兩側(cè)收斂，底部上鼓;采用分步開(kāi)挖方式可以減少圍巖塑性區(qū)，洞口兩側(cè)靠近底板附近有少量剪切破壞，X，Z方向位移得到抑制，但在仰拱未封閉的已開(kāi)挖上下臺(tái)階上部的Z方向位移仍呈現(xiàn)較大值。但是無(wú)論哪種方法，均無(wú)法抑制掌子面上圍巖Y方向位移。

2)預(yù)留核心土開(kāi)挖方式對(duì)于抑制掌子面變形和垮塌效果明顯。預(yù)留2 m的核心土即可使上臺(tái)階掌子面的扇形分布變形區(qū)域縮小為極窄的弧線狀，較分步開(kāi)挖方式，Y方向位移減小至1/2。

3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，預(yù)留核心土開(kāi)挖方式可以有效地抑制圍巖在X，Y，Z方向位移，減小塑性變形區(qū)范圍，優(yōu)于全斷面開(kāi)挖與分步開(kāi)挖。實(shí)際施工過(guò)程中，還可以對(duì)核心土部分的大小進(jìn)行調(diào)整，以滿足安全施工的需要。

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