不同工法下層狀軟巖小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性研究

袁健鄭偉趙興亞

(1.華東交通大學(xué)，江西南昌 330013; 2.中鐵二局第四工程有限公司，四川成都 610306)

·橋梁·隧道·

不同工法下層狀軟巖小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性研究

袁健1鄭偉1趙興亞2

(1.華東交通大學(xué)，江西南昌 330013; 2.中鐵二局第四工程有限公司，四川成都 610306)

以湖北某高速公路修建的層狀軟巖小凈距隧道為工程背景，利用FLAC3D軟件對層狀軟巖小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，主要考慮Ⅳ級圍巖、中巖墻厚度一定時(shí)，不同開挖方法對圍巖穩(wěn)定性的影響，并探討了層狀軟巖小凈距隧道開挖穩(wěn)定機(jī)制，分析了傾斜狀層狀軟巖小凈距隧道開挖后應(yīng)力場分布特征，研究結(jié)果可為類似工程施工提供參考。

層狀軟巖，小凈距隧道，穩(wěn)定性分析，應(yīng)力場

軟弱圍巖是指具有強(qiáng)度低、風(fēng)化嚴(yán)重、節(jié)理破碎、巖石流變作用明顯等特征的巖層的統(tǒng)稱。相關(guān)學(xué)者在軟巖小凈距隧道方面已做了不少探索和研究，相關(guān)的理論已很豐富。目前針對軟巖小凈距隧道的研究，有的是針對小凈距隧道的力學(xué)特性，有的是針對軟巖隧道的支護(hù)手段，有的是關(guān)注開挖工法的模擬，把軟巖和小凈距結(jié)合并考慮上覆巖層因素對隧道圍巖及復(fù)合襯砌力學(xué)效應(yīng)的影響的研究較少，尤其是不同開挖方式對隧道圍巖的變形、應(yīng)力狀態(tài)、錨桿軸力及復(fù)合襯砌力學(xué)效應(yīng)影響的研究更少。

本文以湖北某高速公路修建的層狀軟巖小凈距隧道某一隧段為研究對象，針對Ⅳ級圍巖條件下，中巖墻厚度一定時(shí)，對比CD法、CRD法、上下臺階法三種開挖方法，利用有限差分軟件FLAC3D對層狀軟巖小凈距隧道進(jìn)行開挖模擬，并對結(jié)果進(jìn)行處理。

1)通過數(shù)值模擬，得到三種開挖方法下，中巖墻厚度一定時(shí)，圍巖的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、拱頂最大位移、洞周位移及塑性區(qū)分布，比較三種開挖結(jié)果，尋找最優(yōu)化的開挖方法。2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，探討層狀軟巖小凈距隧道開挖穩(wěn)定機(jī)制，并分析傾斜狀層狀軟巖小凈距隧道開挖后的應(yīng)力場分布特征。

1 工程背景及概況

1.1 工程背景

該隧道為上、下行分離的四車道高速公路互通匝道小凈距隧道，隧道洞軸線走向方位角289°。隧道左洞起訖里程樁號為BZK0+687～BZK1+165，長478 m，最大埋深48 m;隧道右洞起訖里程樁號為BYK0+680～BYK1+150，長470 m，最大埋深51 m，隧道凈空10.5 m×5.0 m。

1.2 工程地質(zhì)概況

隧道BZK0+710～BZK0+760段為研究對象，隧道表面為粉質(zhì)粘土，以泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖為主，局部為泥巖，多為軟巖或極軟巖，巖性為泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖互層，灰?guī)r夾頁巖、頁巖夾灰?guī)r，局部泥巖、泥灰?guī)r、泥巖夾頁巖等組合形式交替出現(xiàn)，厚度一般為2 m～5 m，局部厚十幾米，其間的薄層泥灰?guī)r或頁巖，施工揭露顯示大部分已泥化。巖體結(jié)構(gòu)破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育。

2 建立模型

2.1 模型簡化

取建模時(shí)為計(jì)算方便，將巖層適當(dāng)簡化合并為若干層。考慮隧道開挖半徑對圍巖的影響，在寬度方向左右各取3倍洞徑以上，即分別在兩洞邊緣向外延伸50m，約束橫向位移，加上隧道本身跨度及中巖墻厚度，則寬度方向計(jì)算范圍取為150 m，底部邊界取隧道高度的3倍，以40 m計(jì)，約束豎向位移，上部邊界取至地表，上部邊界為自由邊界。模型尺寸約為150 m×30 m×90 m。

計(jì)算模型取隧道軸線方向?yàn)閅軸，水平面內(nèi)垂直隧道軸線方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閆軸。

2.2 邊界條件

模型所在區(qū)域地應(yīng)力僅以巖層自重考慮，計(jì)算模型的位移邊界和應(yīng)力邊界為:左右邊界(X=-75，X=75)及底部邊界(Z=-90)位移為零，速度為零，頂部邊界(Z=0)為自由邊界，前后邊界(Y=0，Y =30)約束水平位移和速度。

2.3 巖體力學(xué)參數(shù)

隧道所處圍巖主要為頁巖和泥質(zhì)灰?guī)r，數(shù)值計(jì)算中圍巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)由工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供，并對照公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范提供的各級圍巖物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值取值。

2.4 支護(hù)材料參數(shù)的確定

根據(jù)隧道施工設(shè)計(jì)圖紙，隧道采用復(fù)合式襯砌，圍巖力學(xué)模型采用FLAC3D中非線性Mohr-Coulomb彈塑性模型，初期支護(hù)和二次襯砌采用彈性模型模擬。隧道開挖后根據(jù)施工實(shí)際情況，立即進(jìn)行噴錨支護(hù)，數(shù)值計(jì)算中考慮錨桿與噴射混凝土的力學(xué)作用，沒有考慮二次襯砌的支護(hù)作用。圍巖采用實(shí)體單元模擬(四邊形節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格)。

3 結(jié)果分析

模擬隧道開挖時(shí)，分別模擬CD法、CRD法、三臺階法開挖方法施工，開挖順序與實(shí)際工法相同，具體根據(jù)實(shí)際情況先開挖右洞，待圍巖基本穩(wěn)定后再開挖左洞。每次掘進(jìn)3 m。計(jì)算采用摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)彈塑性材料模型。根據(jù)不同圍巖對應(yīng)的不同開挖方式，以及對應(yīng)的支護(hù)參數(shù)不同進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 左右洞室位移分析

三臺階法開挖拱頂豎向位移較CD和CRD法小約20%，但是拱底隆起相較于其他兩種方法明顯較大，且拱腰和拱腳處的位移也較大，比較可知，采用三臺階法進(jìn)行開挖時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)拱腰、拱腳和拱底處的支護(hù)，而采用CD和CRD法開挖時(shí)，著重注意的位置是拱頂處。

3.2 圍巖塑性區(qū)分析

因軟弱圍巖巖體較為破碎，強(qiáng)度低，三種工法均有較大剪切塑性區(qū)，且塑性區(qū)基本已貫通中巖墻區(qū)域，其余塑性區(qū)主要集中在拱腰和拱腳位置處。CD法和CRD法塑性區(qū)分布近似一致，三臺階法塑性區(qū)區(qū)域相對較大。這說明CD法和CRD法的支護(hù)效果要優(yōu)于三臺階法。針對軟巖隧道，施工過程中若采用此工法施工應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)，尤其對中巖墻的支護(hù)，以提高隧道圍巖的穩(wěn)定性，提高隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

3.3 圍巖應(yīng)力分析

由結(jié)果可知:同種工法左右洞相比較，拱頂最大壓應(yīng)力、拱腰最大壓應(yīng)力均比較接近，其中CRD法和CD法中，左右洞拱腰最大壓應(yīng)力均是拱頂最大壓應(yīng)力的2倍左右，三臺階法中，左右洞拱腰最大壓應(yīng)力均是拱頂最大壓應(yīng)力的30倍左右，這說明三種工法下，拱腰部位均是受擠壓力最嚴(yán)重的部位，在施工過程中要切實(shí)加強(qiáng)拱腰部位的支護(hù)，必要時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。

4 結(jié)語

通過對三種工法下塑性區(qū)、圍巖變形及圍巖應(yīng)力等方面的分析可知，在塑性區(qū)區(qū)域分布方面，CD法和CRD法比較相似，三臺階法開挖圍巖塑性區(qū)范圍最大;在圍巖變形方面，CD法略優(yōu)于CRD法，三臺階法最差;在應(yīng)力分析方面，CRD法和CD法拱頂最大壓應(yīng)力、拱腰最大壓應(yīng)力均比較接近，中巖墻最大壓應(yīng)力CD法略小，最大主應(yīng)力值CD法效果最好。

鑒于本文選取研究隧段圍巖埋深并不大，上覆層狀軟巖傾斜角度均較小，且上覆巖層層狀較多，巖體破碎，建模分析中適當(dāng)做了簡化處理，導(dǎo)致數(shù)值分析結(jié)果未能充分體現(xiàn)傾斜層狀軟巖對圍巖穩(wěn)定性的影響，但數(shù)值分析結(jié)果仍然可對相似類型隧道提供借鑒。因此，針對本文中所研究層狀軟巖小凈距隧道建議采用CD法或CRD法進(jìn)行開挖。

［1］ JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ JTJ 042—2004，公路隧道施工規(guī)范［S］.

［3］ 孫書偉，林 杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［4］ 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

Study on interbedded soft rock sm all-interval tunnel surrounding rock stability under various construction methods

Yuan Jian1Zheng W ei1Zhao Xingya2

(1．Huadong University of Traffic，Nanchang 330013，China; 2．China Railway 2nd Bureau 4th Engineering Co．，Ltd，Chengdu 610306，China)

Taking the interbedded soft rock small-interval tunnel engineering of the highway in Hubei as the engineering background，the paper carries outnumerical analysis of interbedded soft rock small-interval tunnel surrounding rock stability by applying FLAC3D software，considers the impact of various excavation methods upon surrounding rock stability with certainⅣ-level surrounding rock and middle-rock wall thickness，and explores the excavation stability mechanism of interbedded soft rock small-interval tunnel，and finally analyzes excavated stress field distribution features of inclined interbedded soft rock small-interval tunnel，which has provided some guidance for similar engineering construction.

interbedded soft rock，small-interval tunnel，stability analysis，stress field

U452.12

A

1009-6825(2015)29-0168-02

2015-08-08

袁 健(1989-)，男，在讀碩士