高含水率黃土隧道開(kāi)挖方法對(duì)變形影響數(shù)值模擬研究

方國(guó)清

（陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710032）

圖1 計(jì)算模型

圖2 噴射混凝土與錨桿網(wǎng)格劃分圖

黃土是一種具有特殊性質(zhì)的土體，力學(xué)指標(biāo)隨著土體含水量的變化而變化，在實(shí)際施工過(guò)程中面臨的問(wèn)題也較為復(fù)雜。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在黃土隧道施工方面做了大量的工作，研究表明理論分析和現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)并舉成為保證黃土隧道施工安全性的有效措施，通過(guò)對(duì)圍巖與支護(hù)形式的監(jiān)測(cè)，對(duì)合理確定初次支護(hù)和二次襯砌施工時(shí)機(jī)提供依據(jù)，同時(shí)把理論分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)制定出切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理的施工方案，為下一步的施工工序提供參考依據(jù)，這樣不僅保證了施工安全、可靠，同時(shí)提高施工速度與質(zhì)量，還可以節(jié)省成本。本文以臨縣隧道為工程依托，結(jié)合MIDAS/GTS數(shù)值，模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，對(duì)黃土隧道施工方法進(jìn)行研究，得出了一些對(duì)該地質(zhì)條件下隧道施工行之有效的結(jié)論。

1 工程概況

山西太佳高速臨縣隧道左線2223m，右線2226m。隧道進(jìn)口工程位于凌井小盆地的地表黃土沖刷溝壑淺埋地段中，洞口淺埋Ⅴ級(jí)圍巖地段設(shè)計(jì)埋深在13m～38m之間，跨度約為15m，高度約為9m。該段隧道黃土具有壓縮性高、強(qiáng)度低、明顯濕軟等特性。這些特性使其與完全飽和黃土的性質(zhì)接近，但又有本質(zhì)的不同。有學(xué)者稱(chēng)之為濕黃土、濕軟黃土。由于該類(lèi)黃土具有濕陷性、結(jié)構(gòu)性、濕軟性等特點(diǎn)，以上名稱(chēng)皆不能完全反映此類(lèi)黃土的性質(zhì)。因此對(duì)此類(lèi)黃土隧道的施工技術(shù)方法進(jìn)行研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 計(jì)算模型與模擬方案

2.1 模型建立

為全面考慮隧道開(kāi)挖影響的范圍，模型尺寸選取為長(zhǎng)×寬×高=105m×10m×62m的黃土隧道。有限元模型地表面不加約束為自由面，模型四周采用法向變形約束條件，而底部則采用全約束條件，這樣就與工程實(shí)際情況相吻合。有限元計(jì)算中土體為摩爾-庫(kù)侖材料，初支采用C30噴射混凝土，厚度為25cm，錨桿直徑25mm，長(zhǎng)度3.5m，總數(shù)32根。初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮土體自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮地層的地層構(gòu)造應(yīng)力。整個(gè)模型共個(gè)3638節(jié)點(diǎn)，共12186單元。地層采用實(shí)體單元，噴混采用板單元，錨桿采用植入式桁架，各模型網(wǎng)格劃分詳見(jiàn)圖1、圖2、圖5、圖6、圖 9、圖 10。

2.2 材料參數(shù)選取

根據(jù)勘察報(bào)告及課題組對(duì)各試驗(yàn)段的補(bǔ)充勘察，選取的材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 模擬方案

隧道開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺1m，總共10個(gè)循環(huán)，巖體按均質(zhì)考慮。為了研究相同埋深（30m）、不同工況（弧形導(dǎo)坑法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，CD法）開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程結(jié)束后圍巖的變形規(guī)律。計(jì)算提取了地表變形、拱頂沉降、周邊收斂等數(shù)據(jù)，并通過(guò)分析對(duì)3種方法進(jìn)行比較，確定最優(yōu)工序，而觀測(cè)截面選在開(kāi)挖第一循環(huán)截面。

2.3.1 弧形導(dǎo)坑法施工數(shù)值模擬分析

（1） 隧道計(jì)算模型

（2） 隧道開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后圍巖位移場(chǎng)分析

通過(guò)模擬分析，圍巖豎向位移和橫向位移有以下規(guī)律：豎向最大豎向位移發(fā)生在拱頂，整個(gè)變形趨勢(shì)為漏斗狀，拱頂?shù)淖畲笪灰茷?0.80cm，地表沉降6.08cm。橫向位移的最大值發(fā)生在邊墻上，周邊收斂的最大值為11.41cm，圍巖豎向位移、橫向位移如圖3、4所示。

圖3 圍巖豎向變形曲線云圖

圖4 圍巖橫向變形曲線云圖

圖5 計(jì)算模型

圖6 噴射混凝土與錨桿網(wǎng)格劃分圖

2.3.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工數(shù)值模擬分析

（1） 隧道計(jì)算模型

（2） 隧道開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后圍巖位移場(chǎng)分析

通過(guò)模擬分析，圍巖豎向位移存在以下規(guī)律：各導(dǎo)坑上部，下部都出現(xiàn)位移集中現(xiàn)象，拱頂最大位移為5.09cm，地表沉降最大值3.53cm，圍巖豎向變形如圖7所示。圍巖橫向變形有以下規(guī)律：整個(gè)變形不對(duì)稱(chēng)，先開(kāi)挖的左導(dǎo)坑橫向變形小，而后開(kāi)挖的右導(dǎo)坑變形較大，而且右邊墻應(yīng)力集中現(xiàn)象比左邊墻嚴(yán)重，周邊收斂的最大值為6.71cm，圍巖橫向變形如圖8所示。

2.3.3 CD法施工數(shù)值模擬分析

（1） 隧道計(jì)算模型

（2） 隧道開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后圍巖位移場(chǎng)分析

通過(guò)模擬分析，圍巖豎向變形有以下規(guī)律：左導(dǎo)坑、右導(dǎo)坑拱頂與拱底都出現(xiàn)位移集中，后開(kāi)挖的右導(dǎo)坑，位移集中區(qū)域較大，拱頂沉降最大值為8.26cm，地表沉降最大值為4.65cm，圍巖豎向變形如圖11所示。圍巖橫向變形在以下規(guī)律：整個(gè)橫向變形不對(duì)稱(chēng)，后開(kāi)挖的右導(dǎo)坑邊墻位移集中區(qū)域較大，引起地表沉降較大，周邊收斂最大值為8.72cm，圍巖橫向變形如圖12所示。

3 模擬結(jié)果對(duì)比

（1）雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法由于開(kāi)挖的范圍小，拱頂下沉最大值為5.09cm，地表沉降最大值為3.53cm，周邊收斂最大值為6.71cm；CD法施工開(kāi)挖范圍大，拱頂下沉最大值為8.26cm，周邊收斂最大值為8.72cm；弧形導(dǎo)坑法施工開(kāi)挖面積較大，拱頂下沉最大值為10.80cm，地表下沉最大值為6.08cm，周邊收斂的最大值為11.41cm。比較圍巖的最大變形位移，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工圍巖變形量最小，而弧形導(dǎo)坑法與CD法施工變形較大。

（2）從圖3、圖7、圖11可以看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法豎向位移比其它兩種施工方法豎向位移位移集中區(qū)域小，而且變形大的區(qū)域比其它兩種方法小。從圖4、圖8、圖12可以看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法引起橫向位移與豎向位移規(guī)律相似，變形大的區(qū)域比其它兩種方法小。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)上面數(shù)值分析，確定該隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。為了進(jìn)一步論證數(shù)值模擬的可靠性，在隧道施工期間，對(duì)周邊圍巖的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括拱頂下沉以及隧道水平收斂。監(jiān)測(cè)方案如圖13所示。

4.2 隧道周邊圍巖變形分析

圖7 圍巖豎向變形云圖

圖8 圍巖橫向變形云圖

圖9 計(jì)算模型

圖10 噴射混凝土與錨桿網(wǎng)格劃分圖

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

（1）從圖14，圖15可以看出隧道拱頂下沉量與隧道收斂量隨著施工掘進(jìn)長(zhǎng)度先增長(zhǎng)而后逐級(jí)趨于穩(wěn)定，但不是絕對(duì)的穩(wěn)定，穩(wěn)定中還有一定的波動(dòng)，這是受到黃土本身的特性影響。

（2）隧道水平收斂主要發(fā)生在開(kāi)挖初期，從數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，在選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，應(yīng)該盡快實(shí)施初次支護(hù)，以保證隧道的穩(wěn)定性，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整支護(hù)剛度，盡量選用鋼格柵或鋼拱架等能迅速及時(shí)提供隧道支撐。

（3）隧道周邊圍巖的變形與分部開(kāi)挖的順序以及施工擾動(dòng)有相當(dāng)大的關(guān)系，這樣才造成不同部位開(kāi)挖，圍巖變形的突變，根據(jù)以上分析得出應(yīng)在實(shí)際施工中及時(shí)完成支護(hù)并形成整體受力結(jié)構(gòu)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)臨縣隧道施工方法的系統(tǒng)分析，研究了不同工法條件下隧道圍巖變形的相關(guān)規(guī)律，得出如下結(jié)論：

圖11 圍巖豎向變形云圖

圖12 圍巖橫向變形云圖

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖14 豎向位移變化曲線圖

圖15 水平收斂變化曲線圖

（1）臨縣隧道選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，及時(shí)實(shí)施初次支護(hù)，很好地保護(hù)圍巖，穩(wěn)定隧道的變形。因此，建議類(lèi)似黃土隧道選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

（2）對(duì)比數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)偏大，說(shuō)明實(shí)際施工中影響圍巖變形的因素較多，進(jìn)一步說(shuō)明巖土工程的復(fù)雜性。

（3）黃土隧道施工中應(yīng)盡量堅(jiān)持?jǐn)?shù)值計(jì)算分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，確定合理的開(kāi)挖方法，使隧道施工更加安全，更加經(jīng)濟(jì)可靠。

[1]劉祖典，黃土力學(xué)與工程[M].西安：陜西科技出版社，1996.

[2]高文學(xué)，孫文龍，周文旭，付 萍，鄧洪亮，張洋洋.淺埋偏壓隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)分析[J].施工技術(shù)，2011，40（03）：48-50.

[3]郭健，王起才，唐述林， 趙 侃.淺埋暗挖黃土隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬分析[J].隧道建筑，2010（08）：81-83.

[4]郭健，王起才，唐述林， 趙 侃.超大斷面黃土隧道 CRD 法開(kāi)挖的三維有限元分析[J].隧道建筑，2010（05）：31-33.

[5]朱澤兵，張東明，淺埋、富水、軟弱黃土地段隧道施工技術(shù)[J].地下空間，2001，21（02）134-137.

[6]朱贊成，華 淵，連俊英，周太全，宋衛(wèi)東.軟巖隧道變形數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)研究[J]，鐵道建筑，2004.11.34-36.

[7]霍潤(rùn)科，于振振，岳齊賢，隧道臺(tái)階法施工的數(shù)值模擬與分析[J]， 水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011，9（01）6-9.

[8]劉濤，沈明，高偉君，談杜勇.連拱隧道圍巖壓力的釋放分析[J]，地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3（01）50-54.

[9]楊小永，伍法權(quán)，蘇生端.穿越古滑坡的淺埋偏壓連拱隧道動(dòng)態(tài)施工響應(yīng)規(guī)律[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14（03）：314-319.

[10]劉文彬，劉保國(guó)，王偉峰.雙連拱隧道偏壓段管棚效應(yīng)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（增2）.