軟弱圍巖隧道CD法和臺階法施工力學行為分析

賈曉旭，趙玉成

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊　050043；2.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，石家莊　050043)

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軟弱圍巖隧道CD法和臺階法施工力學行為分析

賈曉旭1，2，趙玉成1，2

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊050043；2.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，石家莊050043)

摘要：為分析軟弱圍巖隧道在不同開挖方法過程中穩(wěn)定性以及拱頂沉降變化規(guī)律，以某隧道工程實例為背景，借助有限差分軟件FLAC3D數(shù)值模擬并和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，研究軟弱圍巖隧道在CD法和臺階法兩種不同開挖方法施工過程中圍巖變形、應力變化和圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律。實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬計算結(jié)果均表明，采用CD法開挖斷面關(guān)鍵點位移和應力明顯小于臺階法，隨開挖步影響范圍也比臺階法要小。總之CD法較臺階法能更好控制圍巖變形和應力發(fā)展，塑性區(qū)分布范圍也明顯小于臺階法。

關(guān)鍵詞：隧道；軟弱圍巖； CD法；臺階法；FLAC3D

隨著隧道修建技術(shù)的進步，隧道的修建向著長、大、深方向發(fā)展。長隧道的修建不可避免會穿越軟弱圍巖，軟弱圍巖是隧道工程施工中最為常見的不良地質(zhì)，也是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的重要因素[1-6]。通常情況下軟弱圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，當受到爆破、開挖等外力影響，軟弱圍巖的穩(wěn)定性將會被破壞，出現(xiàn)塌方、冒頂?shù)仁鹿蔥7-9]。因此，軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性的研究對隧道工程的開挖具有重要意義。目前，國內(nèi)外對軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性研究已很多[10-12]，但是比較不同開挖方式對軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性影響還較少。因此，圍繞軟弱圍巖隧道不同開挖方式圍巖穩(wěn)定性規(guī)律的研究具有重要現(xiàn)實意義。

1工程概況

雁口山隧道位于青海省玉樹州稱多縣歇武鎮(zhèn)東北方向約10 km處，全長4 032 m。隧址區(qū)屬冰緣水流構(gòu)造侵蝕中山地貌，山體平均海拔高度大都在4 000 m以上。地層巖性上覆第四系全新統(tǒng)坡積層、洪積層，下伏中生界上三疊統(tǒng)巴顏克拉山群灰黑色頁巖和砂巖互層。地下水主要為第四紀松散巖孔隙水和基巖裂隙水。隧道K748+660處存在F1斷層，斷層走向NE66°，傾角70°～80°，走滑層，在K748+660與線路小角度相交，破碎帶寬近100 m，巖石破碎成碎石狀，圍巖穩(wěn)定性較差。

2不同開挖法數(shù)值模擬

2.1模型尺寸及參數(shù)選取

根據(jù)工程實際情況，隧道斷面凈高為10.5 m，最大跨度處寬度為12.06 m。隧道拱頂距地表29 m，隧道仰拱底部距模型下端取3倍跨度36 m，模型左右兩邊寬度各取3倍跨度36 m，沿隧道掘進方向取35 m，中間包括5 m斷層帶。兩種開挖方式均取模型尺寸為X×Y×Z=84 m×35 m×75 m，確保兩種工法對比的客觀性，模型圖如圖1所示。模型上邊界為自由，下邊界約束豎向位移，左右邊界約束水平向位移。

圖1　計算模型

隧道圍巖和開挖部分用實體單元模擬，鋼拱架采用抗壓剛度等效原則，將鋼拱架彈性模量折算到初期支護上[13]。初期支護采用殼單元，二次襯砌作為長期安全儲備，計算時不予考慮[14]。錨桿加固作用通過提高加固圈黏聚力和摩擦角來模擬[15]。圍巖假設(shè)為理想彈塑性材料，采用Druck-Prager屈服準則。計算參數(shù)如表1所示。

表1　圍巖及襯砌力學參數(shù)

2.2施工過程數(shù)值模擬

運用有限差分軟件FLAC3D進行施工過程的模擬，每一計算步模擬一個施工步，每一計算步施工1 m。CD法共有66個計算步，第1步計算初始地應力，第2～6步，CD1開挖面開挖5 m，第7～11步，CD1和CD2同步開挖，CD1 比CD2超前5 m，第12～16步，CD1、CD2和CD3同步開挖，CD2比CD3超前5 m，依次類推，前一開挖面超前后開挖面5 m，最后開挖中隔壁。臺階法共有48個計算步，第1步計算初始地應力，第2～6步，上臺階開挖5 m，第7～11步，上臺階和下臺階同步開挖，下臺階比仰拱超前5 m，依次類推開挖完畢。CD法和臺階法斷面見圖2、圖3。

圖2　CD法斷面

圖3　臺階法斷面

2.3計算結(jié)果分析2.3.1位移分析

隧道貫通后軟弱圍巖關(guān)鍵點位移值如表2所示，CD法由于先開挖左側(cè)土體，左側(cè)拱底較右側(cè)上臺階更早釋放土壓力，所以拱底隆起大于拱頂沉降。臺階法上臺階全部開挖，拱頂土壓力一次性釋放，仰拱滯后開挖，所以臺階法最大位移值發(fā)生在拱頂沉降。CD法相比臺階法拱頂沉降量減少24.4%，拱肩豎向位移減少21.1%，最大跨度處水平收斂減少35.3%，拱腳豎向位移減少10.8%，拱底隆起減少10.5%。CD法相比臺階法對圍巖控制效果更好。實際工程中K748+660～K748+710段采用CD法開挖，K748+685斷面為CD法開挖監(jiān)測斷面。K748+710～K748+760段采用臺階法開挖，K748+735斷面為臺階法開挖監(jiān)測斷面。兩斷面關(guān)鍵點監(jiān)測位移如表3所示。實際監(jiān)測位移也顯示CD法各點位移值小于臺階法，佐證了CD法較臺階法對圍巖控制效果更好。但實測位移均大于計算位移，主要原因是數(shù)值模擬的支護是瞬時起作用的，而實際施工過程中的支護施作要相對滯后一些，并且支護也需要凝結(jié)時間才有一定強度，因此實測位移會大于計算位移。

表2　圍巖關(guān)鍵點計算位移　mm

CD法開挖過程中拱頂隨開挖步累計沉降量如圖4所示，12開挖步時CD1開挖面距觀測斷面5 m，開始影響拱頂沉降。12～32開挖步，拱頂沉降速率穩(wěn)定，沉降量近似線性增大。32開挖步時CD4開挖面到達觀測斷面，拱頂沉降速率突然增大，隨著CD4開挖面距觀測斷面距離的增大，沉降速率逐漸減小，沉降量趨于平緩。47開挖步時中隔壁到達觀測斷面，沉降速率再次增大，最終沉降趨于穩(wěn)定，最大累計沉降量為12.46 mm。

圖4　CD法拱頂累計沉降隨開挖步變化曲線

臺階法開挖過程中拱頂隨開挖步累計沉降量如圖5所示，6開挖步時上臺階開挖面距觀測斷面11 m，開始影響拱頂沉降。12開挖步時上臺階開挖面距觀測斷面5 m，拱頂沉降速率突然增大，每一開挖步沉降量增大約1 mm。隨著上臺階開挖面離開觀測斷面的距離逐步增大，拱頂沉降速率逐漸減小。22開挖步時下臺階開挖面到達觀測斷面，拱頂沉降速率再次增大，隨著下臺階開挖面離開觀測斷面的距離逐步增大，拱頂沉降速率逐漸減小。27開挖步時仰拱開挖面到達觀測斷面，拱頂沉降速率出現(xiàn)小幅增加，但隨著仰拱開挖面離開觀測斷面的距離逐步增大，拱頂沉降量很快趨于穩(wěn)定，最大累計沉降量為16.48 mm。

圖5　臺階法拱頂累計沉降隨開挖步變化曲線

CD法相對于臺階法開挖工作面小，圍巖土體卸荷小，所以開挖面對拱頂沉降開始影響的距離：CD法為5 m，臺階法為11 m，CD法對拱頂沉降控制效果更好。CD法各個工作面封閉成環(huán)時間短，盡早給圍巖提供支護作用，拱頂最終累計沉降量為12.46 mm，小于臺階法的16.48 mm。

2.3.2應力分析

隧道貫通后初期支護關(guān)鍵點最大、最小主應力值如表4所示(拉為正，壓為負)。CD法和臺階法拱頂拉應力均比其他關(guān)鍵點拉應力大，拱肩次之，拱腳最大主應力為負值，即拱腳全部承受壓應力。CD法和臺階法最大跨度處壓應力比其他關(guān)鍵點壓應力都大，拱頂壓應力僅次于最大跨度處。CD法最小壓應力位于拱底，臺階法最小壓應力位于拱腳。CD法各關(guān)鍵點拉應力、壓應力都小于臺階法。CD法和臺階法各關(guān)鍵點實際監(jiān)測應力如表5所示，監(jiān)測應力CD法均小于臺階法，表明實際工程中CD法比臺階法對圍巖控制效果更好。

表4　初支關(guān)鍵點計算應力　MPa

表5　初支關(guān)鍵點監(jiān)測壓應力　MPa

CD法拱頂應力隨開挖步變化曲線如圖6所示。CD法開挖到32步之前時，CD1、CD2和CD3都已經(jīng)通過觀測斷面，但拉應力和壓應力一直都較穩(wěn)定，拉應力約為0.03 MPa，壓應力保持在0.2 MPa左右。說明左側(cè)土體開挖沒有引起拱頂應力。32開挖步時，CD4開挖面到達觀測斷面，拉、壓應力增長速率變大。到37開挖步時，CD4開挖面距觀測斷面5 m，隨著CD4開挖面遠離觀測斷面，壓應力增長速率逐漸減小。47開挖步時中隔壁到達觀測斷面，拉應力不再隨開挖面距離增大而增大，拉應力保持穩(wěn)定，最大拉應力為2 MPa。壓應力有微小的突增，47開挖步之后壓應力趨于穩(wěn)定，最大壓應力為2.09 MPa。

圖6　CD法拱頂應力隨開挖步變化曲線

臺階法拱頂應力隨開挖步變化曲線如圖7所示。臺階法開挖相對CD法對拱頂應力的影響就要早些。10開挖步時上臺階開挖面距觀測斷面7 m，壓應力開始有明顯突增。隨著開挖步的推進，壓應力接近直線增長。到37開挖步時，下臺階開挖面離開觀測斷面10 m，壓應力開始趨于穩(wěn)定，最大壓應力為2.49 MPa。拉應力相比壓應力受開挖步影響較晚，20開挖步時中臺階距離觀測斷面2 m，拉應力開始明顯增大。隨著中、下臺階開挖面離開觀測斷面，30開挖步時拉應力逐漸穩(wěn)定，最大值為2.04 MPa。

圖7　臺階法拱頂應力隨開挖步變化曲線

CD法拉、壓應力受開挖面影響距離都小于臺階法。CD法在30開挖步時拉、壓應力才開始明顯增大，臺階法壓應力在10開挖步時明顯增大，拉應力20開挖步時開始增大。CD法最大拉、壓應力分別為2 MPa、2.09 MPa，均小于臺階法的2.04 MPa和2.49 MPa。所以CD法相對臺階法能更有效控制拱頂應力。

2.3.3塑性區(qū)分布

CD法開挖工作面小，且各工作面封閉成環(huán)時間短，各工作面支護有效限制了塑性區(qū)發(fā)展，塑性區(qū)范圍大幅減小。圍巖1.5 m范圍內(nèi)均為塑性區(qū)，由于CD1工作面先開挖產(chǎn)生卸荷作用，拱肩塑性區(qū)范圍明顯偏大。拱腳應力集中范圍大，塑性區(qū)寬3 m，深6 m。塑性區(qū)分布見圖8。

圖8　CD法塑性區(qū)分布

臺階法先開挖上臺階土體產(chǎn)生卸荷作用，拱肩塑性區(qū)寬4 m，塑性區(qū)深5 m，最深部位達6 m。下臺階滯后開挖，最大跨度處塑性區(qū)變小，深3 m。拱腳塑性區(qū)寬2～4 m，深6 m。塑性區(qū)分布見圖9。

圖9　臺階法塑性區(qū)分布

CD法由于分多個工作面開挖，各工作面開挖面積小，且封閉成環(huán)時間短，土體卸荷作用小，支護盡早提供支撐，有效限制了圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，塑性區(qū)范圍明顯小于臺階法。

3結(jié)論

(1)隧道穿越軟弱圍巖會對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，不同開挖方式對軟弱圍巖的變形、初支應力和塑性區(qū)范圍等影響程度不同。

(2)根據(jù)軟弱圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)展，CD法圍巖變形量小于臺階法，兩種開挖方法塑性區(qū)破壞形式相同，但CD法塑性區(qū)大小小于臺階法，CD法對斷層的穩(wěn)定性控制要優(yōu)于臺階法。

(3)借助有限差分軟件FLAC3D對隧道開挖過程進行數(shù)值模擬計算?？偨Y(jié)了隨著隧道開挖，拱頂沉降變化規(guī)律、拱頂應力變化規(guī)律和塑性區(qū)分布規(guī)律。對類似軟弱圍巖隧道利用該分析結(jié)果可以預測圍巖變形趨勢，根據(jù)塑性區(qū)分布可以在應力集中部位加強支護設(shè)計，在保證安全的前提下減少經(jīng)濟成本，靈活運用兩種開挖方法，安全快速開挖隧道。同時現(xiàn)場監(jiān)測儀器無法準確得到未開挖圍巖應力位移變化數(shù)據(jù)，不能和模擬數(shù)據(jù)得出完整規(guī)律，這方面仍有待研究。

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收稿日期：2015-12-08； 修回日期：2015-12-15

作者簡介：賈曉旭(1991—)，男，碩士研究生，E-mail：1527727059@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0121-04

中圖分類號：U451

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.028

Analysis of Mechanical Behavior of Tunneling in Weak Surrounding Rock by CD Method and Benching Method

JIA Xiao-xu1，2， ZHAO Yu-cheng1，2

(1.School of Civil Engineering， ShiJiazhuang Railway University， ShiJiazhuang 050043， China；2.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control， Shijiazhuang Railway University，Ministry of Education， Shijiazhuang 050043， China)

Abstract：Aiming at the analysis of the stability and the changing rule of the crown settlement in weak surrounding rock with different tunneling methods， the paper， with reference to a tunnel engineering case，analyzes rock deformation， stress variation and rock plastic zone distribution by means of the numerical simulation of finite difference software FLAC3Dand the comparison with the actual monitoring data during the construction by two different excavation methods-CD method and benching method.The actual monitoring data and simulation results show that the cross-section key point displacement and the stress by CD method are less obviously than those by benching method and the same is true with the affecting range. In a word， CD method can better control rock deformation and stress development compared with benching method and the plastic zone distribution range of CD method is also small.

Key words：Tunnel; Weak surrounding rock; CD method; Benching method; FLAC3D