某軟弱圍巖隧道不同施工方法力學(xué)行為分析

趙玉成++賈曉旭

摘要：為分析不同施工工法對(duì)軟弱圍巖隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性的影響，以某隧道工程為依托，對(duì)三臺(tái)階預(yù)留核心土法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究軟弱圍巖隧道在2種不同工法施工過程中圍巖變形情況、初期支護(hù)應(yīng)力變化、錨桿受力特征和塑性區(qū)分布范圍。研究結(jié)果表明：采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，隧道圍巖變形和支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力明顯小于三臺(tái)階預(yù)留核心土法，2種不同工法的錨桿受力特征基本一致，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)圍巖塑性區(qū)發(fā)展的控制更加有效。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；隧道；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；三臺(tái)階預(yù)留核心土法

中圖分類號(hào)：U455.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

隧道圍巖的穩(wěn)定性是隧道施工過程中的重要問題，中國(guó)地形、地貌復(fù)雜多變，隧道開挖過程中經(jīng)常遇到軟弱圍巖等不良地質(zhì)條件，軟弱圍巖區(qū)段是控制隧道圍巖穩(wěn)定的重要區(qū)段之一[13]。隧道圍巖穩(wěn)定性控制不好，將會(huì)導(dǎo)致隧道冒頂或坍塌，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，人們非常重視對(duì)軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性的研究[46]。本文對(duì)軟弱圍巖隧道不同施工工法下的圍巖穩(wěn)定性規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對(duì)比分析不同工法的力學(xué)響應(yīng)，為今后類似軟弱圍巖隧道設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1隧道概況

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，設(shè)計(jì)為上下行分離的獨(dú)立雙洞雙車道隧道，單向縱坡-25%。隧道左線起訖樁號(hào)為ZK746+010～ZK750+042，全長(zhǎng)4 032 m；右線起訖樁號(hào)為YK745+986～YK749+986，全長(zhǎng)4 000 m。隧道建筑限界凈高1025 m，設(shè)計(jì)縱坡-25%，隧址區(qū)屬冰緣水流構(gòu)造侵蝕中山地貌，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。山體平均海拔高度大都在4 300 m以上。隧道高程4 229.16～4 635 m，相對(duì)高差750 m，地形起伏較大。

2不同施工工法數(shù)值模擬

2.1模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)隧道具體情況和施工設(shè)計(jì)資料，隧道斷面凈高10.25 m，最大跨度處寬12.86 m。考慮邊界條件對(duì)隧道計(jì)算的約束效應(yīng)，隧道整體模型左右兩邊到隧道中心的距離取3～5倍跨度，隧道底部到模型下邊界的距離取2～3倍跨度，隧道拱頂距地面30 m，沿隧道開挖方向取50 m。模型中X軸表示隧道橫斷面方向，Y軸表示隧道開挖方向，Z軸表示豎直方向。為確保2種工法模擬對(duì)比的客觀性，模型尺寸均為100 m×50 m×70 m，如圖1所示。模型上部不施加約束，為自由面；下邊界施加豎向約束，限制豎向自由度；左右邊界施加水平方向約束，限制水平向自由度。

由于隧道附近區(qū)域內(nèi)巖性單一，可將圍巖假設(shè)為均一各向同性的理想彈塑性材料進(jìn)行模擬計(jì)算，服從DruckPrager屈服準(zhǔn)則。小導(dǎo)管和注漿的加固作用等效為一種地層材料，通過提高地層的粘聚力和摩擦角來模擬加固圈作用[7]，加固圈厚度取05 m。圍巖和加固圈采用實(shí)體單元模擬。錨桿長(zhǎng)35 m，直徑為22 mm，環(huán)向間距為1 m，梅花形布置，采用嵌入式桿單元模擬。格柵鋼架間距為08 m，縱向用鋼筋連接來提高整體穩(wěn)定性，格柵鋼架采用梁?jiǎn)卧M。初期支護(hù)采用殼單元模擬，二次襯砌作為長(zhǎng)期安全儲(chǔ)備[8]，不做考慮。圍巖和材料力學(xué)參數(shù)如表1、2所示。

2.2施工過程數(shù)值模擬

運(yùn)用FLAC3D模擬施工過程，每一開挖步即為一個(gè)計(jì)算步，循環(huán)進(jìn)尺1 m，支護(hù)滯后開挖步1 m施作。三臺(tái)階預(yù)留核心土法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖順序和剖面如圖2、3所示。三臺(tái)階預(yù)留核心土法包括68個(gè)計(jì)算步：第1步，計(jì)算初始地應(yīng)力平衡；第2～5步，上臺(tái)階環(huán)形土①部開挖4 m；第6～9步，核心土②部開挖4 m，同時(shí)上臺(tái)階環(huán)形土①部開挖到8 m；第10～13步，中臺(tái)階③部開挖4 m，①、②部同時(shí)平行開挖；第14～17步，下臺(tái)階④部開挖4 m，①～③部同時(shí)平行開挖；第18～21步，仰拱⑤部開挖4 m，①～④部同時(shí)平行開挖，形成如圖2（b）所示格局；然后各臺(tái)階平行開挖，直到隧道開挖完成。

圖2三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖順序和剖面

圖3雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖順序和剖面

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法包括84個(gè)計(jì)算步：第1步，計(jì)算初始地應(yīng)力平衡；第2～5步，左側(cè)上導(dǎo)坑①部開挖4 m；第6～9步，左側(cè)下導(dǎo)坑②部開挖4 m，同時(shí)①部開挖到8 m；第10～13步，右側(cè)上導(dǎo)坑③部開挖4 m，①、②部同時(shí)平行開挖；第14～17步，右側(cè)下導(dǎo)坑④部開挖4 m，①～③部同時(shí)平行開挖；第18～21步，中間上土體⑤部開挖4 m，①～④部同時(shí)平行開挖；第22～25步，中間下土體⑥部開挖4 m，①～⑤部同時(shí)平行開挖；按照此步驟依次開挖⑦～⑨部分，最后拆除中隔壁，支護(hù)滯后開挖步1 m施作，最終形成圖3（b）所示格局；然后各臺(tái)階平行開挖，直到隧道開挖完成。

2.3計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1位移結(jié)果分析

在采用2種不同工法施工的過程中，選取Y=25 m斷面為監(jiān)測(cè)面，圍巖關(guān)鍵點(diǎn)拱頂沉降隨開挖步的變化曲線如圖4所示。

由圖4可以看出：采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法時(shí)，斷面拱頂沉降值在第13開挖步開始增大，此時(shí)開挖斷面上臺(tái)階環(huán)形土①部距離監(jiān)測(cè)斷面12 m，沉降增幅較小，近似線性增長(zhǎng)；第29開挖步時(shí)，核心土②部開挖到監(jiān)測(cè)斷面，拱頂沉降量迅速增長(zhǎng)，沉降速率變大；第37開挖步時(shí)，下臺(tái)階④部通過監(jiān)測(cè)斷面，此后拱頂沉降量變化曲線開始變緩，增速逐漸變?。坏?0 開挖步，仰拱⑤部距離監(jiān)測(cè)斷面20 m，約兩倍隧道凈高，此時(shí)沉降速率逐漸減小，沉降量趨于穩(wěn)定，約為378 mm。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)，第20開挖步開始影響監(jiān)測(cè)面拱頂沉降，對(duì)監(jiān)測(cè)面的影響距離僅為5 m，遠(yuǎn)小于三臺(tái)階預(yù)留核心土法。由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖面小，對(duì)土體擾動(dòng)小，所以第40開挖步后沉降量緩慢增加，逐漸趨于穩(wěn)定，對(duì)隧道監(jiān)測(cè)斷面的影響距離遠(yuǎn)小于三臺(tái)階核心土法，并且拱頂最大沉降值為236 mm，比三臺(tái)階核心土法減小3757%。