基于Plaxis3D的老鷹山隧道超長破碎帶隧道開挖仿真分析

徐賓賓，張羽，司維

基于Plaxis3D的老鷹山隧道超長破碎帶隧道開挖仿真分析

徐賓賓1，2，張羽3，司維1

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津300222；3.中國交通建設股份有限公司總承包經(jīng)營分公司，北京100000）

針對老鷹山超長破碎帶隧道施工，利用有限元軟件Plaxis3D計算分析了開挖過程中隧道的變形情況，著重考慮了圍巖等級、開挖方式、雙線隧道等對隧道沉降和水平位移的影響。數(shù)值分析前，對各種材料的計算參數(shù)進行合理簡化，其有效性也經(jīng)過了其他有限元計算的驗證。計算結(jié)果表明，CD法可以有效地減小開挖過程中破碎帶圍巖的變形，維持圍巖的穩(wěn)定性。實際施工過程中，剛進入破碎帶時應采用CD法開挖，并實時監(jiān)測隧道內(nèi)變形情況，及時反饋監(jiān)測結(jié)果以對比數(shù)值計算結(jié)果。

超長破碎帶；仿真分析；圍巖等級；CD法；三臺階法

0 引言

隨著我國經(jīng)濟和交通建設的快速發(fā)展，貫穿南北和東西的高等級鐵路、公路在不斷規(guī)劃和建設中，而我國大部分地區(qū)的高等級公路網(wǎng)難免要穿越山嶺重丘區(qū)，這些地區(qū)地形跌宕起伏，褶皺斷層及圍巖裂隙水極為發(fā)育，軟弱圍巖、破碎地層比重較大。破碎圍巖的力學性質(zhì)主要表現(xiàn)在以下方面：1）破碎圍巖由于裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面相互交織，隨機分布，沒有明顯的方向性，在一定程度上可以將其看作是各向均質(zhì)連續(xù)體；2）破碎圍巖整體抗壓強度較低，洞室開挖后圍巖穩(wěn)定性差，極易失穩(wěn)破壞。公路隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法見表1。有效地控制軟弱圍巖段過大的變形、正確及時地對隧道軟弱破碎帶及其支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性做出準確評價，是經(jīng)濟合理地進行圍巖支護加固設計、快速安全施工以及高速公路隧道安全運營必不可少的條件。

表1 常用的隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法Table 1Common stability analysis method of tunnel surrounding rock

針對破碎圍巖隧道施工方法選擇，國內(nèi)外學者做了大量研究，對提高隧道開挖安全性和經(jīng)濟性產(chǎn)生重要影響。原繼偉和楊建華等研究分析了3種施工工法下隧道圍巖的位移場和應力場[1]；黃成林等人對破碎圍巖隧道的不同施工工法進行了有限差分模擬分析[2]；王偉鋒和畢俊麗總結(jié)出了不同施工工法下圍巖應力、應變特征[3]。由于隧道圍巖種類多樣，施工方法也各不相同，為分析開挖方式及圍巖破碎程度對隧道變形的影響，本文以老鷹山隧道為現(xiàn)實工程依托，分析破碎帶的特點以及對圍巖穩(wěn)定性的影響，通過建立有限元模型，重點對隧道穿越破碎帶圍巖穩(wěn)定性研究進行數(shù)值模擬分析，通過對比隧道穿越破碎帶時不同的開挖方法及圍巖級別，分析其應力、位移等參數(shù)的變化情況和規(guī)律，以指導實際施工。

1 工程概況

擬建項目路線里程K14+845—K17+290段地形起伏較大，設計擬以隧道形式（老鷹山隧道）通過該路段。老鷹山隧道擬設計為分離式隧道，左幅起點里程K14+845，止點里程K17+285，左幅全長2 440 m，最大埋深128.85 m；右幅起點里程K14+865，止點里程K17+290，右幅全長2 425m，最大埋深137.81 m。隧道區(qū)高程介于1 631.16耀1 820.34 m之間，相對高差189.18 m，處于構(gòu)造溶蝕侵蝕低中山地貌區(qū)。隧道區(qū)地形較為陡峻，地表植被發(fā)育一般。其中左幅K15+937—K15+ 977位于巖溶洼地中，為該隧道淺埋隧道段，埋深介于22.32耀24.98 m之間；右幅K15+765—K15+950位于巖溶洼地中，為該隧道淺埋隧道段，埋深介于21.61耀40.32 m之間。

其中左幅K15+967—K16+020及右幅K15+ 940—K16+000段巖質(zhì)圍巖基本質(zhì)量指標修正值[BQ]為204.37，本段隧道圍巖分級為V2級。隧道圍巖以泥盆系（D）礫巖為主，中耀強膠結(jié)，為斷層破碎帶物質(zhì)，以塊石夾碎石為主，成分為灰?guī)r、白云巖，粒徑10耀30 cm，最大約50 cm，含量約90%黏性土含角礫、碎石充填。物探成果表明，多為相對高阻區(qū)；土體富水性較差，開挖時可能存在較小量的滴水、滲水等現(xiàn)象。巖體自穩(wěn)能力差，開挖時不及時支護或支護（處理）不當易產(chǎn)生較大規(guī)模的坍塌，側(cè)壁穩(wěn)定性差，需要針對該破碎帶地區(qū)進行數(shù)值分析，為破碎帶提供施工參數(shù)。

斷層破碎帶段超前支護根據(jù)超前地質(zhì)預報與水平探孔結(jié)果選擇。若地下水不發(fā)育一般采用雙排小導管預支護；若地下水較為發(fā)育，且地表及洞內(nèi)沉降較大時采用洞內(nèi)大管棚預支護或超前自進式錨桿；若地下水發(fā)育，且當探水孔5～6孔中至少4孔出水，總流量逸10 m3/h時應進行全斷面注漿堵水。超長破碎帶建議采用CD法，若地下水不發(fā)育，沉降可控，可考慮采用三臺階（臨時仰拱法），預留變形量可根據(jù)需要適時調(diào)整，二襯需要按要求跟進。對于洞身斷層破碎帶的處治應遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、勤量測”的原則。

2 有限元模型及參數(shù)

2.1 左線有限元模型

根據(jù)設計變更后的隧道斷面輪廓（圖1（a）），利用Plaxis3D中多段線功能建立隧道輪廓線。首先取左線K15+960—K16+010段為研究對象，該段為左線破碎帶的起點，圍巖級別為V2級，開挖方式采用CD法，超前支護采用雙層準42超前小導管計算所用三維有限元模型如圖1（b）所示。地層自上而下分為2層，上層為表層雜填土，下層為破碎帶圍巖。考慮到模型的邊界效應，掌子面所在平面左右各取30 m，掘進方向取50 m，深度方向取60 m。

圖1 有限元模型示意圖Fig.1Finite element mode

2.2 參數(shù)選取

由于巖土材料物理力學特性的隨機性和復雜性，要完全模擬巖土材料的力學性能和嚴格按照實際的施工步驟進行數(shù)值模擬是非常困難的。因而，在本模型建模的過程中，對研究隧道開挖引起的圍巖的穩(wěn)定性問題、變形規(guī)律及影響范圍等問題時，進行了適當?shù)暮喕捎昧艘恍┖侠淼募僭O。

1）圍巖材料

圍巖材料假定為理想彈塑性，本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，并認為地表和內(nèi)部為均一地層，取其參數(shù)的平均值作為圍巖材料參數(shù)，不考慮圍巖中大量裂隙、節(jié)理等不均勻因素，而將破碎體等效為一均勻的、單一的材料。本工程圍巖級別為V2級圍巖，根據(jù)JTGD 70—2004《公路隧道設計規(guī)范》[4]中建議的物理力學指標，參考相關資料，本次計算所采用的圍巖彈性模量為0.6 GPa、泊松比0.35、重度20 kN/m3、黏聚力0.1 MPa、內(nèi)摩擦角20毅。

2）小導管注漿預支護加固圈的模擬

由于小導管直徑很小，要采用實際材料模擬小導管材料，在有限元計算的時候可能會產(chǎn)生求解器收斂困難的問題。因而，在實際建模時，將小導管及其注漿加固的范圍等效為一種均勻的、單一的地層材料，采用實體單元來模擬，縱向長度不變，仍為50 m。加固圈的厚度取為50 cm，其等效公式為[5-6]：

式中：E為折算后圍巖材料的彈性模量，MPa；E0為原圍巖材料的彈性模量，MPa；Sg為鋼管的橫截面面積，m2；Eg為鋼管彈性模量，MPa；Sr為所取圍巖材料的橫截面面積，m2。按照本工程的支護參數(shù)，計算得到駐E約為1 500 MPa，故小導管注漿預支護加固圈材料參數(shù)分別為：厚度0.5 m、彈性模量2.1 GPa、泊松比0.35、重度21 kN/m3、黏聚力0.1 MPa、內(nèi)摩擦角20毅。

3）錨桿材料的模擬

文獻[7]中，將錨桿根據(jù)其作用的不同按等效原則考慮。初期支護中壓漿錨桿具有組合、懸吊、擠壓等作用，此外注漿、自身抗剪及為洞周圍巖提供高強度抗力點等作用而使圍巖參數(shù)得到提高。主要是提高圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角來替代錨桿的作用，其中摩擦角的改變一般不大，錨固巖體的黏聚力可由經(jīng)驗公式給出：

式中：C0為未加固錨桿時圍巖的黏聚力，MPa；C為加錨桿時圍巖的黏聚力，MPa；子為錨桿的黏結(jié)力，MPa；Sm為錨桿的面積，m2；a、b為錨桿的縱、橫向間距，m；濁為經(jīng)驗系數(shù)，可取2～5。按照本工程的錨桿特性，茁約為1.141 4，錨桿加固圈材料參數(shù)分別為：厚度4.5 m、彈性模量0.6 GPa、泊松比0.35、重度21 kN/m3、黏聚力0.114 14 MPa、內(nèi)摩擦角20毅。

4）噴射混凝土及格柵鋼架

噴射混凝土初期支護采用板單元模擬，按線彈性材料計算，相關的參數(shù)取值參考《公路隧道設計規(guī)范》，噴射混凝土參數(shù)為：厚度0.26 m、重度22 kN/m3、彈性模量29 GPa、泊松比0.15。格柵鋼架采用提高噴射混凝土力學參數(shù)指標的方法來等效模擬，在實際數(shù)值模擬時，不再單獨考慮格柵鋼架的支護作用。

5）二次襯砌混凝土

二次襯砌混凝土用實體單元模擬，材料參數(shù)為：厚度0.6 m、重度23 kN/m3、彈性模量29.5 GPa、泊松比0.15。

3 有限元計算及分析

有限元數(shù)值分析時，參數(shù)的選取對計算結(jié)果影響極大。理想的計算過程應該遵循計算結(jié)果與初期監(jiān)測結(jié)果對比，不斷調(diào)整計算所用參數(shù)，使計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果吻合，進而利用該組參數(shù)對今后施工過程進行分析。但由于開展數(shù)值計算時，尚未開挖至破碎帶，因此也未獲得實際監(jiān)測結(jié)果，本文分別考慮開挖方式和圍巖級別對隧道變形的影響，定性地分析對隧道變形的影響。計算方案如表2所示。

表2 有限元計算方案Table 2Calculation scheme of finite element

3.1 沉降分析

為節(jié)約篇幅，圖2僅給出了方案2中左線隧道沉降云圖，其余方案沉降云圖類似。4種方案下，洞頂沉降依次為6.667 mm、10.4 mm、35.05 mm、64.6 mm，拱底隆起依次為7.442 mm、10.2 mm、35.3 mm、59.2 mm。當按照規(guī)范規(guī)定的圍巖彈性模量取值時，即E=600 MPa，洞頂最大沉降值分別為6.667 mm和10.4 mm，拱底最大隆起量分別為7.442 mm和10.2 mm。CD法開挖所得最大沉降值比三臺階法減小了約56%，最大隆起量減小了約37%，由此可知，CD法可以有效地減小開挖過程中破碎帶圍巖的變形，維持圍巖的穩(wěn)定性。實際施工過程中，剛進入破碎帶時應采用CD法開挖，并實時監(jiān)測隧道內(nèi)變形情況，及時反饋監(jiān)測結(jié)果以對比數(shù)值計算結(jié)果?？紤]到實際圍巖穩(wěn)定程度可能更差，將圍巖彈性模量降至100 MPa，這基本上與密實砂土彈性模量接近，隨后分別計算兩種開挖方法下隧道變形情況。洞頂最大沉降值分別為35.05 mm和64.6 mm，拱底最大隆起量分別為35.3 mm和59.2 mm。CD法開挖時最大沉降和最大隆起較三臺階法分別減小了約84%和68%。

圖2 沉降云圖（方案2）Fig.2Settlement nephogram（case 2）

3.2水平位移分析

圖3給出了方案2中左線隧道水平位移云圖，其余方案位移云圖類似。

圖3 水平位移云圖（方案2）Fig.3Horizontal displacement nephogram（case 2）

圖4 雙線開挖隧道變形情況Fig.4Deformation of double-line tunnel

4種方案下，最大水平位移依次為5.25 mm，5.88 mm，21.66 mm和30.57 mm。當圍巖彈性模量取600 MPa時，CD法開挖引起的最大水平位移比三臺階法降低了12%，相較于最大沉降值，降低幅度有所減小。另外，由于CD法開挖的不對稱性，隧道開挖導致的位移分布也不對稱，中柱面積較大側(cè)位移影響范圍更大，最大水平位移也發(fā)生在該側(cè)，錨噴支護時應盡量減少該側(cè)圍巖裸露的時間，盡快施加初次支護。

3.3 雙線開挖影響

為評價雙線開挖之間的影響，建立了雙線有限元分析模型。分別計算了雙線隧道三臺階開挖時圍巖的沉降及水平位移分布情況，如圖4所示。計算中，圍巖彈性模量取600 MPa。由圖可知，雙線開挖時，洞頂最大沉降為12.7 mm，拱底最大隆起量為9.75 mm，最大沉降較單線開挖計算時增加了22%。洞側(cè)最大水平位移為7.8 mm，較單線開挖時增加了33%。

4 結(jié)語

1）在數(shù)值分析過程中，對研究隧道開挖引起的圍巖的穩(wěn)定性問題、變形規(guī)律及影響范圍等問題時，將計算參數(shù)進行了適當簡化，極大地提高了計算效率。

2）當E=600 MPa時，洞頂最大沉降值分別為6.667 mm和10.4 mm，拱底最大隆起量分別為7.442 mm和10.2 mm。CD法開挖所得最大沉降值比三臺階法減小了約56%，最大隆起量減小了約37%，CD法可以有效地減小開挖過程中破碎帶圍巖的變形，維持圍巖的穩(wěn)定性。實際施工過程中，剛進入破碎帶時應采用CD法開挖，并實時監(jiān)測隧道內(nèi)變形情況，及時反饋監(jiān)測結(jié)果以對比數(shù)值計算結(jié)果。

3）當E=100 MPa時，洞頂最大沉降值分別為35.05 mm和64.6 mm，拱底最大隆起量分別為35.3 mm和59.2 mm。CD法開挖時最大沉降和最大隆起較三臺階法分別減小了約84%和68%。

4）雙線開挖時，洞頂最大沉降為12.7 mm，拱底最大隆起量為9.75 mm，最大沉降較單線開挖計算時增加了22%。洞側(cè)最大水平位移為7.8 mm，較單線開挖時增加了33%。

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，建議施工方對破碎帶隧道采用CD法開挖，并實施監(jiān)測洞內(nèi)變形，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整施工方案，以保證施工順利進行。

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Excavation numerical simulation of super-long broken zone in Laoying mountain tunnel based on Plaxis3D

XU Bin-bin1,2,ZHANG Yu3,SI Wei1
（1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China;2.Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of Ministry of Communication,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin 300222,China; 3.CCCC Investment馭Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100000,China）

Based on the tunnel construction of super-long broken rock zone in Laoying mountain,we calculated and analyzed the deformation of the tunnel during excavation process using the finite element software Plaxis3D,specially considered the influence of surrounding rock grade,excavation method and double-line tunnel on the tunnel settlement and horizontal displacement.Before numerical calculation,the calculation parameters of vatious materials were reasonably simplified,and their validity was also verified by other finite element calculations.The calculation results show that the CD method can efficiently reduce the deformation of rock in the broken zone to keep the stability.In the practical construction,the CD method should be used to excavation when entering the broken zone,the deformation in the tunnel should be monitored in time,and timely feedback monitoring results to compare numerical results.

super-long broken zone;numerical simulation;rock grade;CD method;three-step method

U456.3；TU457

A

2095-7874（2017）09-0016-05

10.7640/zggwjs201709004

2016-12-02

2017-02-13

天津市自然科學基金重點項目（16JCZDJC38800）

徐賓賓（1984—），男，河南焦作人，博士，高級工程師，主要從事數(shù)值計算及地基處理等方面的科研工作。E-mail：xubinbin@tpei.com.cn