高地應(yīng)力軟巖隧道不同施工方法數(shù)值模擬變形分析研究

黃 俊，梁慶國，岳琳琳，樊純壇

(1.土木工程國家級實驗教學(xué)示范中心(蘭州交通大學(xué))；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070；3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鐵路網(wǎng)建設(shè)逐漸提上日程，在鐵路修建過程難免會遇到地質(zhì)條件惡劣、隧道圍巖破碎、穿越高地應(yīng)力地區(qū)的情況，在高地應(yīng)力地區(qū)修建隧道，控制隧道變形是隧道開挖的重難點[1]，所以，選取恰當(dāng)?shù)氖┕し椒ň涂梢院芎玫目刂谱冃?。常用隧道開挖方法有全斷面法、臺階法、CD法、CRD法、超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法等。CD法和CRD法雖然安全可靠，但存在工序復(fù)雜、造價增大、進(jìn)度緩慢等不足，而臺階法在高地應(yīng)力區(qū)變形會略顯偏大[2-4]，超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法可以提前釋放地應(yīng)力，能很好地控制變形，適用于高地應(yīng)力軟巖隧道施工。

隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)與圍巖的穩(wěn)定性直接相關(guān)，尤其是長大深埋隧道就更為突出[5，6]，在高地應(yīng)力作用下，隧道圍巖易發(fā)生大變形[7]。對木寨嶺隧道的開挖方法進(jìn)行數(shù)值模擬，篩選出適合高地應(yīng)力軟巖隧道的開挖方式，以及控制高地應(yīng)力隧道大變形的合理措施[8]。

1 工程概況

木寨嶺隧道在甘肅省定西市漳縣和岷縣交界處，全長19 095 m，隧道洞身最大埋深約600 m，最小埋深約40 m，屬于深埋特長隧道。據(jù)地質(zhì)勘察與斜井開挖觀察表明，該隧道地質(zhì)狀況復(fù)雜，圍巖多為泥質(zhì)板巖、鈣質(zhì)板巖、砂巖類，以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，分別占比54.89%和41.74%，隧道斷裂及褶皺極其發(fā)育。對隧道通過的斷裂、褶皺構(gòu)造走向(N55°～60°W)分析，測得地應(yīng)力方向N34°E，最大水平主應(yīng)力值為24.95～27.16 MPa，最小水平主應(yīng)力值14.95～16.17 MPa。根據(jù)現(xiàn)行的《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)，是以飽和抗壓強度與最大水平主應(yīng)力的比值來衡量地應(yīng)力作用強度的[9]，當(dāng)比值小于2時，為高地應(yīng)力地區(qū)，根據(jù)地勘資料，木寨嶺隧道泥質(zhì)板巖和鈣質(zhì)板巖單軸飽和抗壓強度平均值分別為8.71 MPa和24.18 MPa。據(jù)此分析，木寨嶺隧道處于高地應(yīng)力狀態(tài)，極易變形。隧道某處開挖掌子面斷面見圖1。

圖1 掌子面處圍巖斷面

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

本文使用Midas/GTS，分別對木寨嶺隧道的4種施工方法進(jìn)行數(shù)值模擬，4種施工方法分別為全斷面法、二臺階法、三臺階法及超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法。一般情況下，普遍認(rèn)為巖土體材料是彈塑性體，按照彈塑性理論來研究[10]。本文用有限元軟件來模擬隧道開挖過程，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土材料均為彈塑性性質(zhì)，為使模型分析得到相應(yīng)簡化，圍巖材料采用Mohr-Coulomb模型，混凝土材料按照線彈性本構(gòu)關(guān)系處理[11]。

根據(jù)圣維南原理，地下工程數(shù)值計算模型的范圍一般取開挖斷面(跨度)的3～5倍[12]，本文所選隧道實際斷面尺寸為7.4 m×8.3 m，是雙洞單線隧道，模擬計算時僅考慮單洞情況，不考慮另一線施工的影響，所以計算模型在x、y、z三個方向尺寸為52 m×36 m×30 m。隧道埋深約為150 m，根據(jù)自重應(yīng)力計算公式q=rh=18.5×150=2 775 kPa，為了便于模擬，故模擬時沿隧道軸向的前后面上施加27.16 MPa的均布荷載，橫向的左右面上施加16.17 MPa的均布荷載，而模型圍巖上部施加2.775 MPa的均布荷載。邊界條件為：底部加垂直于該面的法向約束，圍巖四周外邊界面加垂直圍巖面法向約束，上邊界為荷載自由邊界[13]。其計算模型如圖2所示。

圖2 4種工法計算模型

2.2 材料物理力學(xué)參數(shù)的選取

根據(jù)地勘和設(shè)計資料，模型圍巖采用實體單元，初襯及二襯均使用板單元模擬，其厚度分別為0.27 m與0.45 m，鋼拱架為I20b型鋼，間距1 m，采用梁單元模擬，錨桿為φ22 mm砂漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.0 m，采用植入式桁架模擬，圍巖及其他材料的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)[14]選取并結(jié)合隧道圍巖實際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，列于表1。

表1 數(shù)值模擬材料的物理力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果對比分析

3.1 隧道變形對比分析

為了方便對比，所有工法都以距隧道進(jìn)洞口10 m處的隧道斷面作為計算結(jié)果提取斷面，隧道拱部和邊墻交匯點作為水平收斂結(jié)果提取點。將提取的4種工法的拱頂沉降及凈空收斂的計算結(jié)果作對比，來判斷隧道變形的程度。圖3與圖4分別為4種工法的拱頂沉降與凈空收斂的曲線。

圖3 拱頂沉降綜合曲線

圖4 凈空收斂綜合曲線

由圖3可知，全斷面法開挖拱頂沉降增長速率起初較小，開挖至第20步，即開挖至結(jié)果提取面時，由于開挖產(chǎn)生臨空面使圍巖土體局部卸載，洞周徑向應(yīng)力突變?yōu)榱?，土體原地應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力重分布[15]，拱頂沉降迅速增大，隨后沉降減小，在第30步，即結(jié)果提取斷面二襯封閉成環(huán)時，沉降趨于穩(wěn)定，最終拱頂下沉為598.6 mm；二臺階法開挖拱頂沉降速率一直較大，第30步時，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，最終拱頂下沉為237.1 mm；三臺階開挖拱頂沉降速率先小后大，曲線有三處轉(zhuǎn)折：即第21步，對應(yīng)的施工階段是上臺階開挖，沉降值為41.1 mm，占總沉降的18.3%；第31步，對應(yīng)施工階段是中臺階開挖，沉降值為103.6 mm，占總沉降的46.2%；第41步，對應(yīng)施工階段是下臺階開挖，沉降值為199.5 mm，占總沉降的89.0%，在第46步時，沉降趨于穩(wěn)定，最終拱頂下沉為224.1 mm。由圖5可以看出，上臺階開挖和中臺階開挖占總沉降比較大，所以在開挖前注意加強上、中臺階開挖支護(hù)；超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法沉降速率一直較小，最終沉降值為66.2 mm。

圖5 各步開挖沉降值對應(yīng)總沉降占比

由圖4可知，全斷面法在開挖至結(jié)果提取面時收斂迅速增大，在二襯封閉成環(huán)時，收斂趨于穩(wěn)定，最終收斂值為645.1 mm；二臺階開挖，收斂速率一直較大，在開挖至第27步時趨于穩(wěn)定，最終的收斂值為355.4 mm；三臺階法在開挖前31步時收斂速率一直較小，隨后，收斂速率開始迅速增大，這可能與中、下臺階開挖有關(guān)，開挖至第46步時，收斂趨于穩(wěn)定，最終收斂數(shù)值為338.7 mm；超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法在開挖第36步時趨于穩(wěn)定，最終的收斂數(shù)值為82.1 mm。

總體來看，全斷面法開挖時隧道變形最大，其次是二臺階法，三臺階法開挖時隧道變形要小于二臺階法，可能是三臺階法的開挖步驟較多，應(yīng)力釋放的較多，因此變形較小，超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法由于先開挖導(dǎo)洞釋放部分應(yīng)力，所以隧道變形要小于其他施工方法。因此，超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法更適用于高地應(yīng)力軟巖隧道施工。

3.2 隧道應(yīng)力對比分析

本文選取結(jié)果提取斷面上的10個特征點：拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、左右仰拱中部及仰拱拱底，作為結(jié)果提取點，將提取的4種工法的第一主應(yīng)力P1與第三主應(yīng)力P3的計算結(jié)果作對比，來判斷隧道的受力情況。圖6分別為4種工法的第一主應(yīng)力P1沿斷面分布圖，4種工法的第三主應(yīng)力P3的計算結(jié)果列于表2。

圖6 第一主應(yīng)力計算結(jié)果(單位：MPa)

由表2和圖6可以看出，全斷面開挖時，隧道受到的應(yīng)力最大，且隧道應(yīng)力要遠(yuǎn)大于其他施工方法的應(yīng)力，從而說明高地應(yīng)力隧道采用全斷面施工，隧道整體都會受到極大的應(yīng)力；二臺階法與三臺階法開挖時隧道的受力情況類似，數(shù)值較為接近，隧道受力較為均勻，仰拱處受力要小于全斷面法，除仰拱以外其他部位的應(yīng)力依然較大，但三臺階法的應(yīng)力要略小于二臺階法；超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法拱頂及拱肩處受力要大于仰拱的受力，但是超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法的應(yīng)力要小于其他施工方法，說明在開挖正洞前，先開挖導(dǎo)洞釋放應(yīng)力，有利于高地應(yīng)力隧道的施工?？傮w來看，超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法隧道受力最小，最適合高地應(yīng)力隧道開挖，其次是三臺階法與二臺階法。

表2 4種工法第三主應(yīng)力P3提取結(jié)果 MPa

3.3 塑性區(qū)對比分析

本文選取結(jié)果提取斷面上的10個特征點：拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、左右仰拱中部及仰拱拱底，作為塑性區(qū)結(jié)果提取點，列于表3中。

表3 塑性區(qū)提取結(jié)果 cm

由表3可以看出，4種工法塑性區(qū)除了超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法較小，其他都較大。全斷面法塑性區(qū)范圍最大；二臺階法塑性區(qū)主要分布在左右拱腰及左拱腳處，并且左拱腰的變形最大；三臺階法塑性區(qū)主要集中在仰拱處，且右仰拱拱腳處的變形較大，塑性區(qū)的范圍明顯要小于全斷面法，與二臺階法的塑性區(qū)范圍相當(dāng)；超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法塑性區(qū)較小，且主要集中在仰拱處，其塑性區(qū)要遠(yuǎn)小于其他工法的塑性區(qū)。因此，單從塑性區(qū)的角度來看，超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法要優(yōu)于其他施工方法。

4 討論

軟弱圍巖由于巖體及其破碎，其自穩(wěn)能力非常差，甚至無自穩(wěn)能力，隧道在高地應(yīng)力作用下極易發(fā)生大變形，常規(guī)的開挖支護(hù)方法不能有效阻止其變形的發(fā)展。在高地應(yīng)力軟巖修建隧道，有時不得不選用一些特殊的開挖支護(hù)方法。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，在木寨嶺隧道里程為DYK178+010～DYK177+965布設(shè)了10個監(jiān)測斷面，測得拱頂沉降平均值為230 mm，水平收斂平均值為348 mm。本文三臺階法開挖數(shù)值模擬選取參數(shù)與實測處地質(zhì)參數(shù)一致，模擬拱頂沉降值為224.1 mm，相對值為2.63%，模擬水平收斂值為338.7 mm，相對值為2.75%。模擬所得變形值與實測值間相對誤差為2.63%、2.75%，模擬與實測值相差不大，表明此數(shù)值模擬能較準(zhǔn)確反映實際情況。

在木寨嶺隧道里程為DYK187+996～DYK188+036段進(jìn)行試驗，正洞擴(kuò)挖采用三臺階法。測量出超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖時變形平均值為106.0 mm，無超前導(dǎo)洞時變形平均值為145.3 mm，表明在高地應(yīng)力地質(zhì)條件下，超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法產(chǎn)生變形量比三臺階法要小很多[17]。

可以看出，全斷面法開挖圍巖變形太大，超前導(dǎo)洞法圍巖變形小，但由于工序繁雜，技術(shù)要求高，在常規(guī)圍巖中采用較少。施工時根據(jù)斷面型式、地質(zhì)情況、施工經(jīng)驗等選擇適宜的施工方法，把變形控制在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。對于變形值非常大的隧道，在進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后可采用超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法。

5 結(jié)論

由以上結(jié)果對比分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)隧道硐室開挖，圍巖變形主要包括3個部分：開挖前先行變形、掌子面變形和掌子面后方變形。通過對三臺階法數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，上、中臺階的開挖對圍巖變形影響比較大， 所以，在施工過程中應(yīng)注意加強上中臺階開挖支護(hù)。

(2)通過提取塑性區(qū)結(jié)果可以看出，在隧道仰拱和拱腳位置處塑性區(qū)較大，所以，在隧道施工中應(yīng)加強仰拱支護(hù)，如：在拱腳處加長鎖腳錨管、加強仰拱鋼拱架和拱腰鋼拱架的連接。

(3)通過對4種施工方法數(shù)值模擬，可以看出隧道凈空收斂值都要大于拱頂沉降值，說明在高地應(yīng)力軟巖隧道施工中，圍巖水平變形要大于垂直向變形。而且通過對三臺階法數(shù)值模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以看出二者比較接近，說明此數(shù)值模擬的可行性，通過對模擬得到的圍巖受力和變形規(guī)律可以用于類似工程指導(dǎo)施工。

(4)從數(shù)值模擬分析看，引起圍巖變形從小到大的順序是超前導(dǎo)洞法、三臺階法、二臺階法、全斷面法，施工時可根據(jù)斷面型式、地質(zhì)情況、施工經(jīng)驗等選擇適

宜的施工方法，把變形控制在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。對于變形值非常大的隧道，在進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后可采用超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法施工。

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