大跨度山嶺隧道開挖穩(wěn)定性分析

馮玉坤

摘 要：大跨度山嶺隧道的開挖穩(wěn)定性是事關公共交通安全建設的一個關鍵問題。為分析雙側壁導坑法施工條件下大跨度山嶺隧道的安全穩(wěn)定性，以四寨2#隧道為工程背景，采用FLAC3D研究了四寨2#隧道圍巖在不同開挖分步下應力、變形以及塑性區(qū)等的分布特征。研究結果表明：（1）隧道圍巖開挖將引起隧道頂?shù)撞繃鷰r最大主應力降低，導致其容易發(fā)生拉伸破壞；而兩側圍巖最大主應力則升高，易發(fā)生剪切破壞；（2）兩導洞及其上方的圍巖開挖對隧道周邊圍巖變形影響很小，而兩導洞之間圍巖的開挖則對隧道周邊圍巖變形影響很大；（3）隧道開挖完成后，隧道兩側圍巖塑性區(qū)范圍相對較小，但隧道拱部和底部則會在隧道對角線方向出現(xiàn)呈“蝴蝶形”分布的塑性區(qū)，該塑性區(qū)最大深度可達4-5m。

關鍵詞：大跨度；雙側壁導坑法；數(shù)值模擬；塑性區(qū)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.118

1 引言

近年來，隨著我國交通建設的快速發(fā)展，山嶺地區(qū)修建大跨度隧道的工程實例不斷增多[1-3]。這些大跨度隧道一方面由于埋深較淺，其圍巖受地表地質構造影響明顯，風化程度大，巖性較差，在隧道開挖擾動影響下容易產(chǎn)生較大變形；另一方面由于跨度大，隧道斷面開挖持續(xù)時間較長，支護結構難以快速封閉成環(huán)；因此，其安全穩(wěn)定性問題顯得尤為突出。

目前，大跨度隧道施工常用的開挖方法有臺階法、環(huán)形開挖預留核心土法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法、CD法以及CRD法等[4-6]。為分析雙側壁導坑法施工條件下大跨度山嶺隧道的開挖穩(wěn)定性，本文以四寨2#隧道為背景，通過采用FLAC3D軟件對其動態(tài)施工過程進行數(shù)值模擬分析，研究了隧道圍巖應力、變形以及塑性區(qū)在不同開挖時段下的分布特征，研究結果可為大跨度山嶺隧道的設計施工與穩(wěn)定性分析提供科學依據(jù)。

2 工程概況

四寨2#隧道為新建貴廣鐵路高風險隧道，位于貴州省從江縣境內(nèi)。隧道區(qū)地形復雜，屬山嶺地貌類型。隧道圍巖以強風化剝蝕巖為主，采用雙側壁導坑法進行開挖。

3 大跨度山嶺隧道數(shù)值模型建立

3.1 數(shù)值計算條件

根據(jù)實際工程情況，數(shù)值模擬分析采用的Ⅳ級圍巖力學參數(shù)為：密度2700kg/m3；彈性模量24GPa，泊松比0.16，內(nèi)聚力1.9MPa，內(nèi)摩擦角為23.5°，初期支護采用錨噴支護，噴射混凝土厚度為250mm，錨桿長度為5m，間距為1m；二次襯砌采用鋼筋混凝土支護，厚度為650mm。模擬時，圍巖采用實體單元，支護結構采用結構單元。

3.2 數(shù)值模擬模型

?、魢鷰r段的一個隧道斷面進行開挖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究，根據(jù)圣維南原理以及隧道內(nèi)圍巖的開挖順序，建立大跨度山嶺隧道數(shù)值模擬模型如圖1所示。模型寬度和高度分別為92m和55m，總共劃分為30720個單元和46449個節(jié)點，模型邊界條件采用頂部應力邊界約束（頂部應力約為2.0MPa），四周以及底部法向約束。隧道內(nèi)圍巖共分8步開挖完成（見圖1），第1步開挖左側導洞圍巖①，并進行左導洞周邊的初期支護工作；第2步開挖右側導洞②，同時進行右導洞周邊的初期支護；第3步開挖左導洞拱頂上方處的圍巖③，進行其周邊的初期支護；第4步開挖右導洞拱頂上方處的圍巖④及進行其初期支護；第5步開挖兩導洞之間隧道上斷面左側位置的圍巖⑤，進行隧道頂部左側的初期支護工作；第6步開挖兩導洞之間隧道上斷面右側位置的圍巖⑥，進行隧道頂部右側初期支護工作；第7步開挖兩導洞之間隧道中斷面圍巖⑦；第8步開挖隧道底部圍巖⑧。當隧道內(nèi)圍巖開挖完成后，進行第9步工作：拆除隧道內(nèi)所有初期臨時支護，進行隧道防水以及二次襯砌整體澆筑。另外，為分析隧道周邊圍巖的變形狀況，在模型隧道頂部以及右側分別布置了測線A和測線B。

4 大跨度山嶺隧道開挖穩(wěn)定性分析

4.1 隧道圍巖應力分析

圖2給出了不同開挖分步下隧道周邊巖體的最大主應力分步云圖，由圖可知，不同開挖分步下，隧道圍巖的開挖都將導致隧道頂?shù)撞繃鷰r的最大主應力降低，而兩側圍巖最大主應力升高，且降低或升高的幅度是越靠近隧道表面越大；當隧道開挖完成后，隧道頂?shù)撞勘砻鎳鷰r最大主應力約為1MPa，兩側墻底表面圍巖最大主應力則達到8MPa。這意味著，隧道頂?shù)撞繃鷰r將有可能在開挖過程中發(fā)生拉伸破壞，導致初支和二襯承受較大的拉力和彎矩；而隧道兩側墻底部圍巖則承受較大的壓力和剪切力，容易剪切破壞。因此，為保證隧道安全穩(wěn)定，需在隧道開挖過程中加強對隧道拱頂、拱底以及兩側墻底部的支護，如加密錨桿或增加支護結構厚度。

4.2 隧道圍巖位移分析

圖3為兩測線圍巖在不同開挖分步下的位移變化曲線?？梢钥闯?，隧道分步開挖將導致測線上的圍巖位移在空間上呈指數(shù)衰減式分布，即，隨著距隧道表面距離的增大，隧道圍巖位移將逐漸減小且減小的速率逐漸降低。由各分步開挖引起的變形量上看，兩導洞及其上方的圍巖開挖對隧道周邊圍巖變形影響很?。欢鴥蓪Ф粗g圍巖的開挖則對隧道周邊圍巖變形影響很大，尤其是第6步至第8步的開挖，其中，第6步圍巖開挖使隧道頂部和兩側圍巖向隧道內(nèi)各發(fā)生了4.7mm和0.6mm的位移，第7步是5.3mm和0.8mm，第8步則是3.0mm和0.3mm。由圍巖總的變形量大小上看，隧道開挖引起的圍巖豎向位移量16.5mm要遠大于橫向位移2.5mm。因此，在隧道開挖過程中，圍巖變形穩(wěn)定控制要以豎向位移控制為主，同時在開挖時間段上重視第6步至第8步的開挖影響，在必要的情況下，架設多道臨時豎向支撐或增大支護剛度以減少隧道上方的圍巖變形。

4.3 隧道圍巖塑性屈服分析

圖4給出了幾個開挖分步下隧道周邊圍巖的塑性區(qū)分布圖。由圖可知，兩側導洞的開挖將引起導洞周邊約0.5m-1.5m范圍內(nèi)的圍巖發(fā)生塑性屈服，此時，圍巖塑性區(qū)面積在導洞下方分布最大。隨著兩導洞之間隧道上方巖體的開挖，兩導洞之間的圍巖全部發(fā)生塑性屈服，同時隧道上方拱頂以及兩側約45°方向開始出現(xiàn)約1.5m寬的塑性塑性區(qū)，隧道兩側以及底部圍巖塑性區(qū)擴展變化則相對不明顯。當隧道內(nèi)圍巖全部開挖完成后，隧道兩側圍巖塑性區(qū)擴展不明顯，但隧道拱部和底部則會在隧道對角線方向出現(xiàn)呈“蝴蝶形”分布的塑性區(qū)，該塑性區(qū)最大深度可達4-5m。從控制圍巖穩(wěn)定方面考慮，最好對“蝴蝶形”塑性區(qū)內(nèi)的圍巖進行注漿加固，同時增加此部位的錨桿數(shù)量或長度。

4.4 支護結構內(nèi)力分析

當二次襯砌澆筑完成后，二次襯砌所受到的彎矩和軸力如圖5所示。從圖中可以看出，二次襯砌最大正彎矩出現(xiàn)在隧道頂部兩側約45°的位置，其值約為33.4kN.m；最大負彎矩出現(xiàn)在隧道兩側墻底與仰拱交接的位置，其值約為28.4kN.m。二次襯砌最大軸力為壓力，出現(xiàn)在兩側墻中間位置，約為213.0 kN；最小軸力為拉力，出現(xiàn)在隧道仰拱中心位置，其值約為65.1kN。從支護結構承載能力上看，二次襯砌完全能夠承受住周邊圍巖的變形和松動壓力，因此，設計是較為安全的。

5 結論

（1）隧道圍巖開挖將引起隧道頂?shù)撞繃鷰r最大主應力降低，導致其容易發(fā)生拉伸破壞；而兩側圍巖最大主應力則升高，易發(fā)生剪切破壞。

（2）兩導洞及其上方的圍巖開挖對隧道周邊圍巖變形影響很??；而兩導洞之間圍巖的開挖則對隧道周邊圍巖變形影響很大，需重視此階段的隧道施工。

（3）隧道開挖完成后，隧道兩側圍巖塑性區(qū)范圍相對較小，但隧道拱部和底部則會在隧道對角線方向出現(xiàn)呈“蝴蝶形”分布的塑性區(qū)，該塑性區(qū)最大深度可達4-5m。

（4）二次襯砌最大正彎矩和負彎矩分別出現(xiàn)在隧道頂部兩側約45°以及兩側墻底與仰拱交接的位置；二次襯砌最大和最小軸力則分別出現(xiàn)在兩側墻中間以及仰拱中心位置。

參考文獻：

[1]任國雷，蔣中貴，黃木坤.大跨度隧道側壁導坑法施工過程數(shù)值模擬[J].西部探礦工程，2005（03）：110-111.

[2]汪立新.大跨度隧道單—雙側壁導坑法施工力學分析[J].西部探礦工程，2007（10）：170-173.

[3]趙東平，王明年.大跨度隧道施工方法數(shù)值模擬研究[J].地下空間與工程學報，2005，1（06）：844-847.