基于數(shù)值模擬的隧道施工方案比選

劉希亮， 孫飛躍

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454003)

隨著城市人口數(shù)量的快速增長，城市交通擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重，地鐵交通成為改善地面交通擁堵現(xiàn)象的必然選擇。地鐵隧道一般埋深較淺，不能有效形成壓力拱，如果未采取合理的施工方案就會(huì)造成較大的地表沉降，導(dǎo)致地表建筑物傾斜或者地面道路下陷。因此，選擇最佳的施工方案對(duì)保證隧道施工的順利進(jìn)行具有重要意義。

近年來，學(xué)者們不斷地對(duì)隧道施工方案的合理性進(jìn)行探索，并取得了長足的進(jìn)步。李振東等[1]選取了CRD工法和短臺(tái)階工法兩種施工方案對(duì)地鐵隧道進(jìn)行了施工模擬，發(fā)現(xiàn)采取合理的支護(hù)形式可以有效地控制隧道拱頂?shù)呢Q向位移。石熊等[2]在CRD工法的前提下，通過比較不同施工順序所得到的圍巖水平位移和拱底豎向位移及其應(yīng)力的變化得到了適合該隧道的施工方案。任建喜等[3]采用FLAC3D數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)合對(duì)CRD法開挖所產(chǎn)生的地表位移變化進(jìn)行探究，得到了較為合理的位移控制措施。

本文采用FLAC3D有限差分軟件建立隧道計(jì)算模型，同時(shí)采用三種不同的施工方案進(jìn)行模擬施工。通過對(duì)比分析，優(yōu)選出合適的施工方案。

1 工程概況

某城市地鐵隧道下穿城市主干道，隧道斷面的寬度12.6 m，高度10.3 m，隧道最大埋深24 m。為了降低施工過程中對(duì)隧道圍巖的擾動(dòng)和減小對(duì)地面造成沉降。同時(shí)，為了保證施工的順利進(jìn)行，在開挖前采用大管棚與小導(dǎo)管注漿相結(jié)合的超前支護(hù)形式。施工過程中采用分步開挖，逐步支護(hù)的方法。當(dāng)最后一部開挖完成后拆除臨時(shí)隔壁，襯砌封閉成環(huán)。施工過程中嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的基本原則[4]。具體隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[5～8]取值，見表1所示。

表1 隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 FLAC程序簡(jiǎn)介

FLAC3D是采取輸入命令的方式驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)算，命令字控制著程序的運(yùn)行。有別于一些軟件采用輸入數(shù)據(jù)的方式控制程序運(yùn)行。運(yùn)用FLAC3D建立計(jì)算模型時(shí)，需要進(jìn)行：生成有限差分網(wǎng)格、選擇本構(gòu)特性和設(shè)置材料參數(shù)、給定模型的邊界條件和初始條件這三方面的任務(wù)。完成以上任務(wù)后，能夠獲得模擬工程開挖前的初始應(yīng)力狀態(tài)。而后進(jìn)行的工程反映分析需要工程開挖或改變模擬邊界條件來完成。最后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析與總結(jié)[9,10]。

FLAC3D是以顯式拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法和混合-離散分區(qū)技術(shù)為基本理論，因此能夠很精確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。因?yàn)镕LAC3D在計(jì)算過程中不需要形成剛度矩陣，所以解決大范圍的三維問題只需較小的計(jì)算空間。該軟件可用于求解大變形的非線性巖土力學(xué)問題，能夠解決一般有限元分析程序難以解決的巖土材料大變形和破壞的問題。但是，在求解線性問題時(shí)，比有限元法運(yùn)行所需要的時(shí)間長。本文正是運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件對(duì)該隧道工程變形的非線性巖土問題進(jìn)行模擬。最后，通過對(duì)比分析不同的施工方案得出適合該工程的開挖方案。

2.2 建立模型

由于隧道是縱向尺寸較長，橫向斷面尺寸較短的地下結(jié)構(gòu)物，故而在研究過程中不考慮開挖進(jìn)尺對(duì)施工的影響。因此，在計(jì)算分析中，沿隧道縱深方向選取10 m長的隧道作為研究對(duì)象。

根據(jù)圣維南原理，建立的計(jì)算模型橫向長100 m，豎向高60 m，縱向長10 m，即左右邊界為4倍左右隧道總跨度，下部邊界為3倍左右隧道總高度，隧道上邊界為地面[9]。整個(gè)模型共17034個(gè)六面體單元，18126個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。在數(shù)值計(jì)算中，采用Mohr-Coulomb材料模型，初期支護(hù)采用cable單元和shell單元共同模擬，開挖模擬采用空模型。該計(jì)算模型的上邊界為自由邊界，其余邊界均為位移約束邊界條件。隧道模型及邊界條件如圖1所示。

2.3 開挖方案模擬

本文為了研究不同開挖方案對(duì)隧道周圍巖體的影響，分別采用三種不同的施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬。最后，通過分析計(jì)算結(jié)果，得出了較為合理的施工方案。

采用CRD法、CD法、臺(tái)階法三種施工工法。開挖過程中采用分步開挖，逐步支護(hù)的方法，具體開挖方案如圖2所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖位移分析

隧道圍巖位移變形是隧道開挖過程中的重點(diǎn)控制對(duì)象。如果位移變形較大會(huì)影響隧道的正常使用，從而增加了對(duì)人力、財(cái)力和物力的浪費(fèi)。

圖1 計(jì)算模型/mm

圖2 三種施工方案開挖順序

在三種不同施工方案下，隧道的豎向位移和水平位移云圖如圖3，4所示。通過分析圖3可知，三種不同的施工方案在拱頂和拱底處發(fā)生的豎向變形最大，所以在開挖中應(yīng)該特別注意此處的圍巖變形。還可以看出，采取臺(tái)階法開挖時(shí)拱頂最大豎向位移變化量最大，CRD法次之，CD法最小。而在拱底中心處CRD法施工和臺(tái)階法施工所引起的底鼓現(xiàn)象最為嚴(yán)重，CD法施工比CRD法和CD法施工所引起的底鼓現(xiàn)象較輕。主要原因是臺(tái)階法施工時(shí)把隧道上半部分土體開挖掉沒有保留預(yù)留核心土，從而核心土對(duì)拱頂位置沒有約束導(dǎo)致了拱頂變形變大。而CRD法施工時(shí)，開挖的各個(gè)分部封閉成環(huán)的時(shí)間較短，中間隔壁墻能有效抑制圍巖的變形，在拱頂、拱底處的變形起到了關(guān)鍵作用[11]。但是由于CRD法施工的多次開挖增加了對(duì)土體的擾動(dòng)次數(shù)，因而拱頂?shù)呢Q向位移變化量比CD法施工大。通過分析圖4可知，隧道兩側(cè)橫向變形主要是向隧道外側(cè)發(fā)生位移，這與文獻(xiàn)[12～14]計(jì)算得到的結(jié)果是一致的。而且，隧道左右兩側(cè)橫向變形大致呈對(duì)稱分布。隧道拱頂位置受力類似于壓力拱，將其受到的壓力轉(zhuǎn)化為水平推力，導(dǎo)致圍巖向外側(cè)移動(dòng)。最終造成隧道拱頂承受主動(dòng)土壓力，而側(cè)墻向外移動(dòng)擠壓使巖體承受被動(dòng)土壓力。

圖3 三種施工方案下隧道豎向位移云圖

圖4 三種施工方案下隧道水平位移云圖

將三種施工方案所引起的隧道拱底、拱頂和左右兩側(cè)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)為1，2，3，4，如圖5所示)，分別列于表2，3中。從表2可以看出：在支護(hù)形式相同的條件下，CD法施工比臺(tái)階法和CRD法施工引起的拱頂和拱底沉降變形略小。也可以看出，CD法施工引起的拱頂沉降比CRD法施工小1.19 mm，比臺(tái)階法施工小1.67 mm。CD法施工引起的拱底沉降比CRD法施工小1.05 mm，比臺(tái)階法施工小1.45 mm。從表3可知，三種施工方案下臺(tái)階法施工對(duì)隧道兩側(cè)橫向變形影響較小，相比其他兩種方案略有優(yōu)勢(shì)。雖然CD法在兩幫處產(chǎn)生的變形相比其他方案最大，但位移量數(shù)值還是比較小的。在開挖過程中，一定要加強(qiáng)對(duì)拱頂?shù)闹ёo(hù)，做到邊開挖邊支護(hù)以減小拱頂?shù)某两盗俊？傮w來說，CD法施工與其他兩種方案相比更具有控制圍巖變形的優(yōu)勢(shì)。

表2 三種工法下拱頂、拱底沉降變形 mm

表3 三種工法下隧道兩側(cè)橫向變形 mm

在數(shù)值模擬計(jì)算中對(duì)隧道拱肩水平和豎向位移進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)為5，6，7，8，9，10，如圖5所示)。繪制出拱肩水平和豎向位移曲線，如圖6，7所示。通過分析圖6可知，CRD法施工時(shí)在隧道拱肩位置所產(chǎn)生的水平位移量最大，最大處為3.09 mm；CD法施工時(shí)所產(chǎn)生的位移量最小，最大水平位移量為2.47 mm。通過分析圖7可知，臺(tái)階法施工時(shí)在隧道拱肩位置所產(chǎn)生的豎向位移量最大，最大處為6.51 mm；CD法施工時(shí)所產(chǎn)生的位移量最小，最大豎向位移量為4.68 mm。因此，從水平和豎向位移量來看，CD法施工優(yōu)于其余兩種方案。

圖5 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖7 拱肩豎向位移曲線

為了優(yōu)選出一個(gè)更加適合于該隧道的施工方案，控制地表沉降，不影響地面建筑物和道路的正常使用。因此，隧道施工過程中必須嚴(yán)格控制地表沉降。在數(shù)值計(jì)算過程中，在距隧道中心軸線左右各50 m的地表每隔5 m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪出地表不同位置沉降曲線(圖8)。由圖8可以看出，三種施工方案在隧道中線左右兩側(cè)40 m范圍內(nèi)造成的地表沉降量比較大，在隧道中心軸線位置處地表沉降量最大。隧道中心軸線左右兩側(cè)40 m之外的地表沉降量隨距離中心軸線越遠(yuǎn)變化越不明顯，可以看出隧道開挖對(duì)地表沉降影響的區(qū)域大致為隧道跨度的3倍左右。

比較三種方案在地表不同位置引起的沉降，CD法施工在地表不同位置產(chǎn)生的沉降量最小的，臺(tái)階法施工在地表不同位置產(chǎn)生的沉降量是最大，在中線位置處最為明顯，CD法施工比在臺(tái)階法施工下產(chǎn)生的沉降量降低12.7%。這也說明，該隧道采用CD法施工時(shí)不僅可以控制圍巖的位移變形還可以簡(jiǎn)化開挖步驟從而提高工作效率。

圖8 地表不同位置沉降曲線

3.2 圍巖應(yīng)力分析

洞室開挖后，圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分布，破壞原有的平衡狀態(tài)，使圍巖局部應(yīng)力增加[15]。因此，隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)也是隧道施工中要考慮的重要內(nèi)容。三種施工方案的豎向和水平應(yīng)力云圖如圖9，10所示。根據(jù)應(yīng)力云圖可知，最大壓應(yīng)力發(fā)生在隧道的最底部，隧道的頂部出現(xiàn)了拉應(yīng)力。在隧道兩幫與地面的交接處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)特別注意應(yīng)力集中部位巖體的加固，防止應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部破壞[16]。從中也可以看出隧道拱頂處的受力狀態(tài)明顯好于隧道拱底處的受力狀態(tài)。由圖9可知，CD法施工造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象較輕，臺(tái)階法施工造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象較重。CD法在隧道開挖完成后造成的圍巖最大壓應(yīng)力為1.22 MPa，CRD法在隧道開挖完成后造成的圍巖最大壓應(yīng)力為1.46 MPa，臺(tái)階法在隧道開挖完成后造成的圍巖最大壓應(yīng)力為1.83 MPa。相比之下，CD法施工比臺(tái)階法施工產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力降低了33.3%。由圖10可知，在隧道的拱頂、拱底和兩幫處都有應(yīng)力集中現(xiàn)象。相比之下，CD法開挖的應(yīng)力集中現(xiàn)象較輕，而臺(tái)階法開挖的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

圖9 三種施工方案下隧道豎向應(yīng)力云圖

圖10 三種施工方案下隧道水平應(yīng)力云圖

為了確保施工的順利進(jìn)行，也應(yīng)對(duì)開挖后隧道的主應(yīng)力進(jìn)行分析，主應(yīng)力云圖如圖11，12所示。由主應(yīng)力云圖可知，最大主應(yīng)力主要分布在隧道頂部、底部和地面與側(cè)墻交接處，最小主應(yīng)力主要分布在隧道底部和兩幫處。因此，在施工過程中應(yīng)該特別注意這些部位的圍巖加固，防止圍巖發(fā)生破壞造成不必要的損失。

圖11 三種施工方案下最大主應(yīng)力云圖

圖12 三種施工方案下最小主應(yīng)力云圖

3.3 圍巖應(yīng)變分析

由于巖體中有結(jié)構(gòu)面的存在，從而對(duì)巖體的剪切強(qiáng)度特性有所影響。因此，應(yīng)對(duì)圍巖的剪切應(yīng)變和主應(yīng)變?cè)隽窟M(jìn)行分析，應(yīng)變?cè)茍D如圖13，14所示。由應(yīng)變?cè)茍D可以看出，CRD法開挖時(shí)，在隧道拱頂和拱底處主應(yīng)變?cè)隽枯^大，在隧道兩幫和隧道底部處剪切應(yīng)變?cè)隽枯^大；CD法施工時(shí)，在隧道拱頂、拱底和側(cè)墻處主應(yīng)變?cè)隽枯^大，在隧道地表和隧道兩幫與拱底交接處剪切應(yīng)變?cè)隽枯^大；臺(tái)階法施工時(shí)，在隧道拱底、拱頂和兩隧道幫處的主應(yīng)變?cè)隽枯^大，在隧道拱頂和隧道兩幫與拱底交接處剪切應(yīng)變?cè)隽枯^大。相比之下，CD法施工主應(yīng)變和剪切應(yīng)變?cè)隽肯鄬?duì)較小，更適合于該隧道的施工。在隧道拱底位置和兩幫處的剪切應(yīng)變形成了曲線形狀的剪切帶，此位置附近容易發(fā)生剪切破壞。隧道拱頂處的剪切變形明顯比隧道拱底處的剪切變形有利，隨著整個(gè)隧道開挖完成剪切帶逐漸趨于穩(wěn)定[17]。

圖13 三種施工方案下主應(yīng)變?cè)茍D

圖14 三種施工方案下剪切應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié) 論

采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)三種施工方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，并根據(jù)隧道開挖過程中圍巖位移變化、圍巖應(yīng)力變化、圍巖應(yīng)變變化、拱頂位移和地表沉降變化等五個(gè)方面綜合考慮，得到了如下主要結(jié)論：

(1)通過圍巖位移變化可得，CD法施工時(shí)豎向和水平位移變化量比其他兩種施工方案較小，從拱肩位移監(jiān)測(cè)來看，CRD法施工時(shí)產(chǎn)生的位移變化量最大而CD法最小。從拱底沉降分析來看，CD法施工具有沉降量小的優(yōu)勢(shì)。地表最大沉降量為9.55 mm，臺(tái)階法產(chǎn)生的最大沉降量為11.0 mm，CRD法下的最大沉降量為10.46 mm。相比之下，CD法比臺(tái)階法沉降量降低13.2%，比CRD法沉降量降低10.0%。因此，從圍巖位移變化來看，CD法施工方案優(yōu)于其余兩種施工方案。

(2)通過圍巖應(yīng)力變化可得，在隧道兩幫與隧道地面的交接處和開挖拱頂、拱底部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與大量工程實(shí)際相吻合。根據(jù)模擬結(jié)果，應(yīng)對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)，以免造成圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的局部破壞。而CD法施工時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象較輕。CD法在隧道開挖完成后造成的圍巖最大壓應(yīng)力為1.22 MPa，CRD法在隧道開挖完成后造成的圍巖最大壓應(yīng)力為1.46 MPa，臺(tái)階法在隧道開挖完成后造成的圍巖最大壓應(yīng)力為1.83 MPa。相比之下，CD法比臺(tái)階法的最大壓應(yīng)力降低了33.3%。因此，從圍巖應(yīng)力變化來看，CD法施工方案優(yōu)于其余兩種施工方案。采用CD法施工時(shí)，不僅可以加快施工進(jìn)度，還可以避免各分部施工對(duì)隧道的干擾。

(3)通過圍巖應(yīng)變分析可得，在隧道開挖時(shí)邊墻處會(huì)形成一個(gè)雙曲線形狀的剪切帶。這是由于巖體中節(jié)理的存在，使巖體沿節(jié)理面產(chǎn)生破壞。但是，隨著整個(gè)隧道開挖完成剪切帶逐漸趨于穩(wěn)定。

(4)從地表不同位置沉降曲線圖來看，CD法施工方案在地表的每一個(gè)位置產(chǎn)生的沉降量都較其余兩種施工方案產(chǎn)生的沉降量小。在距離隧道中線40 m范圍內(nèi)地表產(chǎn)生的沉降量較大，可以看出隧道開挖對(duì)地表沉降影響的區(qū)域大致為隧道中線兩側(cè)3倍跨度左右。

[1] 李振東, 李 輝, 王 健. 地鐵隧道支護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究[J]. 地下空間, 2004, 24(1): 19-22.

[2] 石 熊, 張家生, 劉寶琛. 大斷面淺埋偏壓隧道CRD法施工工序研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2015, 52(3): 193-199.

[3] 任建喜, 萬永濤, 張揚(yáng)洋, 等. 大斷面黃土地鐵隧道CRD法施工誘發(fā)的地表沉降規(guī)律[J]. 城市軌道交通研究, 2015, 18(10): 21-26.

[4] 任建喜. 地下工程施工技術(shù)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2012.

[5] 丁 銳, 范 鵬, 焦 蒼, 等. 不同開挖步驟引起淺埋隧道地表沉降的數(shù)值分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2005, (5): 62-65.

[6] 張 莉. 隧道施工由CRD改為CD工法襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變位分析[J]. 地質(zhì)與勘探, 2007, (2): 93-98.

[7] 周 雋. 矩形隧道施工引起的地表變形分析[J]. 地下工程與隧道, 2006, (2): 20-22.

[8] 張國亮, 韓雪峰, 陳登偉, 等. 暗挖地鐵車站大斷面隧道施工過程的數(shù)值模擬研究[J]. 四川建筑科學(xué)研究, 2015, 41(3): 54-57.

[9] 李 圍. 隧道及地下工程FLAC解析方法[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2009.

[10] 陳育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2013.

[11] 周陽敏, 王 哲, 王 哲, 等. 淺埋大斷面隧道在初期支護(hù)下的穩(wěn)定性數(shù)值分析[J]. 科技通報(bào), 2015, 31(5): 102-105.

[12] 宋風(fēng)超, 許英姿, 韓昌瑞, 等. 沿街城市淺埋隧道的三維施工效應(yīng)分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2013, 9(1): 141-146.

[13] 王義重, 李勇泉, 傅旭東. 求水山隧道下穿機(jī)荷高速段新奧法施工有限元計(jì)算[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(1): 125-131.

[14] 張明告, 周順華, 黃大維, 等. 地表超載對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道的影響分析[J]. 巖土力學(xué), 2016, 37(8): 2271-2278.

[15] 沈明榮, 陳建峰. 巖體力學(xué)(第二版)[M]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社, 2015.

[16] 劉 俊, 劉新榮, 賴 勇, 等. 不同覆跨比下淺埋軟弱隧道的破壞模式[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 47(5): 1744-1751.

[17] 高文藝. 深部復(fù)合地層TBM隧道變形時(shí)空演化規(guī)律研究[D]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué), 2015 .