軟巖隧道不同開挖方法對(duì)圍巖變形的影響

高玉明

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引 言

隨著高速鐵路的不斷建設(shè)，各種長(zhǎng)、深隧道施工不可避免，軟弱圍巖是隧道在修建時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到的一種不良地質(zhì)。在未開挖之前，軟弱圍巖一般具有較好的穩(wěn)定性，但當(dāng)隧道開挖時(shí)，軟弱圍巖受到擾動(dòng)，圍巖的穩(wěn)定性就會(huì)受到破壞[1-6]。國(guó)內(nèi)對(duì)軟弱圍巖隧道的開挖穩(wěn)定性進(jìn)行了很多的研究[7-12]，而研究不同開挖方法對(duì)軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性的影響也具有重要的意義。

1 工程概況

大岐山隧道位于里家寨河的峽谷地帶，起點(diǎn)里程為DK599+820，終點(diǎn)里程為DK609+322，正洞長(zhǎng)9 502 m，最大埋深約528.5 m。隧道為單洞雙線I級(jí)鐵路隧道，設(shè)計(jì)行車速度為200 km·h-1，并預(yù)留提速至250 km·h-1的條件。隧道區(qū)地形陡峻，穿越的地層巖性為寒武系水口群上亞群淺海相砂、頁(yè)巖和泥盆系下統(tǒng)蓮花山濱海相的紫紅色碎屑巖，圍巖以Ⅲ級(jí)至Ⅳ級(jí)為主，穿越多條斷層(4條斷層及6條次級(jí)斷層)，工程地質(zhì)條件較差，局部穿越灰?guī)r夾層段，可能涌水涌泥，存在人工平硐、巖爆、軟巖大變形等不良地質(zhì)。

2 不同開挖方法數(shù)值模擬

2.1 模型尺寸及參數(shù)選取

隧道的斷面凈高為10.3 m，最大跨度為12.06 m，埋深約10 m，計(jì)算模型縱向取3倍的隧道跨度(36 m)，左右兩邊寬度各取3倍跨度(36 m)，模型沿隧道開挖掘進(jìn)方向取30 m，每步開挖進(jìn)尺為3 m。所取模型的尺寸為80 m×30 m×75 m，如圖1所示。

圖1 有限元軟件計(jì)算模型

隧道圍巖和開挖部分采用德魯克-普拉格本構(gòu)模型，開挖時(shí)中間的鋼支撐和初期支護(hù)按彈性材料進(jìn)行模擬，初期支護(hù)采用板單元進(jìn)行模擬，鋼支撐采用1D梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，不考慮地下水的滲流作用。模型的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及襯砌的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 施工過程模擬

運(yùn)用有限元計(jì)算軟件MIDAS/GTS對(duì)該隧道工程進(jìn)行施工過程的數(shù)值模擬[13-14]。為了能夠綜合考慮隧道施工進(jìn)尺以及圍巖變形的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)，在計(jì)算時(shí)每一個(gè)計(jì)算步模擬一個(gè)開挖步，每一步計(jì)算施工3 m，臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工工序分別見圖2、3。

圖2 臺(tái)階法施工工序

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序

臺(tái)階法共有13個(gè)施工階段：第1步計(jì)算模型的初始應(yīng)力；第2步開挖隧道的上臺(tái)階，掘進(jìn)進(jìn)尺為3 m，根據(jù)開挖一段、封閉成環(huán)一段的原則施工；第3步施工隧道的拱頂以及中間的橫撐；第4步開挖隧道的下臺(tái)階；第5步施工隧道的仰拱，到此為施工階段的一個(gè)循環(huán)，上臺(tái)階開挖比下臺(tái)階超前3 m[15-17]。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法共有21個(gè)施工階段：第1步計(jì)算模型的初始應(yīng)力；第2步開挖①處的土體，開挖進(jìn)尺為3 m，根據(jù)開挖一段、封閉成環(huán)一段的原則施工；第3步施作①處的拱墻和內(nèi)部的鋼支撐；第4步開挖②處的土體，開挖進(jìn)尺為3 m；第5步施作②處的拱墻和內(nèi)部的鋼支撐；第6步開挖③處的土體，開挖進(jìn)尺為3 m；第7步施作③處的拱墻；第8步開挖④處的土體，開挖進(jìn)尺為3 m；第9步施作④處的拱墻；第10步開挖⑤處的土體；第11步施作拱頂以及⑤處的鋼支撐；第12步開挖⑥處的土體；第13步施作仰拱，至此完成雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的一個(gè)循環(huán)，依此循環(huán)到開挖結(jié)束[18-19]。

臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的計(jì)算模型斷面見圖4、5。

圖4 臺(tái)階法計(jì)算模型斷面

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法計(jì)算模型斷面

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 圍巖位移分析

隧道開挖完成之后，隧道各關(guān)鍵點(diǎn)的位移值如表2所示。臺(tái)階法由于上臺(tái)階一次開挖完成，拱頂以上的土壓力一次釋放，因此最大沉降發(fā)生在拱頂位置。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法由于是分塊開挖，并且及時(shí)施作支撐以及初期支護(hù)，因此開挖時(shí)圍巖關(guān)鍵點(diǎn)的位移值都不大，但由于拱頂下部土體開挖量較大，因此拱頂沉降也最大。

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)，隧道圍巖的拱頂沉降比臺(tái)階法小31.31%，說明在有軟弱圍巖存在時(shí)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法比臺(tái)階法更能控制圍巖的變形。

表2 圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移值 mm

臺(tái)階法開挖過程中拱頂沉降隨開挖步的變化如圖6所示。當(dāng)?shù)?步開挖后，拱頂沉降隨即增加，且增加趨勢(shì)較大；及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)并施作鋼支撐之后，拱頂沉降量開始下降；下臺(tái)階開挖后，拱頂沉降增加了約1 mm，當(dāng)仰拱施作完成后，拱頂沉降趨于穩(wěn)定；之后的開挖對(duì)拱頂沉降影響較小，最大的拱頂沉降值為13.32 mm。

圖6 臺(tái)階法拱頂位移值隨開挖步變化曲線

圖7 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隨開挖步變化曲線

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖過程中拱頂沉降隨開挖步的變化如圖7所示。在第5步開挖之前，拱頂沉降以一種很小的趨勢(shì)增加，每步增加量約為1 mm；當(dāng)開挖到第10步，即開挖拱頂以下的土體時(shí)，拱頂沉降的增加趨勢(shì)變大；當(dāng)拱頂?shù)某跗谥ёo(hù)和鋼支撐施作完成后，拱頂沉降的趨勢(shì)開始減小；當(dāng)最后一步開挖完成后，拱頂沉降增加了約1 mm；隧道仰拱施作完成之后，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，之后的每步開挖造成的拱頂沉降的增加量很小，最大的拱頂沉降值為9.14 mm。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)圍巖的位移控制效果更好，各個(gè)工作面封閉成環(huán)時(shí)間短，能夠盡早為圍巖提供支護(hù)作用，拱頂沉降的最大值為9.14 mm，小于臺(tái)階法的13.32 mm。

2.3.2 應(yīng)力分析

隧道開挖完成后，初期支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)最大、最小主應(yīng)力如表4所示。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和臺(tái)階法的拱頂應(yīng)力均最大，其次是拱肩應(yīng)力；隧道最大跨度位置處的壓應(yīng)力大于其他各關(guān)鍵點(diǎn)；臺(tái)階法最小壓應(yīng)力位于拱腳處，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最小壓應(yīng)力位于拱底處；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均小于臺(tái)階法。

表4 圍巖關(guān)鍵點(diǎn)最大、最小主應(yīng)力 MPa

臺(tái)階法拱頂應(yīng)力隨開挖步的變化如圖8所示。當(dāng)開挖到第7步之前，拱頂?shù)睦瓚?yīng)力一直比較穩(wěn)定，保持在0.5～1 MPa之間；當(dāng)?shù)?步開挖完成之后，隧道圍巖的拉應(yīng)力驟然上升；隨后，隧道圍巖的拉應(yīng)力穩(wěn)定在2 MPa左右，最大拉應(yīng)力為2.1 MPa。圍巖的壓應(yīng)力受開挖的影響較早，當(dāng)開挖到第6步時(shí)，圍巖的壓應(yīng)力就出現(xiàn)了顯著的增長(zhǎng)，當(dāng)開挖第8步完成之后，圍巖的壓應(yīng)力穩(wěn)定在2.5 MPa左右，最大壓應(yīng)力為2.52 MPa。

圖8 臺(tái)階法拱頂應(yīng)力隨開挖步變化曲線

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂應(yīng)力隨開挖步的變化如圖9所示。當(dāng)開挖到第8步之前，拱頂?shù)睦瓚?yīng)力一直穩(wěn)定在1 MPa以下；當(dāng)?shù)?步開挖完成之后，拱頂?shù)睦瓚?yīng)力突增；第8步開挖完成之后，拉應(yīng)力的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸穩(wěn)定，最大拉應(yīng)力為1.84 MPa。相比拉應(yīng)力，壓應(yīng)力的變化趨勢(shì)較為平緩，處于一種逐漸上升的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)?6步開挖完成之后，壓應(yīng)力的增大趨勢(shì)下降較為明顯，最大壓應(yīng)力為1.48 MPa。

圖9 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂應(yīng)力隨開挖步變化曲線

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力受開挖步數(shù)影響的程度均小于臺(tái)階法，所以雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相對(duì)于臺(tái)階法更能有效地控制拱頂應(yīng)力。

3 結(jié) 語

(1)開挖穿越軟弱圍巖的隧道會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生較大的影響，采取不同的開挖方式對(duì)圍巖的位移及應(yīng)力產(chǎn)生的影響不同。

(2)利用有限元軟件MIDAS/GTS對(duì)不同開挖方法下隧道開挖的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)了圍巖的位移和應(yīng)力隨開挖步數(shù)的變化規(guī)律,得出隧道穿越軟弱圍巖時(shí)圍巖的變化趨勢(shì)。通過這種方法，能夠合理選擇隧道的開挖方法，在保證隧道圍巖安全的前提下減少開挖成本。