水平軟硬互層隧道圍巖動(dòng)態(tài)模擬方法及施工方法優(yōu)選

任 松，李 玉，歐陽汛，，陳 釩，姜德義，陳 結(jié)

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048)

軟硬互層巖體是指有一組或多組結(jié)構(gòu)面占絕對優(yōu)勢(如層面、片理面等)的圍巖體[1]，其中軟巖強(qiáng)度低，易于風(fēng)化和軟化而破碎；硬巖則相對更完整，強(qiáng)度也明顯更高[2].近水平軟硬互層巖體是典型的復(fù)雜巖體之一，在高速公路、鐵路隧道建設(shè)施工中經(jīng)常遇到，嚴(yán)重影響隧道穩(wěn)定性.目前有限元法是提供可靠變形預(yù)測的重要工具，普遍應(yīng)用于隧道穩(wěn)定性分析[3].現(xiàn)有研究大多將層狀巖體視為橫觀各向同性，張茹等[4]將凍土分別視為各向同性材料和橫觀各向同性材料，得出橫觀各向同性線彈性模擬數(shù)值較各向同性普遍偏小.宓榮三[5]將喬莊隧道軟弱巖體視為各向同性材料進(jìn)行數(shù)值模擬，所得結(jié)果比實(shí)測值略為偏大；肖小文[6]等采用橫觀各向同性模型分析了高地應(yīng)力區(qū)緩傾互層巖體無砟軌道隧道底部隆起的成因，并提出了具體整治方案；申靈君等[7]對軟弱地層大斷面選用不同工法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并對相應(yīng)圍巖穩(wěn)定和支護(hù)效果優(yōu)劣進(jìn)行評價(jià).

以上方法對某些巖性較好的互層巖體可以達(dá)到精度要求，但對一些巖性差的巖體，模擬結(jié)果將有一定差異，且不適用于層理明顯存在的層狀沉積巖體[7-8].上述模擬方法也未考慮時(shí)間效應(yīng)，不能考慮隧道施工工序，只能得到圍巖最終變形結(jié)果.另外，對于近水平軟硬互層隧道施工方法，缺乏針對性，因此，水平軟硬互層隧道模擬方法及其相應(yīng)施工工藝設(shè)計(jì)也需進(jìn)一步改進(jìn).本文依托于江習(xí)高速四面山隧道，提出采用水平互層圍巖隧道動(dòng)態(tài)模擬方法，考慮層理影響及圍巖持續(xù)變形特性，嘗試提供一種一定程度更為精確的軟硬互層圍巖隧道變形預(yù)測思路；并采用該方法，預(yù)測隧道圍巖施工過程中的實(shí)時(shí)變形情況并驗(yàn)證，優(yōu)選出針對性的施工方法.

1 水平互層圍巖隧道動(dòng)態(tài)模擬方法

1.1 非線性接觸分析模擬方法

將巖土體視為橫觀各向同性材料時(shí)，整個(gè)巖層為一整體，層間無相互作用力且黏結(jié)牢固.軟硬互層巖體特點(diǎn)在于層理效應(yīng)明顯，導(dǎo)致巖體變形和強(qiáng)度具有各向異性，容易發(fā)生分層、滑移、彎折、傾倒?jié)⑶茸冃纹茐腫9].因此不能將其視為簡單的連續(xù)介質(zhì)，也不能簡單視作橫觀各向同性體而對整個(gè)巖層賦予相同的力學(xué)參數(shù).采用非線性接觸分析方法，使用接觸對(Targe以及Conta)單元模擬層理，考慮了層理效應(yīng)的影響，模擬更接近工程實(shí)際情況.

1.2 隧道開挖全過程動(dòng)態(tài)模擬方法

以往的數(shù)值模擬方法大都未考慮時(shí)間效應(yīng)，對于施工工序接替及此過程中的圍巖變形特性也未能較好地體現(xiàn).本次模擬還提出采用一種隧道開挖全過程模擬方法，該方法的特征在于，視隧道施工過程中圍巖體為一種隨時(shí)間持續(xù)變形的結(jié)構(gòu)體，模擬不同施工階段下圍巖的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而達(dá)到模擬整個(gè)隧道開挖過程的目的.

ANSYS隱式蠕變11號方程，包含了第一階段蠕變和第二階段蠕變，并做了時(shí)間強(qiáng)化，通過砂泥巖蠕變試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其較為符合，能夠形象體現(xiàn)監(jiān)控量測階段圍巖持續(xù)變形直至收斂的自穩(wěn)效應(yīng)，且使得圍巖模擬材料具備時(shí)變效應(yīng)，還能夠更好地體現(xiàn)施工步序的相互接替.因此采用CREEP準(zhǔn)則，將11號方程作為砂泥圍巖持續(xù)變形的本構(gòu)方程，方程具體形式如式(1)所示.

(1)

式中：εcr為巖石等效蠕變應(yīng)變，t為時(shí)間，σ為巖石等效應(yīng)力，T為溫度，C1～C7為蠕變參數(shù).

該方法優(yōu)點(diǎn)在于，通過控制時(shí)間，能夠較好反映隧道開挖各個(gè)階段下圍巖隨時(shí)間持續(xù)變形特性，也能確定初期支護(hù)時(shí)間，保證二次襯砌緊跟等各施工工序環(huán)節(jié)的有效接替，提高隧道穩(wěn)定性，加快施工進(jìn)度.另外，該方法可與非線性接觸分析方法結(jié)合使用，即得水平互層圍巖隧道動(dòng)態(tài)模擬方法，進(jìn)而應(yīng)用于層理效應(yīng)明顯的水平軟硬互層圍巖隧道施工模擬及優(yōu)化，指導(dǎo)類似圍巖隧道施工設(shè)計(jì)，有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值.水平互層圍巖隧道動(dòng)態(tài)模擬方法技術(shù)路線圖如圖1所示，具體包括如下幾個(gè)步驟：

(1) 建立隧道開挖模型，并劃分網(wǎng)格；開始求解時(shí)殺死各支護(hù)單元以保證在初始地應(yīng)力計(jì)算中隧道周圍的地應(yīng)力與實(shí)際情況相符合；

(2) 模擬地應(yīng)力：隧道開挖前原巖應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，因此模擬初始地應(yīng)力時(shí)設(shè)置一個(gè)很小的時(shí)間(1*10-8)來使圍巖不發(fā)生蠕變，并施加重力荷載；

(3) 殺死開挖單元、初襯，設(shè)置結(jié)束時(shí)間為t1，模擬開挖完成到初襯建立之前階段，0-t1為該階段所用的時(shí)間，對應(yīng)于隧道實(shí)際建設(shè)過程中開挖完成而未建立初期支護(hù)的時(shí)間；

(4) 激活初襯但不激活二襯，設(shè)置結(jié)束時(shí)間為t2，模擬初期支護(hù)到二襯支護(hù)前階段，該階段所用時(shí)間為t1～t2，對應(yīng)于隧道實(shí)際建設(shè)過程中初期支護(hù)建立后監(jiān)控量測時(shí)間，并將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)做對比.

2 模擬方法對比及工程應(yīng)用

2.1 工程概況

四面山隧道屬于重慶江津至貴州習(xí)水高速公路一大重點(diǎn)工程段，隧道左右洞長近5 000 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，荷載等級為I級.隧道為三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，屬中斷面特長隧道，其拱高7.05 m，上半圓半徑5.45 m，凈空面積64.28 m2，周長31.17 m，如圖1所示.

隧道砂泥互層段圍巖等級為V級，其巖質(zhì)多軟弱，砂巖與泥巖彈性模量比值5∶1，粘聚力比值4∶1，砂、泥巖呈互層狀產(chǎn)出.V級圍巖隧道采用導(dǎo)坑法或上下臺階法分部開挖，二次復(fù)合支護(hù).

圖1 四面山隧道主洞斷面內(nèi)輪廓圖(單位：mm)Fig.1 The inner contour of Simianshan tunnel/mm

2.2 平面應(yīng)變模型建立

砂泥復(fù)合巖層軟硬不均，砂巖強(qiáng)度相對要高、脆性好、延展性低，而泥巖強(qiáng)度更低、延展性及壓縮性大[10].結(jié)合《四面山隧道施工設(shè)計(jì)說明》及地勘資料，由于隧道長度相對其斷面尺寸足夠大，因此以平面應(yīng)變問題處理分析，根據(jù)隧道實(shí)際工況，建立幾何模型如圖2所示.模擬范圍寬300 m，高126 m，遠(yuǎn)大于開挖洞徑.巖層自上而下為泥巖(40 m)—砂巖(10 m)—泥巖(9 m)—砂巖(3 m)—泥巖(20 m)—砂巖(44 m).《四面山隧道施工設(shè)計(jì)說明》建議V級圍巖隧道施工采用導(dǎo)坑法或臺階法.以桿單元Link1模擬錨桿材料，梁單元Beam3模擬噴射混凝土材料，平面單元Plane42模擬巖體材料.接觸對中targe169單元模擬相對更硬的砂巖接觸面，conta171單元模擬相對更軟的泥巖接觸面，各巖體材料及支護(hù)材料參數(shù)見表1，層理參數(shù)參考文獻(xiàn)[11].

圖2 四面山隧道模型建立Fig.2 The build of Simianshan tunnel model

需要說明的是，建模過程中需保證各巖層間不共線，以便生成接觸對，對于錨桿穿砂巖層形成錨固段部分，需設(shè)置兩次面域來保證其上下層間不共線：將整個(gè)錨固段單獨(dú)成面一次，所形成面域賦予實(shí)體屬性，穿層錨固段則不具備材料屬性；針對巖層巖性不同，需再將穿層錨固段區(qū)域進(jìn)行上下成面，此時(shí)面域需同時(shí)具備實(shí)體屬性及材料屬性，這樣能夠很好地解決層理非線性分析不收斂問題.

表1 材料參數(shù)Tab.1 The mechanical parameters

2.3 模擬方法結(jié)果對比分析

采用橫觀各向同性模型模擬方法時(shí)，巖土體材料采用彈塑性本構(gòu)模型、DP準(zhǔn)則，此時(shí)隧道開挖與時(shí)間無關(guān)；采用水平互層隧道圍巖動(dòng)態(tài)模擬方法時(shí)，巖土體材料采用隱式蠕變11號本構(gòu)、CREEP準(zhǔn)則，此時(shí)圍巖具有時(shí)變效應(yīng).分別采用上述兩種方法進(jìn)行隧道開挖模擬，得兩種方法模擬結(jié)果如表2所示.

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12]，近水平軟硬互層隧道拱頂下沉明顯大于水平收斂.水平互層隧道圍巖動(dòng)態(tài)模擬所得拱頂沉降數(shù)值11.33 mm，水平收斂6.42 mm；橫觀各向同性模型模擬方法所得拱頂沉降數(shù)值10.34 mm，水平收斂3.90 mm.前者拱頂下沉數(shù)值較后者增大9.5%，水平收斂數(shù)值增大64.6%，可見，考慮圍巖蠕變時(shí)間效應(yīng)后，變形更為明顯.

表2 不同模擬方法下隧道圍巖穩(wěn)定性對比Tab.2 Stability comparation of surrounding rock under different simulation method

在砂泥互層V級圍巖施工段左右洞各選5個(gè)斷面進(jìn)行圍巖變形測試，自測試日起，記錄各斷面水平收斂及拱頂下沉直至穩(wěn)定，具體結(jié)果對比如表3.拱頂下沉數(shù)值與水平收斂比值位于1.5～2.0范圍，測試所得各結(jié)果均值與平面應(yīng)變問題模擬所得變形數(shù)值進(jìn)行對比稍有偏小，水平互層隧道圍巖動(dòng)態(tài)模擬方法模擬結(jié)果較好，符合隧道開挖實(shí)際變形特點(diǎn).

表3 位移模擬數(shù)值與實(shí)測值對比Tab.3 Displacement simulation value compared with the measured displacement value

3 四面山隧道施工工藝優(yōu)選及驗(yàn)證

3.1 施工工藝優(yōu)選

(1)實(shí)體模型建立

水平軟硬互層V級圍巖巖性軟弱，且層理效應(yīng)使得水平巖層層間結(jié)合力差，隧道開挖方法不同對圍巖變形影響也不相同.根據(jù)實(shí)際地層情況，對四面山砂泥互層V級圍巖段隧道進(jìn)行施工方法優(yōu)選，建立三維模型如圖3所示，所模擬圍巖范圍寬300 m，高114 m，模型自上而下為砂巖31.5 m—泥巖24.5 m—砂巖9 m—泥巖7 m—砂巖10 m(A5)—泥巖9 m—砂巖23 m.以Solid187實(shí)體單元模擬巖體及襯砌結(jié)構(gòu).采用水平互層圍巖隧道動(dòng)態(tài)模擬方法，考慮隧道圍巖持續(xù)變形及層理效應(yīng)，分別對上下臺階法、全斷面法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道位移場分析，各施工方法具體工序步驟模擬均按實(shí)際施工情況進(jìn)行.

圖3 四面山隧道三維模型Fig.3 The 3D model of Simianshan tunnel

(2)邊界條件

根據(jù)隧道模型，針對整個(gè)模型長度方向，約束其左右面的邊界節(jié)點(diǎn)，使水平方向(X方向)位移為零，對于豎直方向(Y方向)，限制底部位移為零.對模型的主視面和后視面(Z方向)均進(jìn)行約束.頂部則不作任何約束，位移也不受限制，但施加重力荷載模擬上覆巖層的自重.

(3)優(yōu)選結(jié)果及分析

基于本文提出的模擬方法，對四面山V級砂泥互層隧道進(jìn)行開挖方法優(yōu)選，提取前節(jié)定義的t1～t2時(shí)間段各方法的圍巖變形結(jié)果，如表4所示.全斷面法和臺階法所得隧道水平收斂分別為單側(cè)壁導(dǎo)坑法的1.83倍和1.28倍；拱頂沉降則分別為單側(cè)壁導(dǎo)坑法的1.63倍和1.21倍.可見全斷面法施工隧道圍巖變形最大；采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)，對圍巖變形影響最小.

現(xiàn)場監(jiān)控量測(對應(yīng)t1～t2時(shí)間段)，是在初期支護(hù)完成之后開始，在二襯支護(hù)開始時(shí)結(jié)束，該階段無法測量到隧道開挖的瞬時(shí)卸荷變形及初期支護(hù)完成之前短暫的持續(xù)變形.為更好地與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，提取施工過程模擬方法所得該階段的相關(guān)結(jié)果.結(jié)合部分文獻(xiàn)及隧道相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[13-14]：隧道監(jiān)控量測時(shí)段的變形占總變形(≤20 mm)的70%，可知全斷面法施工圍巖變形超出允許值，初步建議軟硬互層隧道施工采用上下臺階法.

表4 各施工方法下隧道圍巖變形Tab.4 The deformation of surrounding rock under different construction method

3.2 優(yōu)選施工工藝現(xiàn)場驗(yàn)證

根據(jù)四面山隧道V級砂泥互層段現(xiàn)場臺階法施工情況，結(jié)合原位監(jiān)測技術(shù)，用以測試隧道變形，不僅能夠驗(yàn)證模擬方法及其結(jié)果與實(shí)際的相符程度，清晰描述施工過程對隧道變形的影響，而且還能驗(yàn)證上下臺階法是否可行.

(1) 現(xiàn)場驗(yàn)證方案

在開挖段左右洞分別選取3個(gè)斷面進(jìn)行測試，自開挖之日起直至采取二襯支護(hù)，詳細(xì)記錄各斷面變形的收斂情況，包括量測拱頂下沉、凈空水平收斂.

拱頂下沉和水平收斂量測斷面的間距為15 m，在圍巖變化處做了適當(dāng)加密.均在靠近工作面0.5～2 m位置埋設(shè).初讀數(shù)均在開挖后12 h內(nèi)讀取，根據(jù)施工方法、地質(zhì)條件，凈空水平收斂測線設(shè)為一條水平測線.拱頂下沉量測與凈空水平收斂量測在同一量測斷面內(nèi)進(jìn)行.具體拱頂下沉監(jiān)測點(diǎn)和水平收斂測點(diǎn)布置如圖4所示.圖中，數(shù)字1，2為水平收斂測點(diǎn)，3為拱頂沉降測點(diǎn).

圖4 現(xiàn)場測點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of field measurement points

(2)驗(yàn)證結(jié)果及分析

施工過程(t1～t2時(shí)間段)模擬結(jié)果如圖5所示，與表4現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果對比，對比可知，相較于水平收斂數(shù)值，拱頂下沉為其1.5～2.0倍.以1 d為時(shí)間間隔，將每一施工過程模擬數(shù)值與A1～A6斷面的實(shí)測數(shù)值繪制成曲線，如圖6所示.測試所得各結(jié)果及其平均值與實(shí)體模型模擬值吻合程度較高.

圖5 隧道上下臺階開挖位移場變化(單位：m)Fig.5 Bench excavation method displacement field changes of the tunnel

圖6 隧道變形模擬值與各斷面現(xiàn)場測試結(jié)果對比Fig.7 Comparison diagram of the simulation value with field test deformation results of tunnel

4 討論

(1)對四面山砂泥互層V級圍巖隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，采用二維模型，基于平面應(yīng)變問題，忽略了隧道長度方向的變形，使其所得水平方向與豎直方向開挖變形結(jié)果較三維模型大，而橫觀各向同性模擬方法由于忽略了層理作用，使得其二維模型模擬值比實(shí)測值要小；另外，里程樁號不同，模型尺寸改變，使得隧道上覆巖層荷載發(fā)生變化，也使得二維模擬結(jié)果與三維有一定差異.

(2)數(shù)值模擬結(jié)果中，水平位移最大值出現(xiàn)在拱腳處，豎直位移最大值出現(xiàn)在拱底，這應(yīng)該是由于下臺階巖性為泥巖，較上臺階砂巖層更軟弱，更易破碎，隧道開挖使得拱底圍巖承載能力嚴(yán)重喪失，所受荷載更大，也導(dǎo)致底部圍巖向開挖空間內(nèi)變形擠出量更大，底部隆起量相比拱頂沉降量也更大.

(3)雖然當(dāng)軟硬互層巖體具有一定傾角時(shí)，在隧道施工過程中層理效應(yīng)將發(fā)生變化；隧道的埋深及施工方法不同也會(huì)使得圍巖變形特性不同；臺階長度、日進(jìn)尺量等改變也都會(huì)對隧道穩(wěn)定性及二襯時(shí)間造成一定影響.此類因素會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有一定的差異，但分析思路仍然是可用的.

5 結(jié)論

(1)提出采用水平互層圍巖隧道動(dòng)態(tài)模擬方法，考慮了層理效應(yīng)及圍巖在時(shí)間效應(yīng)下的持續(xù)變形特性，更接近工程實(shí)際情況，為復(fù)雜水平軟硬互層圍巖隧道穩(wěn)定性分析提供了新的思路.

(2)優(yōu)選隧道常用施工模擬方法，結(jié)果顯示：水平互層圍巖隧道動(dòng)態(tài)模擬所得隧道變形結(jié)果較采用橫觀各向同性模型模擬時(shí)更大，但兩種方法均符合實(shí)際軟硬互層圍巖隧道變形特性，拱頂沉降數(shù)值為水平收斂數(shù)值的1.5～2.0倍.

(3)通過現(xiàn)場測試，以1 d為時(shí)間間隔，對比施工過程實(shí)際監(jiān)測值可知，水平互層圍巖隧道動(dòng)態(tài)模擬所得施工過程方法的變形模擬結(jié)果與實(shí)測值更吻合.軟硬互層隧道是施工采用上下臺階法可行.