基于FLAC3D的高速公路隧道兩種開挖方式穩(wěn)定性分析

賈杰南，劉騰隆，張 靜

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025； 2.中鐵電氣化局集團北京建筑工程有限公司，北京 100071)

0 引 言

近些年高速公路工程大規(guī)模發(fā)展，為滿足線路的選線、克服地形地貌的制約和滿足交通量的需要，山嶺隧道越來越多，比如川蘭鐵路的山嶺隧道占線路總長的一半。而山嶺隧道所遇到的圍巖復(fù)雜多變，構(gòu)造運動影響強烈，隧道斷面的跨度也越來越大，不同的斷面形式圍巖的應(yīng)力重分布及變形情況存在著一定的差距。軟弱地層條件下六車道雙連拱隧道與圍巖情況較好的雙向四車道、六車道隧道相比，隧道襯砌結(jié)構(gòu)、施工條件和施工組織更加復(fù)雜，建設(shè)中還存在大量工程技術(shù)問題尚需優(yōu)化[1]。選擇最為科學(xué)合理、最經(jīng)濟安全的施工方案，來最大程度控制圍巖變形、減小圍巖支護壓力，降低對施工場地周邊生態(tài)環(huán)境的影響，是業(yè)主、設(shè)計及施工各方都最為關(guān)注的[2]。同時，選取科學(xué)合理、經(jīng)濟安全的施工方案也是新形勢下隧道建設(shè)發(fā)展的要求。

為保證大斷面、特大斷面隧道施工開挖安全，常采用多導(dǎo)坑形式的分步施工法，如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD 法、上下臺階法等。這些施工方法對近似地質(zhì)條件、相同斷面隧道所產(chǎn)生的應(yīng)力重分布效果各不相同[3]。研究不同施工開挖方式對隧道圍巖應(yīng)力、變形破壞影響的方法主要有數(shù)值分析、模型實驗、現(xiàn)場實驗、工程類比等，其中數(shù)值分析法在各類方法中具有重復(fù)操作性等優(yōu)勢，可通過建立模型邊界條件分析不同級別不同荷載條件下隧道的圍巖穩(wěn)定性。本文基于FLAC3D數(shù)值計算，重點研究Ⅵ級圍巖下大跨度隧道兩種不同開挖方式的圍巖穩(wěn)定性問題。通過對Ⅵ級圍巖條件下、兩種不同施工開挖方式的模擬結(jié)果比較，確定軟弱地層條件下六車道雙連拱隧道的變形破壞區(qū)[4]。

1 工程概況

邙山隧道位于里程K22+235～K22+630，全長295 m，隧道設(shè)計為六車道雙連拱隧道。隧道最大開挖跨徑37.17 m，最大埋深79 m，單洞靜跨度為18.2 m，單洞標(biāo)準(zhǔn)斷面內(nèi)輪廓面積(含仰拱)為171.06 m2，隧道中墻采用4層復(fù)合式曲中墻，整體開挖跨度41.9 m，高度14.2 m。

隧道場址區(qū)屬侵蝕、剝蝕山地地貌，地形起伏大，隧道洞身巖土結(jié)構(gòu)由人工填土、殘破積亞黏土夾碎石、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖及煤層組成，圍巖強度較高，但整體完整性較差。隧道洞身圍巖以IV級圍巖為主，隧道橫穿山嶺，洞口段為殘坡積層及強風(fēng)化巖分布，呈松散碎裂狀，圍巖級別為V級，其中IV級圍巖最大埋深46.7 m，V級圍巖最大埋深36.0 m。進口段地表坡度陡，自然坡度角40°～55°，出口段自然坡度25°～40°。

2 計算方案

2.1 模型建立

以隧道進口段的殘破積亞黏土夾碎石為研究對象，依據(jù)隧道開挖的影響范圍，建立簡化的三維地質(zhì)及結(jié)構(gòu)模型，模型見圖1由于隧道本身工程地質(zhì)條件惡劣、圍巖應(yīng)力場復(fù)雜，隧道圍巖在施工過程中的破壞形式也具有多樣性，如受拉破裂、脆性剪切破壞、塑性破壞等，通常隧道圍巖的破壞形式一般認為是塑性破壞[5]。因此，在有限元計算中，選用較為合理的理想彈塑性本構(gòu)模型、德魯克-普拉格(Drucker-Prager)屈服準(zhǔn)則來判定圍巖的變形破壞。隧道施工過程通過軟件提供的單元“開挖”、“回填”、“復(fù)制線性材料”等命令來實現(xiàn)。

圖1 結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model

考慮邊界效應(yīng)影響，計算模型的范圍實際埋深取48.5 m，隧道模型拱腰邊緣距左右側(cè)邊界50 m，橫向長度取120 m，仰拱距底部邊界40 m，縱向長度取10 m。模型邊界設(shè)置運用位移邊界條件，頂部設(shè)置為自由邊界，左右兩側(cè)設(shè)置水平約束，底部采用固定支座形式以約束X、Y、Z方向的自由度，隧道軸向的前后兩邊界施加Y向約束。在支護結(jié)構(gòu)中，采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿，鋼拱架噴射砼與二襯采用實體單元zone單元模擬。模型材料物理力學(xué)參數(shù)見表1，支護結(jié)構(gòu)模型計算參數(shù)見表2。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of the model material

表2 支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)Tab.2 support structure calculation parameters

2.2 開挖方案

隧道采用CD法進行開挖施工，中墻采用C30混凝土，施工工序見圖2。CD法開挖及初期支護主要分為4步，即4個導(dǎo)洞。左側(cè)上導(dǎo)洞為先期開挖第一導(dǎo)洞，左側(cè)隧底為第二導(dǎo)洞，右側(cè)上下按順序分別為第三、第四導(dǎo)洞[6]。中隔壁法施工理念是先分部開挖隧道一側(cè)，之后施作中隔壁并支護成環(huán)，再分部開挖另一側(cè)。其原理是：把整個隧道大斷面分成左、右、上、下4個小斷面分別施工，每一小斷面單獨開挖，最終拆除中間支護結(jié)構(gòu)形成大的隧道斷面，利用巖層在開挖卸荷中短時的自穩(wěn)能力，外加型鋼和快速噴漿使圍巖表面形成初期支護結(jié)構(gòu)，以確保施工安全[7]。

圖2 CD法施工順序Fig.2 CD method construction sequence

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 圍巖變形計算結(jié)果

3.1.1 全斷面開挖圍巖豎向位移

通過模擬計算隧道全斷面開挖過程，主要模擬結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 全斷面開挖法垂直位移圖Fig.3 Vertical displacement diagram of full section excavation method

圖4 CD開挖法最終垂直位移圖Fig.4 CD vertical excavation method for vertical displacement

全斷面開挖并施作襯砌后，拱頂和拱底處的豎向位移最大，其值分別為-50和50 mm。拱腰處位移較小，趨于0 mm。水平位移在隧道周圍均較小，最大為4 mm，最小為0 mm。

3.1.2 CD法開挖圍巖豎向位移

圖5 CD法開挖垂直位移圖Fig.5 CD method of excavation vertical displacement map

通過模型模擬隧道CD法開挖過程，主要模擬結(jié)果見圖5。左上導(dǎo)洞開挖并施作中隔壁后，最大位移在上導(dǎo)洞底部，向上拱起25 mm，拱頂部位向下沉降-15 mm；第二階段為左下導(dǎo)洞開挖，施作相應(yīng)的中隔壁和襯砌后，左下導(dǎo)洞洞底的位移達到30 mm，拱頂部位為24 mm，拱腰部位豎直位移均較??；第三階段為右上導(dǎo)洞開挖，最大豎直位移出現(xiàn)在左下導(dǎo)洞的洞底部位，達到35 mm，拱頂最大出現(xiàn)在中隔壁右側(cè)導(dǎo)洞，位移為-35 mm；第四階段為右下導(dǎo)洞的開挖，拱頂與拱底的位移相對第三階段而言幾乎沒有變化，由于中隔壁和襯砌已成環(huán)形受力構(gòu)件，有效減少了隧洞豎向位移的變化[8]。

3.1.3 兩種開挖方式圍巖豎向位移計算結(jié)果分析

模型計算過程中對隧道周圍的關(guān)鍵點進行了位移檢測[9]，圖6中橫坐標(biāo)1為左導(dǎo)洞拱腰處節(jié)，2為左導(dǎo)洞拱肩處節(jié)點，3為拱頂處節(jié)點，4為右導(dǎo)洞拱肩處節(jié)點，5為右導(dǎo)洞拱腰處節(jié)點，6為拱底處節(jié)點。通過分析可知，用CD 法進行隧道開挖豎向位移整體小于全斷面開挖。

圖6 支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)Fig.6 support structure calculation parameters

3.2 圍巖壓力計算結(jié)果

3.2.1 全斷面開挖圍巖應(yīng)力結(jié)果

隧道開挖過程中，圍巖壓力計算結(jié)果見圖7。隧道開挖后隧洞周圍巖壓力較小，巖體的圍巖壓力沿中墻中軸線對稱分布[10]。左洞左導(dǎo)洞和右洞右導(dǎo)洞開挖后，開挖巖體周圍的圍巖壓力都不大，隧道開挖并施作完襯砌后，隧道圍巖最大主應(yīng)力為-0.2 MPa，最小主應(yīng)力幾乎趨于零。

圖7 全斷面開挖應(yīng)力圖Fig.7 Stress map for full excavation

圖8 CD法開挖垂直應(yīng)力圖Fig.8 CD method excavation vertical stress map

3.2.2 CD法開挖圍巖應(yīng)力結(jié)果

隧道開挖過程中的圍巖壓力計算結(jié)果見圖8。中導(dǎo)洞開挖并施作中墻后，中導(dǎo)洞洞周圍巖壓力較小，接近于零[11]。左洞左導(dǎo)洞和右洞右導(dǎo)洞開挖后，開挖巖體周圍的圍巖壓力都不大，巖體的圍巖壓力沿中墻中軸線對稱分布，最大值為1.4 MPa，主要分布在中墻上部，見圖8(a)；左洞上臺階開挖后，圍巖壓力最大值為0.9 MPa，分布在左導(dǎo)洞左右洞側(cè)拱肩處，見圖8(b)；左洞下臺階開挖后，圍巖壓力最大值為1.2 MPa，分布在左導(dǎo)洞左右洞側(cè)拱腰處，見圖8(c)；右洞上臺階開挖后，在中隔墻的頂部出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，最大值為0.8 MPa，最大圍巖壓力發(fā)生在中隔墻的底板位置和右導(dǎo)洞拱腰處，最大值為0.8 MPa，見圖8(d)；右洞下臺階開挖后，在中隔墻的頂部出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，最大值為0.5 MPa，二襯施作后，圍巖壓力變化趨于穩(wěn)定。

3.2.3 兩種開挖方式圍巖應(yīng)力結(jié)果比較

模型計算過程中對隧道周圍關(guān)鍵點進行了應(yīng)力檢測，圖9中橫坐標(biāo)1為左導(dǎo)洞拱腰處節(jié)點，2為左導(dǎo)洞拱肩處節(jié)點，3為拱頂處節(jié)點，4為右導(dǎo)洞拱肩處節(jié)點，5為右導(dǎo)洞拱腰處節(jié)點，6為拱底處節(jié)點。分析得出，用CD法進行隧道開挖應(yīng)力整體小于全斷面開挖。

圖9 應(yīng)力對比曲線Fig.9 Stress contrast curve

4 結(jié)論與建議

利用有限元計算法對IV級圍巖六車道雙連拱隧道的2種施工方法(全斷面法和CD法)進行模擬[12]。計算和分析比較這兩種施工方法下圍巖應(yīng)力和位移變形情況，結(jié)果表明：

1) 六車道雙連拱隧道IV級圍巖兩種開挖方法過程中，圍巖應(yīng)力場受分步開挖的多次擾動，強度變?nèi)?、完整性變差，從而?dǎo)致自穩(wěn)能力下降，其施工難度也越來越大。

2) 通過模型模擬對隧道周圍關(guān)鍵點進行位移檢測，分析看出，用CD法進行隧道開挖豎向位移整體小于全斷面法開挖，同時用CD法進行隧道開挖應(yīng)力整體也小于全斷面法開挖，從而利用CD法開挖可以更有效地增強隧道圍巖自身承載能力、發(fā)揮隧道初期支護的承載能力、增加二次襯砌對隧道的安全儲備，并且可以減弱施工過程中對中墻的不利影響。

3) 隧道開挖過程中的圍巖壓力計算結(jié)果表明，中導(dǎo)洞開挖并施作中墻后，中導(dǎo)洞洞周圍巖壓力較小，接近于零；左洞左導(dǎo)洞和右洞右導(dǎo)洞開挖后，開挖巖體周圍的圍巖壓力都不大，巖體的圍巖壓力沿中墻中軸線對稱分布；右洞下臺階開挖后，拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在中隔墻的頂部，二襯施作后，圍巖壓力變化趨于穩(wěn)定。

4) 六車道雙連拱隧道拱頂圍巖下沉量較大，邊墻水平變形較??；隧道初期支護內(nèi)力在邊墻位置的內(nèi)力要大于拱頂位置的初期襯砌內(nèi)力。因此，在六車道雙連拱隧道施工過程中，應(yīng)加強對隧道拱頂圍巖下沉變形的監(jiān)測，注意控制拱頂圍巖變形；初期支護施作時，應(yīng)注意隧道邊墻位置的施工，確保初期支護安全有效承載，滿足隧道施工的穩(wěn)定性要求。