云中隧道軟弱偏壓段圍巖不同工法開挖數(shù)值模擬分析

■薛大全

(中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福州 300015)

1 引言

已有工程實(shí)踐表明，在軟巖地層進(jìn)行隧道修建時(shí)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生諸如隧道斷面縮小、襯砌開裂、鋼拱架扭曲等大變形破壞現(xiàn)象，而且隧道圍巖變形初期不僅絕對(duì)量值較大，位移的速度也很快。為此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)大變形軟巖隧道工程進(jìn)行了一系列理論和試驗(yàn)研究，尤其在施工工法及支護(hù)參數(shù)等方面進(jìn)行了較為深入的探討：如王樹仁等對(duì)軟巖隧道的大變形力學(xué)機(jī)制及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了分析;王書剛、李術(shù)才等從隧道開挖與支護(hù)的安全性出論述了淺埋偏壓隧道的設(shè)計(jì)與施工情況；劉志春等對(duì)軟巖隧道二襯施做時(shí)機(jī)進(jìn)行了探討，王祥秋等對(duì)崇遵高速公路龍井隧道進(jìn)日段施工過程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，得出了在偏壓作用下隧道施工過程中圍巖位移的變化規(guī)律。

以上研究成果對(duì)于工程設(shè)計(jì)及施工起到了一定的指導(dǎo)作用。云中隧道進(jìn)口右洞由于地形的因素，該隧道洞口右側(cè)地勢(shì)明顯高于洞口左側(cè)段，導(dǎo)致隧道洞口段處于偏壓的受力，且洞口實(shí)際開挖過程中圍巖主要為坡積土及砂土狀-碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化碎斑熔巖，松散-破裂結(jié)構(gòu)，地下水發(fā)育，實(shí)際開挖過程中采用了CD法開挖，在施工過程中初支噴層出現(xiàn)了開裂，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明，拱頂和拱腳均及拱腰收斂均出現(xiàn)了很大的凈空位移，地表也出現(xiàn)了明顯的裂縫，及時(shí)采取了注漿及超前小導(dǎo)管等支護(hù)措施，防止了隧道進(jìn)一步的災(zāi)變。可見CD法開挖在偏壓軟弱圍巖段施工存在很大安全隱患；本文以云中隧道洞口段偏壓軟弱圍巖為研究對(duì)象，基于FLAC3D有限差分軟件對(duì)比分析在隧道施工中常用的CD法和CRD法兩種不同開挖支護(hù)方法在偏壓軟弱圍巖段的適用性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征進(jìn)行分析研究。

2 工程背景

云中隧道位于福建閩清境內(nèi)，隧道區(qū)屬丘陵低山地貌，隧道縱穿北東向山脊，地形起伏較大。山體自然斜坡坡度為25～30°；進(jìn)口段山體自然斜坡坡度為20～30°，出口段山體自然斜坡坡度為20～25°沿線最高點(diǎn)海拔約140.0m，溝谷較窄，切割較深，植被較發(fā)育。

云中隧道全長(zhǎng)433.5m，左右洞呈小凈距布置，左洞全長(zhǎng)435m，右洞全長(zhǎng)432m，為短隧道。隧道全長(zhǎng)位于直線范圍內(nèi)。隧道縱坡坡率/坡長(zhǎng)：右洞為-2.98%/432m，左洞為-2.98%/435m。

隧道區(qū)進(jìn)口段風(fēng)化巖層厚度較厚、出口段及洞身段上覆土層一般厚度較小，巖層主要以侏羅紀(jì)南園組(J3n)碎斑熔巖為主，屬較硬-堅(jiān)硬巖，巖體較破碎-較完整，對(duì)隧道洞身圍巖的穩(wěn)定較有利，洞身圍巖級(jí)別一般為Ⅳ級(jí)，局部為Ⅲ級(jí)。

圖1 云中隧道縱斷面圖

隧道區(qū)地形起伏較大；地下水主要為強(qiáng)風(fēng)化層中的孔隙、裂隙型潛水、構(gòu)造裂隙水，主要受大氣降水垂向補(bǔ)給，地下水較豐富。

3 計(jì)算模型

計(jì)算選取洞口段YK5+822剖面進(jìn)行準(zhǔn)三維計(jì)算，三維計(jì)算。計(jì)算坐標(biāo)系X軸為水平方向，Y軸豎直向上為正，Z軸取為沿隧道軸線方向。計(jì)算模型范圍及邊界條件參照巖石力學(xué)和隧道力學(xué)理論確定。考慮到“邊界效應(yīng)”，橫向邊界到隧道邊界的距離約4倍洞徑(隧道跨徑12m)，計(jì)算模型左右各50m；在垂直方向上，上邊界至地表，下邊界到隧道底部的距離約3倍洞徑，下邊界距隧道底部為36m；只考慮自重作用，忽略構(gòu)造應(yīng)力；數(shù)值計(jì)算軟件采用FLAC3D，圍巖采用實(shí)體單元模擬，初噴混凝土采用liner單元模擬；采用順序建模的方式實(shí)現(xiàn)隧道的開挖和支護(hù)，通過空單元命令實(shí)現(xiàn)開挖，同時(shí)建立結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)支護(hù)效果。CRD法計(jì)算模型共剖分了17028個(gè)節(jié)點(diǎn)，20475個(gè)單元；CD法計(jì)算模型共剖分了17334個(gè)節(jié)點(diǎn)，20853個(gè)單元。計(jì)算模型如下圖2、圖3所示。

模型邊界約束條件設(shè)定如下：

(1)模型左右邊界定為單約束邊界，取 u=0，v≠0，w≠0(u為X方向位移，v為Y方向位移，w為Z方向位移)；

(2)模型前后邊界定為單約束邊界，取 u≠0，v=0，w≠0；

(3)模型底邊界定為全約束邊界，取u=0，v=0，w=0；

(4)模型上邊界定為自由邊界，不予約束。

參考研究區(qū)域的煤巖物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取模型為近似理想的彈塑性模型，其破壞準(zhǔn)則選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

圖2 CRD法開挖計(jì)算模型

圖3 CRD法開挖計(jì)算模型

其中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；c為粘結(jié)力；φ為內(nèi)摩擦角。

其主要地層結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

采用邊模量、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力及抗拉強(qiáng)度等材料參數(shù)來進(jìn)行模擬計(jì)算。針對(duì)體變模量和切變模量采用以下兩個(gè)公式進(jìn)行材料屬性轉(zhuǎn)換。

體變模量(bulk)：

切變模量(shear)：

式中，E——彈性模量；

μ——泊松比。

4 不同工法開挖數(shù)值模擬分析

(1)位移場(chǎng)變化特征

從圖4、圖5可知，開挖完成后，由于應(yīng)力釋放，圍巖變形表現(xiàn)為底板右拱肩以豎向位移為主，左拱腰及右拱腳以水平位移為主，拱頂水平位移稍大于豎向位移。由于存在偏壓，右側(cè)拱部位移量值大于左側(cè)拱部。由下表2可知，兩種施工工法在YK5+822剖面洞周變形位移CRD法明顯優(yōu)于CD法。

由此可見，對(duì)于處在淺埋偏壓地段且?guī)r性較弱的洞口，應(yīng)及時(shí)施做仰拱，以盡早形成封閉受力環(huán)，增強(qiáng)圍巖整體穩(wěn)定性。拱腳和邊墻部位應(yīng)該作為加固設(shè)計(jì)與施工考慮的重點(diǎn)部位。

對(duì)于隧道淺埋偏壓軟弱圍巖段，CD法與CRD法都能很好的控制隧道的洞周變形，但CRD法效果更佳。

CD法與CRD法兩種不同工法隧道施工過程中隧道洞周位移值如下表2所示：

圖4 隧道開挖垂直位移(m)等值線

圖5 隧道CD法開挖位移(m)等值線

(2)應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律特征

圖6-圖7分別表示采空區(qū)在隧道上隧道開挖過程中的最大主應(yīng)力(σ1)和最小主應(yīng)力(σ3)變化等值線圖。由于隧道的開挖，隧道附近出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于CD法和CRD法支護(hù)方式的不同，相應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)域及集中程度也有一定的差異，隧道處于偏壓淺埋軟弱層，兩種工法在右拱肩、左側(cè)仰拱及右側(cè)仰拱區(qū)域都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且應(yīng)力在該區(qū)域集中分布，拱腰及拱腳表現(xiàn)為以壓應(yīng)力為主(FLAC3D中壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正)，“壓-剪”破壞較為明顯，最大主應(yīng)力CD法拱腳地層應(yīng)力集中區(qū)域明顯大于CRD法，CRD法左拱腳位置較CD法壓應(yīng)力集中程度及范圍小。表3數(shù)據(jù)可知，CRD法噴層內(nèi)最大及最小主應(yīng)力相對(duì)CD法更小，支護(hù)結(jié)構(gòu)更合理。

CD法與CRD法兩種不同工法隧道施工過程中隧道初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力值如下表3所示：

圖6 隧道CRD法開挖主應(yīng)力(Pa)等值線圖

圖7 隧道CD法開挖主應(yīng)力(Pa)等值線圖

表3 隧道不同施工方法初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

(3)初支彎矩分析

由以下噴層彎矩圖8可見，在軟巖隧道施工過程中，CRD和CD法開挖支護(hù)過程中噴層內(nèi)沿隧道軸線的彎矩My(y方向?yàn)樗淼垒S線方向)兩種工法在右拱肩位置都為為正彎矩，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，也是隧道支護(hù)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，在施工中要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)；其余部位主要為負(fù)彎矩，表現(xiàn)為壓應(yīng)力；由于這兩種工法都有臨支撐結(jié)構(gòu)，都能很好的抵抗隧道偏壓變形，由圖8(a)、圖8(b)可知，在臨時(shí)中隔壁結(jié)構(gòu)中CD工法比CRD工法彎矩集中范圍大，相應(yīng)彎矩值也更大， 分別為-37.7kN·m.、-25.4kN·m，CRD 法彎矩值相對(duì)減小32.9%，可見由于CRD橫撐的作用，其中隔壁彎矩受力明顯改善。由表4數(shù)據(jù)可以看出，CD工法拱頂部位出現(xiàn)了拉應(yīng)力，對(duì)施工安全不利，其他部位也均大于于CRD法噴層中的彎矩值。在實(shí)際施工過程中，采用CD法開挖支護(hù)需在拱頂及右拱肩位置加強(qiáng)支護(hù)，并且盡快使噴層成環(huán)，使噴層結(jié)構(gòu)均勻受力，減小局部彎矩集中。

CD法與CRD法兩種不同工法隧道施工過程中隧道初支彎矩值如下表4所示：

圖8 初支彎矩圖(N·m)

表4 隧道不同施工方法噴層支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過對(duì)云中隧道洞口段淺埋軟弱偏壓隧道CD法與CRD法兩種不同施工工法的數(shù)值模擬計(jì)算與分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)隧道的開挖引起隧道上覆地層沉降，下伏地層向上隆起，由于隧道右側(cè)偏壓受力，在拱肩位置位移及受力都較左邊大，在實(shí)際施工過程中應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域的支護(hù)與監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)施工，及時(shí)防治危險(xiǎn)的發(fā)生。

(2)CD法與CRD法兩種開挖支護(hù)工法在淺埋軟弱偏壓隧道均能很好的控制變形，但整體上CRD法施工效果更佳，在嚴(yán)格控制變形的隧道施工中建議適用該工法。