小凈距公路隧道開挖圍巖變形的數(shù)值模擬

甄衛(wèi)剛，劉淑紅，2，王自豪

（1.石家莊鐵道大學 工程力學系，河北 石家莊 050043；2.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實驗室，河北 石家莊 050043）

0 引 言

近年來，中國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴大，受地形條件限制并考慮占地等因素，許多雙車道以上大斷面小凈距公路隧道應(yīng)運而生。在大斷面小凈距隧道的施工過程中，常面臨著埋深淺、圍巖穩(wěn)定性差、左右側(cè)隧道的開挖和中間巖體相互影響等問題，因此引起了工程界和學術(shù)界的廣泛關(guān)注。劉艷青等［1］對中國第一座小凈距并行隧道——招寶山隧道進行了數(shù)值模擬和施工過程監(jiān)測，得出了地面沉降、洞周收斂等變化規(guī)律。李云鵬等［2］、種健等［3］研究了不同圍巖類別大跨度小凈距隧道的最小凈距。陳斌等［4］研究了小凈距隧道的埋深、凈距和圍巖等級3個因素對隧道幫部和頂?shù)装宓膽?yīng)力及位移的影響。李圍等［5］采用有限差分軟件FLAC3D對深圳地鐵7號線筍崗站－洪湖站區(qū)間的疊線盾構(gòu)隧道下穿廣深鐵路股道施工引起的沉降進行了數(shù)值模擬計算。

雖然學者們在大跨度小凈距隧道方面取得了一些有價值的研究成果，但由于每項工程都有開挖方法、圍巖類別和埋深等方面的獨特性，圍巖的變形十分復(fù)雜，仍然存在很多需要解決的問題。本文采用有限元軟件ANSYS對石家莊南二環(huán)西延工程V級圍巖段的某隧道進行數(shù)值模擬，對比分析了單側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、上下臺階法和CD法4種施工方案的隧道拱頂沉降、拱底隆起和地表沉降的變化規(guī)律。

1 工程背景

此公路隧道為雙洞四車道淺埋小凈距隧道，處于V級圍巖段。左、右線隧道的開挖跨度均是12.25 m，凈高7.9m，兩隧道間凈距14m，初期支護采用厚28cm的C25早強混凝土，中空注漿錨桿采用Φ25 mm，長度有5m和4m兩種，中隔板采用厚20cm的C25早強混凝土，二襯采用厚60cm的C30鋼筋混凝土。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70—2004），圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)見表1。

表1 圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)

該隧道的設(shè)計施工方案是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，將此方法與其他常用的開挖方法（CRD法、上下臺階法和CD法）進行對比分析，以確定最優(yōu)施工方案。各施工方案具體的施工步序如圖1所示，圖中數(shù)字表示土體的開挖順序，每部分土體開挖完，均及時施加初襯或隔板后，再進行下一部分土體的開挖。每種施工方法均采用先左洞、后右洞的施工順序。

2 數(shù)值模型

采用有限元軟件ANSYS進行模擬，為消除尺寸效應(yīng)的影響，模型水平方向為142m，埋深13.4 m，拱底距底部50m。圍巖和二襯采用plan82單元，錨桿采用link單元，初襯和中隔板采用beam4單元。兩側(cè)和底邊約束法向位移，上邊界自由。劃分單元數(shù)為13 756個，節(jié)點數(shù)為26 129個，計算模型有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。采用平面應(yīng)變彈塑性本構(gòu)模型、Druker－Prager屈服準則，根據(jù)施工方案設(shè)置不同的開挖步模擬隧道開挖，每次開挖都考慮35%應(yīng)力釋放；左、右側(cè)隧道開挖完成后分別施加二襯，從而達到對隧道施工過程的模擬［6－11］。

圖1 不同施工方案的施工步序

圖2 有限元網(wǎng)格

3 模擬結(jié)果分析

本節(jié)對單側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、上下臺階法和CD法4種施工方案的圍巖變形進行分析。圖3給出了采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法時在自重作用下、第4步開挖完、左側(cè)隧道開挖完、全部開挖完成時圍巖的豎向位移和全部開挖完成時圍巖的水平位移云圖。從圖3（a）可以看出，在自重作用下，豎向位移嚴格地成層狀分布，說明網(wǎng)格劃分比較恰當，計算結(jié)果是正確的。從圖3（b）、（c）、（d）可以看出，隨著開挖的進行，豎直方向的位移在隧道附近變化比較大，拱頂和拱底分別出現(xiàn)沉降和隆起，自重作用下和兩隧道全開挖完成時，最大的豎向位移分別為23.519mm和25.956mm。從圖3（e）可以看出，兩隧道全部開挖完成后，水平方向位移大致呈反對稱分布，后開挖隧道的水平位移值影響范圍要大于先開挖隧道，最大水平位移為1.398mm，遠遠小于豎向位移值。因此本文主要研究隧道拱頂沉降、拱底隆起和地表沉降的豎向變形規(guī)律。將每個計算步的位移減去自重下相應(yīng)位置的位移，就可得到不同開挖步引起的位移［12－15］。

圖3 不同開挖步單側(cè)壁導(dǎo)坑法位移云圖

3.1 拱頂沉降和拱底隆起

圖4是4種不同施工方案的左、右側(cè)隧道拱頂沉降和拱底隆起隨開挖步的變化曲線。此時對應(yīng)的各開挖步豎向位移為開挖完成且施加了初襯時的位移。從圖4（a）、（b）中可以看出，臺階法施工第1步和第3步由于上半部分土體的開挖，分別使左、右側(cè)隧道拱頂產(chǎn)生最大沉降，但隨著第2步和第4步開挖完成，初襯形成完整的結(jié)構(gòu)，拱頂?shù)某两抵惦S之減小，產(chǎn)生所謂的“點頭”現(xiàn)象。4種施工方案引起左側(cè)隧道拱頂?shù)淖罱K沉降由大到小依次是CD法、上下臺階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法。右側(cè)隧道拱頂最終沉降由大到小依次是CD法、上下臺階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法。從圖4（c）、（d）中可以看出，臺階法施工第2步和第4步由于下半部分土體的開挖，分別使左、右側(cè)隧道拱底產(chǎn)生最大隆起，其他3種施工方案引起的最終左、右側(cè)隧道拱底的隆起值基本相同，小于臺階法施工引起的最終拱底隆起值。CRD法由于有中隔板的約束，開挖斷面較均勻，拱頂沉降和拱底隆起均最小。

圖4 不同開挖步的拱頂沉降和拱底隆起

3.2 地表沉降

圖5是4種不同施工方案下左、右兩隧道開挖完成及施加二襯后的地表沉降。從圖5中可以看出，左、右側(cè)隧道拱頂上方附近形成2個沉降槽，而且先開挖的左側(cè)隧道拱頂?shù)乇砀浇某两抵敌∮诤箝_挖的右側(cè)隧道拱頂?shù)牡乇砀浇某两抵怠２捎貌煌氖┕し桨?，引起的地表沉降也不同。地表的沉降量從大到小依次為上下臺階法、CD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法。

為了研究后開挖隧道對先開挖隧道的影響，圖6給出了采用CRD法施工左側(cè)隧道開挖完成和兩隧道全部開挖完成的地表沉降曲線。從圖6中可以看出：左側(cè)隧道開挖完，在左側(cè)隧道拱頂對應(yīng)的部位有1個沉降槽；兩隧道全部開挖完成后，左、右兩隧道拱頂對應(yīng)的位置有2個沉降槽，右側(cè)的沉降量更大一些；而且受后開挖隧道的影響，左側(cè)的沉降槽位移值比左側(cè)隧道開挖完時有所增加［16－17］。

圖5 各方案地表沉降曲線

為了研究隧道埋深對地表沉降槽的影響，圖7給出了CRD法施工埋深分別為13m、22m和30m時，兩隧道開挖完成及施加二襯后的地表沉降曲線。從圖7中可以看出：當隧道的埋深為13m時，有2個明顯的沉降槽；當隧道的埋深為22m時，2個沉降槽就不那么明顯，線形接近1個沉降槽。在隧道的埋深增大到30m的過程中，地表沉降量也隨之增大，地表沉降槽由2個完全變成1個，左側(cè)沉降槽逐漸消失，最終在右側(cè)隧道頂附近形成1個大的沉降槽。

圖6 CRD法地表沉降曲線

圖7 不同埋深下地表沉降曲線

4 結(jié) 語

（1）開挖過程中，臺階法施工產(chǎn)生的拱頂沉降最大。隨著隧道開挖支護的完成，變形最終趨于穩(wěn)定，由4種施工方案引起隧道拱頂沉降由大到小依次是：CD法、上下臺階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法。上下臺階法隧道拱底的隆起最大，其他3種方案基本相同。

（2）由4種施工方案引起地表的沉降由大到小依次是：上下臺階法、CD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法。整體開挖完成后，左右兩隧道拱頂對應(yīng)的位置有2個沉降槽，后開挖隧道的沉降量更大一些。

（3）隨著埋深的增加，地表沉降量增大，地表沉降槽由2個變成1個，先開挖隧道沉降槽逐漸消失，最終在后開挖隧道頂附近形成1個大的沉降槽。