大斷面隧道開挖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

涂 健

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

0 引 言

截至20世紀90年代中期，中國在運營的隧道總數(shù)為4 855座，線路總長度約為2 260 km[1]。這些隧道中，多數(shù)以上存在各種各樣的質(zhì)量問題，例如：變形過大致使凈空超標的占52.4%，嚴重漏水的占29.4%，襯砌損壞的占18.3%，通風(fēng)照明不良的占19.1%。隨著近年來中國隧道工程技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)理論的完善，大量的高難度隧道如雨后春筍般涌現(xiàn)，如特長隧道、大斷面隧道、凍土和高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)條件隧道、水下隧道。

最新的不完全統(tǒng)計資料表明，到2015年底，中國大陸在運營的公路和鐵路隧道總數(shù)為25 000余座，總長度約為18 544.4 km[2-3]。目前中國在隧道數(shù)量、運營總里程上已經(jīng)處于世界前列。在中國的發(fā)達城市，如北京、上海和廣州等城市地鐵及城鐵建設(shè)相當健全，且目前建設(shè)中或規(guī)劃擬建城市軌道交通的城市有20余個。新奧法是先進的隧道施工方法，經(jīng)過不斷的實踐、總結(jié)和改進，新奧法已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，而且針對中國特殊地質(zhì)也有了專門的施工方法，并在多個大的公路隧道項目工程中得以應(yīng)用，如二郎山隧道、西山坪隧道等[4-6]。但是，在成功的背后，仍有許多需要進一步改進的地方，比如：整體而言仍屬于粗放型；施工的總體水平較低，施工機械的自主研發(fā)能力不足，多數(shù)仍依賴于國外進口；且施工機械化程度低，施工人員所處工作環(huán)境較差[7]。

隧道開挖，尤其是大斷面隧道開挖中，施工穩(wěn)定性對于隧道整個建設(shè)和使用階段具有重要的意義，本文主要以某隧道為研究對象，通過利用大型有限差分軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬，并重點對隧道在開挖過程中的地表沉降和圍巖塑性區(qū)進行分析，以期為類似隧道建設(shè)提供參考和借鑒。

1 大斷面隧道開挖方法

1.1 全斷面法

全斷面開挖方法是一種常見的大斷面隧道開挖方法，它適合于圍巖強度高的隧道施工。施工步驟是，在掌子面上一次成孔，進行一次爆破，最后進行一次支護到位。該種施工方法較為簡單，在施工過程中常用到多功能臺架以及移動式鉆孔臺車等。全斷面開挖速度快，施工效率高，但同時會帶來一些問題，例如：相較于其他方法，全斷面法施工后圍巖變形更大，塑性區(qū)范圍廣，尤其在隧道的拱肩和拱腳部位，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較普遍，因此在施工過程中應(yīng)該根據(jù)實際工程地質(zhì)條件謹慎使用[8]。

1.2 臺階法

臺階法施工一般指將掌子面分成不小于2個部分并進行分步開挖，一般來說該方法包括正臺階法以及中隔墻臺階法等。在使用臺階法開挖以前，要綜合考慮圍巖性質(zhì)及力學(xué)指標，并結(jié)合工程經(jīng)驗合理選用。通常情況下臺階法適用于Ⅰ～Ⅳ級硬巖地層和Ⅱ～Ⅲ級軟巖地層洞口段、偏壓段、淺埋段，Ⅲ～Ⅳ級硬巖地層和Ⅲ 、Ⅳ級軟巖地層。此外，仍應(yīng)按照隧道具體情況采取管棚法、超前錨桿法以及超前預(yù)注漿等進行輔助加固[9]。

1.3 單側(cè)壁導(dǎo)坑法

單側(cè)壁導(dǎo)坑法一般是指先在隧道斷面的一側(cè)開挖一個導(dǎo)坑，并且保持該導(dǎo)坑始終超前，之后再開挖其他部分隧道巖體。為了防止施工時產(chǎn)生破壞，即穩(wěn)定工作面，應(yīng)該按照隧道具體情況采取超前管棚法、超前錨桿法以及超前預(yù)注漿等技術(shù)手段進行輔助加固，并且單側(cè)壁導(dǎo)坑超前的距離一般不小于2倍洞徑。超前導(dǎo)坑開挖通常采用人工開挖、機械和人工配合開挖及出渣[10-11]。其余斷面的隧道開挖，可適當通過控制爆破的方法來完成，但要避免破壞已完成的導(dǎo)坑及其支護。

2 工程概況

本文研究的隧道施工區(qū)主要地層為第四系坡殘積層、震旦系上統(tǒng)陡山沱組地層、震旦系上統(tǒng)南沱組地層、震旦系下統(tǒng)澄江組地層。隧道區(qū)海拔高程介于1 754.0～2 109.54 m之間，相對高差為355.45 m，屬構(gòu)造侵蝕中山地貌區(qū)。隧道進口位于甸基壩水庫東側(cè)約100 m，交通條件較為便利；出口位于玉屏村南東側(cè)約2.2 km處，交通條件差。地質(zhì)調(diào)查顯示：隧道區(qū) K112+760 附近發(fā)育一斷層，該斷層性質(zhì)不明，與路線近乎垂直相交，巖體較破碎，對隧道圍巖有一定影響；未見有泥石流、滑坡、崩塌等不良地質(zhì)作用發(fā)育。

該隧道為雙向六車道分離式特長隧道，左洞起止樁號為ZK110+265～ZK114+750，長度為4 485 m，右洞起止樁號為K110+275.04～K114+655，長4 379.96 m，設(shè)計圍巖級別有Ⅲ～Ⅴ級。本文以YK110+472斷面為例，采用全斷面開挖，隧道斷面尺寸如圖1所示，巖體的物理辦學(xué)指標如表1所示。

表1 巖體的物理力學(xué)指標

圖1 隧道斷面尺寸

3 建立數(shù)值模型及參數(shù)選取

圖2 數(shù)值模型

建立隧道模型一般要考慮開挖影響范圍，本工程隧道斷面最長為17.5 m，高度最高為13.8 m，而一般地下工程的影響范圍為3～5倍洞室內(nèi)徑，如圖2所示。建立模型時X軸取80 m，Y軸沿隧道軸線方向取50 m，Z軸取至地表距隧道截面中心60 m處，豎直向下(Z軸)取至距隧道截面中心40 m處，除上邊界外，模型其他邊界均設(shè)有法向約束。除上邊界外其他三個邊界進行位移約束。

模型尺寸為100 m×80 m×50 m，起始段為YK110+470，沿著Y軸方向開挖。其中YK110+470～YK110+474段采用錨桿加注漿小導(dǎo)管梅花型布置支護，YK110+474～YK110+494段采用錨桿支護，全段采用SF5c型襯砌。噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)如表2所示。鋼筋網(wǎng)和工字鋼支撐折合到襯砌上面。該模擬共進行多次循環(huán)開挖。

表2 噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 地表沉降變形分析

圖3 開挖隧道地表沉降

隧道開挖以后，由于圍巖應(yīng)力釋放以及開挖與支護過程之間存在間隙，隧道上伏地表沉降在所難免；再者，隧道地表沉降大小對于評價隧道安全與否也是一個非常重要的參數(shù)。如圖3所示，通過FLAC3D數(shù)值分析軟件對地表的沉降進行監(jiān)測，在以隧道正上方向兩邊沿X軸擴散，每隔3.75 m設(shè)置1個監(jiān)測點，共監(jiān)測到17個數(shù)據(jù)。由圖3可知，隧道正上方沉降最大，最大值為15.2 cm，向兩側(cè)沉降逐漸減小，在±10 m的位置，沉降值為8.3 cm，在±30 m位置，沉降減小到1.8 cm。地表沉降基本沿隧道中心左右對稱，且呈現(xiàn)出拋物線形狀。綜合評判來說，地表沉降最大值為15.2 cm，已經(jīng)會影響隧道的安全和正常使用，應(yīng)該重點加強隧道拱頂圍巖支護，盡可能降低拱頂沉降，充分發(fā)揮錨桿襯砌支護體系的支護作用，最大程度地抑制隧道變形，保證其正常使用。

圖4 開挖圍巖塑性區(qū)變化云圖

4.2 隧道圍巖塑性區(qū)分析

圍巖塑性區(qū)是判斷隧道安全與否的又一重要因素。圖4為隧道開挖支護以后圍巖塑性區(qū)云圖，模擬進行多個循環(huán)開挖支護，每次開挖進尺為1.2 m。由于篇幅有限且隧道具有對稱性，本文只給出未開挖以及第1、5、8次循環(huán)開挖右半幅隧道圍巖塑性區(qū)的變化進行分析。

如圖4所示，沿隧道中心取模型右側(cè)進行圍巖塑性區(qū)分析，由圖4(a)～(d)可以看到，在隧道未開挖之前，不存在塑性區(qū)，這與實際情況相符。在開挖過程中出現(xiàn)剪拉屈服。初次開挖時隧道外環(huán)周圍出現(xiàn)小范圍剪拉，隨著與掌子面距離增大，塑性區(qū)范圍不斷擴大，且擴大位置主要發(fā)生在拱肩和拱腳部位。從塑性區(qū)分布可以看到，拱頂和拱底主要為剪拉屈服，其他部位主要為剪切屈服。綜上所述，可以重點防護拱肩和拱腳位置，加強支護，防止危害產(chǎn)生。

5 結(jié) 語

本文主要介紹大斷面隧道開挖方法，包括全斷面法、臺階法以及側(cè)壁導(dǎo)坑法等，并以某大斷面隧道開挖支護為例，通過分析隧道地表沉降和塑性區(qū)來判斷隧道的穩(wěn)定性，并得到以下結(jié)論。

(1)隧道開挖支護后正上方沉降最大，最大值為15.2 cm，向兩側(cè)沉降逐漸減小，在±10 m的位置，沉降值為8.3 cm，在±30 m的位置，沉降減小到1.8 cm。地表沉降基本沿隧道中心左右對稱，且呈現(xiàn)出拋物線形狀。從地表最大沉降量可知，沉降已經(jīng)影響隧道的穩(wěn)定，應(yīng)該重點加強隧道拱頂圍巖支護。

(2)在隧道開挖過程中出現(xiàn)剪拉屈服，初次開挖時隧道外環(huán)周圍出現(xiàn)小范圍剪拉，隨著與掌子面距離增大，塑性區(qū)范圍不斷擴大，且擴大位置主要發(fā)生在拱肩和拱腳部位。從塑性區(qū)分布可以看到，拱頂和拱底主要為剪拉屈服，其他部位主要為剪切屈服。綜上所述，應(yīng)重點關(guān)注拱頂、拱肩和拱腳位置，加強支護，防止危害產(chǎn)生。