公路小凈距隧道開(kāi)挖方法數(shù)值模擬優(yōu)化研究

施 露 周聯(lián)英

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000;2.浙江大學(xué)城市學(xué)院 土木工程系，浙江 杭州 310000)

0 引言

小凈距隧道與普通分離隧道施工工藝相近，可彌補(bǔ)連拱隧道整體結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、施工工序轉(zhuǎn)化多等不足，近年來(lái)在鐵路、公路等多種工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.但由于小凈距隧道中間巖柱厚度較小，隧道在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的相互作用，對(duì)隧道周圍的巖土體穩(wěn)定性和應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生不利影響，從而影響施工進(jìn)度并增加成本，甚至?xí)?dǎo)致一些安全事故發(fā)生，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)效益損失[1].影響小凈距隧道施工質(zhì)量與安全的因素眾多，如施工方法、開(kāi)挖順序、加固方式等，合理選擇小凈距隧道的施工方法以及控制施工過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)的變形和受力就顯得尤為重要[2-4].

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)小凈距隧道做了大量的研究工作，龔健武[5]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，指出了大斷面小凈距隧道施工開(kāi)挖對(duì)圍巖變形和穩(wěn)定性影響的時(shí)空效應(yīng)及其影響范圍，提出了大斷面小凈距公路隧道在不同地質(zhì)、地形條件下合理施工方法和施工順序.孫振宇、張頂立等[6]建立小凈距隧道荷載計(jì)算模型，從而提出了小凈距隧道圍巖壓力的計(jì)算方法和小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性控制方法.王小林、張亮等[7]針對(duì)某地鐵隧道不同施工順序采用了二維動(dòng)態(tài)有限元數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比分析，得到了斷面非對(duì)稱小凈距地鐵隧道合理的施工順序.李君君、石文廣等[8]對(duì)高邊坡小凈距隧道失穩(wěn)過(guò)程和錨桿支護(hù)建立離散元數(shù)值力學(xué)模型，研究表明在高邊坡地形偏壓和節(jié)理巖體條件下,深埋側(cè)隧道拱肩節(jié)理剪切、滑移和張開(kāi)是整個(gè)隧道失穩(wěn)的主要原因.盡管如此，小凈距隧道仍然處于探索研究階段，在小凈距隧道施工過(guò)程中，存在著隧道進(jìn)出口端埋深淺、中間巖體穩(wěn)定性差、偏壓嚴(yán)重等問(wèn)題，并且由于圍巖以及中夾巖體的受力復(fù)雜[9]，使得設(shè)計(jì)時(shí)偏于保守，造成實(shí)際工程開(kāi)挖方式復(fù)雜、工效低、工期長(zhǎng)和投入大等問(wèn)題.

本文以鎮(zhèn)海至安吉公路段楊灣隧道為依托工程，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS/NX對(duì)隧道進(jìn)行模擬分析，研究隧道在設(shè)計(jì)凈距為12.4 m時(shí)，分別采用上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CD法進(jìn)行隧道的開(kāi)挖，分析隧道整體位移、中間巖柱豎向應(yīng)力等變化規(guī)律，通過(guò)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)推薦開(kāi)挖方法進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證分析，從而提高工效、加快工期，為該類小凈距隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考.

1 工程概況

楊灣小凈距隧道是鎮(zhèn)海至安吉公路德清對(duì)河口至矮部里段工程的第四段隧道，右洞起訖樁號(hào)YK9+125～YK9+555，全長(zhǎng)430 m，左洞起訖樁號(hào)ZK9+116～ZK9+599，全長(zhǎng)483 m.隧道埋深0～69 m，凈高5 m，凈寬11 m，實(shí)際施工中間巖柱厚度D=12.4 m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖方法采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法.隧道沿線和進(jìn)出口上部覆蓋層為殘坡積土含碎石粉質(zhì)黏土、黏性土，以坡積黏性土、強(qiáng)風(fēng)化為主，圍巖穩(wěn)定性和巖體完整性差，[BQ]<250，綜合評(píng)定圍巖等級(jí)為V級(jí)；下伏白堊系中風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r、晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r為主，中風(fēng)化巖體為塊狀構(gòu)造，硬質(zhì)巖，節(jié)理發(fā)育，巖體完整性較差，[BQ]=288.5，綜合評(píng)定圍巖等級(jí)為IV級(jí).隧道初期支護(hù)采用20 cm厚的C25噴射混凝土和Φ25先錨后灌式中空注漿錨桿.巖體內(nèi)部地下水主要為基巖風(fēng)化帶裂隙水，匯水面積小，地下水易于排泄，水量較貧乏，故模擬時(shí)可不考慮地下水的作用.隧道斷面及尺寸如圖1所示.

2 隧道開(kāi)挖模擬

2.1 模型的建立

隧道進(jìn)口YK9+120～YK9+172埋深為0～30 m，YK9+172～YK9+242隧道埋深為30～69 m，分別選取YK9+172和YK9+242兩個(gè)典型斷面進(jìn)行模擬，隧道斷面位于IV級(jí)圍巖處，隧道埋深分別為30 m和69 m，上部覆蓋層V級(jí)圍巖厚度為2～4 m.在隧道的軸向方向取單位長(zhǎng)度，將空間問(wèn)題近似為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行求解[9].

圍巖視為各向同性體，模型類型采用摩爾—庫(kù)倫模型.錨桿和噴射混凝土均采用彈性材料模擬，錨桿的材料屬性采用一維的植入式桁架單元.植入式桁架單元的優(yōu)點(diǎn)在于不需要和土體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)耦合，程序會(huì)自動(dòng)找到最近的節(jié)點(diǎn)傳遞位移，噴射混凝土材料屬性，采用一維的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬.巖體的初始地應(yīng)力均考慮自重作用，根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告和相關(guān)規(guī)范，選取的圍巖和工程材料物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示.

根據(jù)給出材料的物理力學(xué)參數(shù)、約束條件、本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合楊灣小凈距隧道的地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)圖建立隧道模型，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示.

表1 圍巖和工程材料物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

材料參數(shù)彈性模量/kN/m2 泊松比容重/kN/m3黏聚力/kN/m2內(nèi)摩擦角/°本構(gòu)IV級(jí)圍巖9.7×105 0.352015035摩爾—庫(kù)倫V級(jí)圍巖8.2×104 0.32186028摩爾—庫(kù)倫錨桿2×108 0.3260——彈性噴混6×106 0.2225——彈性硬化1.6×107 0.2225——彈性

2.2 開(kāi)挖方法

根據(jù)工程實(shí)踐，小凈距隧道開(kāi)挖方法一般有上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CD法，具體根據(jù)地質(zhì)條件選用.因此，本文對(duì)上述三種開(kāi)挖方法進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖3所示，其中，每開(kāi)挖完一個(gè)斷面后注入錨桿，噴射混凝土.

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 總位移分析

位移是判斷隧道穩(wěn)定性和安全性的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)兩種不同埋深下不同開(kāi)挖工況的總位移云圖(如圖4)可以得到：(1)30 m埋深時(shí)上下臺(tái)階法最大位移為6.8 mm，單側(cè)壁導(dǎo)坑法最大位移為6.7 mm，CD法最大位移為6.8 mm，可知三種開(kāi)挖方法最大位移非常接近；(2)69 m埋深時(shí)三種開(kāi)挖方法最大位移分別為12.8 mm、12.8 mm、12.5 mm，可知埋深增加時(shí)，三種開(kāi)挖方式的最大位移值有所增大，但最大差值為0.3 mm，差距較??；(3)由總位移模擬計(jì)算可知，對(duì)于選取的兩個(gè)典型斷面，采用常規(guī)的三種開(kāi)挖方法對(duì)總位移的影響并不大，而采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖明顯可降低成本，加快工期.

3.2 拱頂沉降分析

隧道開(kāi)挖后拱頂沉降值對(duì)于判斷圍巖的變形以及穩(wěn)定性具有重要的意義[10].通過(guò)數(shù)值模擬可以得到拱頂各點(diǎn)的沉降值，主要分析點(diǎn)如圖5所示.

由圖6可知，三種開(kāi)挖方法的拱頂沉降值隨分析點(diǎn)的位置不同，呈現(xiàn)“W”字形狀，可知，三種方法的沉降值均由隧道頂部逐漸向拱腳處減小，其中5、6分析點(diǎn)為內(nèi)拱腳， 沉降值最小. 三種工法最大沉降均在拱頂位置附近，且沉降值相差不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范允許最大沉降值18.0 mm(埋深30 m).相應(yīng)埋深69 m時(shí)，三種工法拱頂最大沉降也均小于規(guī)范允許最大沉降值22.0 mm.由拱頂沉降數(shù)值模擬計(jì)算可知：對(duì)于選取的兩個(gè)典型斷面，采用常規(guī)的三種開(kāi)挖方法差別不大.

3.3 中間巖柱破壞區(qū)分析

中間巖柱是小凈距隧道最容易進(jìn)入屈服狀態(tài)的部位，因此對(duì)其進(jìn)行分析至關(guān)重要.對(duì)中間巖柱的豎向應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖7所示，1至7點(diǎn)均為監(jiān)測(cè)中間巖柱的分析點(diǎn)，用來(lái)分析中間巖柱的豎向應(yīng)力大小.

結(jié)果如圖8所示，不同埋深的中間巖柱豎向應(yīng)力值均是先減小后增大，主要是由于隧道在開(kāi)挖時(shí)拱頂和仰拱處的圍巖豎向應(yīng)力釋放最大，使得中間巖柱上部分析點(diǎn)的應(yīng)力最大.埋深30 m時(shí)，上下臺(tái)階法的最大豎向應(yīng)力值為309.9 kPa，然而其變化幅度較其他開(kāi)挖方法較為平穩(wěn)，變化幅度為5.2%，而單側(cè)壁導(dǎo)坑法在4至7分析點(diǎn)豎向應(yīng)力值最小，與上下臺(tái)階法的豎向應(yīng)力最大差值為16.8 kPa.埋深69 m時(shí)，三種開(kāi)挖方法的豎向應(yīng)力差值較為明顯，由于埋深增大，中間巖柱上部荷載變大，CD法開(kāi)挖較其他兩種開(kāi)挖方法更為保守，因此使得CD法的應(yīng)力值較小，然而三種開(kāi)挖方法的豎向應(yīng)力最大差值為33.7 kPa.由中間巖柱的數(shù)值分析可知，三種開(kāi)挖方法對(duì)中間巖柱的豎向應(yīng)力值影響不大.

4 優(yōu)化和監(jiān)控量測(cè)

由上述對(duì)楊灣隧道兩個(gè)典型斷面數(shù)值模擬計(jì)算可知：在設(shè)計(jì)凈距12.4 m時(shí)，三種開(kāi)挖方式引起的最大位移、拱頂最大沉降和對(duì)中間巖柱引起的豎向應(yīng)力值都較接近，均滿足規(guī)范要求.對(duì)設(shè)計(jì)推薦的單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖方法進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)楊灣隧道工期緊、任務(wù)重，結(jié)合工程實(shí)際，選用工序較為簡(jiǎn)單、工效快的上下臺(tái)階法開(kāi)挖，可以大大加快施工進(jìn)度和減少施工成本.為保證施工安全，在施工過(guò)程中對(duì)隧道斷面每隔5 m進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)控點(diǎn)為隧道拱頂位置，選取進(jìn)口段YK9+170、YK9+175斷面監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)如圖9所示，最大累計(jì)沉降值為2.5 mm，YK9+240、YK9+245斷面監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示，最大累計(jì)沉降值為3.8 mm.根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，存在一定的誤差.經(jīng)分析， 由于拱頂監(jiān)斷面最大累計(jì)沉降值控量測(cè)值并沒(méi)有計(jì)算測(cè)量點(diǎn)布設(shè)前的沉降損失值，使得數(shù)值模擬偏大于監(jiān)控量測(cè)值.然而通過(guò)數(shù)值模擬和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，具有一定的指導(dǎo)施工的作用.

5 結(jié)論

根據(jù)楊灣小凈距隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合地質(zhì)條件， 采用有限元數(shù)值模擬， 對(duì)常規(guī)采用的上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CD法三種開(kāi)挖方法進(jìn)行拱頂沉降、總位移云圖、中間巖柱豎向應(yīng)力分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)推薦開(kāi)挖方法進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到簡(jiǎn)化施工工序、加快進(jìn)度和節(jié)約成本的目的，可為類似工程案例設(shè)計(jì)和施工提供有益借鑒.