某軟弱圍巖公路隧道開(kāi)挖工法數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

程邦富，程林

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)總院股份有限公司 軌道與隧道分院，安徽 合肥 230088)

0 引言

目前在軟弱圍巖隧道建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的塌方及隧道大變形等問(wèn)題，隧道施工中圍巖的穩(wěn)定性與圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)挖方式、開(kāi)挖進(jìn)尺等有關(guān)。軟巖隧道開(kāi)挖具有時(shí)空效應(yīng)[1]，在時(shí)間和空間上是不可逆的。不同的開(kāi)挖方式將會(huì)帶來(lái)不同的圍巖變形結(jié)果，國(guó)內(nèi)很多專家學(xué)者結(jié)合工程實(shí)例對(duì)軟巖開(kāi)挖工法展開(kāi)了研究：楊建華等[2]以龍山隧道為對(duì)象，利用ANSYS模擬了上半斷面超前法、兩側(cè)超前施工法和中壁CRD法3種不同開(kāi)挖方案下隧道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)；黃成林、羅學(xué)東等[3]利用FLAC模擬不同開(kāi)挖方法對(duì)隧道變形影響；何金鴿、李之達(dá)等[4]以十堰市某公路隧道為對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬與監(jiān)控量測(cè)的分析，對(duì)軟弱圍巖隧道施工工法進(jìn)行比選；熊造[5]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)三臺(tái)階法、CRD法、CD法及側(cè)壁導(dǎo)坑法以及動(dòng)態(tài)分布工法進(jìn)行了研究，得出采用動(dòng)態(tài)分部工法施工，具有更高的可靠性，能夠更大程度地保證隧道施工安全的結(jié)論。以上這些都只是單一的從數(shù)值模擬或者施工監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)行研究，對(duì)比性有些欠缺。

本文以皖南地區(qū)某公路隧道為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)施工工法進(jìn)行數(shù)值模擬并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，對(duì)該隧道的施工工法進(jìn)行比選。本文主要針對(duì)軟弱圍巖下隧道建設(shè)，故數(shù)值模擬中只對(duì)軟巖隧道的三種常用開(kāi)挖方法：二臺(tái)階預(yù)留核心土法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行了模擬；并選取現(xiàn)場(chǎng)所采用的兩種不同開(kāi)挖方式下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于單側(cè)壁導(dǎo)坑法工序較多、施工復(fù)雜、施工進(jìn)度較慢且成本較高，所以現(xiàn)場(chǎng)施工中未采用該方法。經(jīng)對(duì)比分析得到這三種不同施工工法下圍巖的變形規(guī)律、應(yīng)力特性以及此三種工法的不同適應(yīng)條件，為該地區(qū)軟弱圍巖下修建隧道的設(shè)計(jì)與施工提供一些依據(jù)和參考。

1 工程概況

本文的研究對(duì)象是皖南地區(qū)某高速公路中一座隧道。該隧道左線長(zhǎng)373 m，右線長(zhǎng)382 m，均位于V級(jí)圍巖，最大埋深約60 m。隧道區(qū)屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)、下?lián)P子臺(tái)坳、沿江拱斷褶帶、石臺(tái)穹斷褶束和江南臺(tái)隆、皖南陷褶斷帶構(gòu)造單元。洞身穿越地層巖性主要為薊縣系上統(tǒng)牛屋組(Pt2n)千枚巖，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)構(gòu)造已經(jīng)破壞，巖性軟，遇水易軟化，巖體極破碎，隧道洞身地質(zhì)情況相當(dāng)復(fù)雜。

該公路隧道洞身結(jié)構(gòu)按錨噴支護(hù)施工原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用初支+二襯的復(fù)合式襯砌。

2 三種工法的數(shù)值模擬及對(duì)比分析

2.1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

為便于與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，模型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工法，選取2個(gè)斷面的設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)(見(jiàn)表1)。該2個(gè)斷面處埋深分別為51、58 m，巖性主要為千枚巖，巖性軟，遇水易軟化，巖體極破碎。本次三維彈塑性數(shù)值模擬是以該段地質(zhì)反演的巖石力學(xué)物理參數(shù)、地形實(shí)態(tài)建模進(jìn)行分析的。

模型建立時(shí)綜合考慮“邊界效應(yīng)”的原則及開(kāi)挖的影響范圍，計(jì)算模型大小確定為：X方向(寬度)上，由隧道中心線向兩邊分別延伸60 m、Y方向(高度)上，拱頂覆土取隧道的實(shí)際埋深、隧道底部往下取60 m，沿隧道軸向取36 m作為本次計(jì)算的范圍，模型各邊界施加相應(yīng)方向的約束。計(jì)算分析中，采用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則[6]，隧道洞周的圍巖按均質(zhì)彈塑性考慮，洞周的圍巖及混凝土襯砌采用三維實(shí)體單元(soild45)，噴射混凝土初期支護(hù)采用空間殼單元(shell63)，鋼架采用梁?jiǎn)卧?beam4)。計(jì)算中通過(guò)殺死和激活單元來(lái)模擬隧道實(shí)際施工過(guò)程的超前錨桿、初期支護(hù)、二次襯砌以及分塊、分步開(kāi)挖的施作工序。隧道施工過(guò)程中采用的超前加固措施，計(jì)算過(guò)程中通過(guò)提高相應(yīng)位置圍巖參數(shù)的方式加以模擬。計(jì)算模型示意圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖

表1 斷面情況

為方便進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，在模擬軟巖隧道開(kāi)挖過(guò)程時(shí)，三種工法僅區(qū)別所采用的施工工藝和開(kāi)挖順序，其他計(jì)算要素均保持一致，采用相同尺寸、地層參數(shù)、計(jì)算參數(shù)以及相同邊界約束條件的三維計(jì)算模型[4]。

依據(jù)該項(xiàng)目的詳細(xì)勘察報(bào)告以及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，綜合選取計(jì)算過(guò)程中需要的相關(guān)參數(shù)，如表2中所示。其中隧道施工過(guò)程中超前注漿加固區(qū)(錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿，L=4.0 m，@60×100 cm)采用提高相應(yīng)位置圍巖相關(guān)參數(shù)的方式加以模擬，即將加固區(qū)圍巖的計(jì)算參數(shù)提高一個(gè)級(jí)別。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析與對(duì)比

限于篇幅的限制，論文以三臺(tái)階預(yù)留核心土法為例進(jìn)行計(jì)算結(jié)果說(shuō)明。

2.2.1 圍巖的應(yīng)力特征

選取目標(biāo)面施工循環(huán)過(guò)程中上臺(tái)階、核心土、中臺(tái)階、下臺(tái)階施工結(jié)束時(shí)的開(kāi)挖步(第17、19、29、39開(kāi)挖步)以及施工開(kāi)挖的最終狀態(tài)(第56步)加以研究，隧道洞周的圍巖各主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖2所示。

從各個(gè)開(kāi)挖步序下隧道圍巖的應(yīng)力結(jié)果可得出：該隧道在各個(gè)開(kāi)挖步序下，圍巖大體為受壓狀態(tài)，其中掌子面、拱底以及拱頂?shù)炔课淮嬖诶瓚?yīng)力，在開(kāi)挖掌子面、臺(tái)階交界處以及轉(zhuǎn)角部位，應(yīng)力集中的現(xiàn)象較為明顯。上臺(tái)階開(kāi)挖后，在臺(tái)階交界處及拱底出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，最大值可達(dá)-7.36 MPa，核心土體中出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，最大值約為1.5 MPa。核心土開(kāi)挖后，洞內(nèi)圍巖應(yīng)力集中的位置沒(méi)有明顯變化，只是最大主應(yīng)力的數(shù)值減小為1.42 MPa；而最小主應(yīng)力數(shù)值仍為-7.36 MPa。中臺(tái)階開(kāi)挖后，隧道圍巖應(yīng)力集中的范圍減小了，但仍出現(xiàn)在各臺(tái)階交界的臺(tái)階面上，其最大主應(yīng)力減小為0.87 MPa，最小主應(yīng)力增大為-10.1 MPa。下臺(tái)階開(kāi)挖后，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在前一開(kāi)挖步的上、中臺(tái)階交界處，略微增大為0.9 MPa，最小主應(yīng)力為-10.3 MPa。從隧道開(kāi)挖步的第56步(最終狀態(tài))的應(yīng)力結(jié)果看，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在隧道的拱底位置，大小為0.27 MPa，最小主應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰、拱腳部位，大小為-5.1 MPa。故在設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以上部位。

圖2 不同工況條件下圍巖主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

表2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算結(jié)果分析能得出：隧道沿軸向分步、分塊、分段開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖面附近以及各級(jí)臺(tái)階的交界處，圍巖的應(yīng)力變化最為明顯。從隧道開(kāi)挖的最終狀態(tài)來(lái)看，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱底位置，應(yīng)力值為0.27 MPa，明顯大于拱頂部位應(yīng)力值，表明隧道拱頂?shù)膰鷰r在超前加固的作用下，其承載能力得到一定的提高，從圍巖的應(yīng)力大小得知，隧道開(kāi)挖后圍巖的自承載能力較低，絕大部分的荷載由隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)支護(hù)。

為便于直觀地看出隧道圍巖應(yīng)力沿洞軸方向隨開(kāi)挖過(guò)程的變化特征，本文選取目標(biāo)面位置處洞壁特征點(diǎn)進(jìn)行分析，選取的特征點(diǎn)如圖3所示。

圖3 目標(biāo)面處洞壁特征點(diǎn)

隧道洞壁上各特征點(diǎn)處(圖3)的應(yīng)力值隨開(kāi)挖步的變化特征如圖4所示。從圖4中可以看出，隧道開(kāi)挖后，目標(biāo)面洞壁各特征點(diǎn)的應(yīng)力隨著開(kāi)挖面逐漸逼近而逐漸增加，待開(kāi)挖至目標(biāo)面附近時(shí)，各點(diǎn)的應(yīng)力波動(dòng)幅度較大，說(shuō)明隧道圍巖一直受到開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，且與開(kāi)挖面的距離有關(guān)。從洞壁上各特征點(diǎn)的應(yīng)力變化趨勢(shì)得出，隧道拱底位置出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，其余部位總體處于受壓狀態(tài)，但隧道拱腰位置的壓應(yīng)力最大。故在設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱腰及拱底部位。

2.2.2 圍巖的位移變化特征

隧道洞壁各特征點(diǎn)隨荷載步的變化特征(水平和豎直方向)曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，隧道開(kāi)挖后，目標(biāo)面洞壁各特征點(diǎn)的位移變化均呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，向洞內(nèi)方向變形，且在拱頂、拱底、拱腰位置變形較大。豎直方向上：拱底隆起，拱頂下沉，量值分別達(dá)到29 cm和18 cm，隧道頂部采用了超前加固措施，故拱頂位置位移相對(duì)較小。水平方向上：隧道拱腰位置的位移最大，變形達(dá)12 cm。故在設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)將拱底及拱頂、拱腰作為隧道圍巖豎向、水平位移的控制部位。

圖4 圍巖各特征點(diǎn)隨荷載步的應(yīng)力變化曲線圖

圖5 圍巖各特征點(diǎn)隨荷載步的位移(水平、豎向)變化曲線

2.2.3 三種工法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

本次模擬三種工法采用相同的模型尺寸、相同的地應(yīng)力，單側(cè)壁導(dǎo)坑法在開(kāi)挖過(guò)程中垂直位移場(chǎng)上臺(tái)階拱部呈兩峰形式出現(xiàn)，預(yù)留核心土法呈整體形式分布，很明顯單側(cè)壁導(dǎo)坑法起到減跨作用從而控制沉降。表3列出各工法開(kāi)挖下圍巖的應(yīng)力及變形情況。

從表3中可以得出，二臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖，隧道拱頂豎向位移及洞壁最大水平位移都很大，對(duì)于V級(jí)圍巖容易引起大變形及初期支護(hù)開(kāi)裂，并且可能對(duì)施工進(jìn)度和施工人員的安全帶來(lái)不利影響。三臺(tái)階預(yù)留核心土法較二臺(tái)階預(yù)留核心土法細(xì)化了施工步驟，隧道拱頂豎向位移及洞壁最大水平位移都明顯減小，雖然在施工過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響也相應(yīng)增加，但該擾動(dòng)并沒(méi)有對(duì)前方掌子面產(chǎn)生破壞性影響，只是在上臺(tái)階弧形土與拱肩交界處、以及各臺(tái)階交界處易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)采用分塊開(kāi)挖加臨時(shí)豎撐的方式能更好的控制圍巖變形，抑制圍巖惡化，并且由于中隔壁的生成產(chǎn)生支撐作用使其拱頂下沉得到一定的控制，但此種開(kāi)挖方法在臨時(shí)支護(hù)與初期支護(hù)交接處存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，給臨時(shí)支撐的拆除增大了難度。

表3 三種工法開(kāi)挖下圍巖的受力變形情況

3 工法的比選

現(xiàn)場(chǎng)施工中先后采用過(guò)二臺(tái)階預(yù)留核心土法和三臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖，由于單側(cè)壁導(dǎo)坑法工序較多、施工復(fù)雜、施工進(jìn)度較慢且成本較高，所以現(xiàn)場(chǎng)施工中未采取單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，故此處只列出了二臺(tái)階預(yù)留核心土法和三臺(tái)階預(yù)留核心土法的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)情況。

3.1 兩種工法的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)情況

參照規(guī)范和新奧法指南，該公路隧道每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：拱頂下沉、周邊收斂、鋼拱架內(nèi)力、錨桿軸力。其中拱頂下沉和周邊收斂為必測(cè)項(xiàng)，鋼拱架內(nèi)力和錨桿軸力為選測(cè)項(xiàng)。由于現(xiàn)場(chǎng)只采用了二臺(tái)階預(yù)留核心土和三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖法，故此處只給出該兩種開(kāi)挖方式下的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)情況。限于篇幅的限制，此處只列出斷面1量測(cè)的具體數(shù)據(jù)情況。

3.1.1 斷面1水平收斂與拱頂下沉量測(cè)數(shù)據(jù)分析

測(cè)量數(shù)據(jù)分析圖如圖6-圖9。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，隨著隧道支護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)，斷面1的水平收斂與拱頂下沉逐漸趨于穩(wěn)定，且水平收斂最大值為32.82 mm，拱頂下沉最大值為21.0 mm。水平收斂曲線擬合函數(shù)為u=38.03×10(-3.97/t)，拱頂下沉曲線擬合函數(shù)為u=22.99×10(-2.28/t)，雖然變形速率降低，但現(xiàn)場(chǎng)的圍巖環(huán)境較差，仍需繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖6 斷面1水平收斂時(shí)間曲線圖

圖8 斷面1拱頂下沉?xí)r間曲線圖

圖9 斷面1拱頂下沉速率時(shí)間曲線圖

3.1.2 兩種工法監(jiān)控量測(cè)情況對(duì)比

為便于對(duì)比，此處選出不同開(kāi)挖方式下埋深和地質(zhì)情況基本相同的兩個(gè)典型斷面的監(jiān)測(cè)情況為研究對(duì)象。監(jiān)控量測(cè)對(duì)比分析結(jié)果如表4所示。

表4 各斷面現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

斷面1采用二臺(tái)階預(yù)留核心土施工工法，斷面2采用三臺(tái)階預(yù)留核心土施工工法。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)的施工及變形情況

斷面1以前均采用二臺(tái)階預(yù)留核心土施工工法開(kāi)挖，隧道變形大，拱腰處多處起拱，初期支護(hù)常有開(kāi)裂(如圖10、圖11)。后期改用三臺(tái)階預(yù)留核心土施工工法開(kāi)挖，加強(qiáng)支護(hù)，并適當(dāng)增大預(yù)留變形量。斷面2前后采用三臺(tái)階預(yù)留核心土施工工法開(kāi)挖，隧道周邊收斂及拱頂下沉量有明顯減小，現(xiàn)場(chǎng)大變形及初期支護(hù)開(kāi)裂現(xiàn)象也都有明顯減少，但在含水較豐富地帶還會(huì)有起拱和初期支護(hù)開(kāi)裂情況出現(xiàn)。

圖10 由于大變形換拱

圖11 拱腰大變形

3.3 工法選擇

在軟弱圍巖隧道施工中，二臺(tái)階預(yù)留核心土法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法及單側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于不同情況，對(duì)比情況如表5。就隧道開(kāi)挖引起的拱頂下沉和周邊收斂而言，單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖時(shí)引起的拱頂下沉和周邊收斂比其余兩種工法要小。從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，三種工法中二臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖引起的拱頂下沉和周邊收斂均最大，三臺(tái)階預(yù)留核心土法及單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)隧道的變形有明顯改善，但單側(cè)壁導(dǎo)坑法與三臺(tái)階預(yù)留核心土法相比并沒(méi)有太大的減小，而且單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)要反復(fù)的加拆臨時(shí)豎撐，增加的施工的難度，影響施工的進(jìn)度。

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可以看出，三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工時(shí)隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量比二臺(tái)階預(yù)留核心土法施工時(shí)有明顯改善，周邊收斂最大值和拱頂下沉最大值分別減小了23.5%和22.4%，雖然三臺(tái)階預(yù)留核心土法在施工過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響也相應(yīng)增加，但該擾動(dòng)并沒(méi)有對(duì)前方掌子面產(chǎn)生破壞性影響。

綜合分析結(jié)果認(rèn)為，該公路隧道采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法是可行的，能有效的控制隧道的變形，并能確保隧道施工進(jìn)度和施工人員的安全。

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)二臺(tái)階預(yù)留核心土法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法及單側(cè)壁導(dǎo)坑法三種施工工法進(jìn)行了模擬，并結(jié)合該公路隧道施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)數(shù)值模擬，對(duì)隧道洞周?chē)鷰r各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移影響較大的是在目標(biāo)斷面前后各兩個(gè)施工進(jìn)尺范圍內(nèi)，洞壁最大應(yīng)力集中出現(xiàn)在拱腰至拱腳部位，施工期間應(yīng)予以重視。

表5 三種工法綜合對(duì)比

(2)二臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖隧道拱頂豎向位移及洞壁最大水平位移都很大，容易引起大變形及初期支護(hù)開(kāi)裂，三臺(tái)階預(yù)留核心土法及單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)隧道的變形有明顯改善，單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)由于中隔壁的生成產(chǎn)生支撐作用使其拱頂下沉得到一定的控制，但洞壁最大水平位移與三臺(tái)階預(yù)留核心土法相比并沒(méi)有太大的減小，而且單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)要反復(fù)的加拆臨時(shí)豎撐，增加的施工的難度，影響施工的進(jìn)度。

(3)從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)具體情況也可以看出，三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工時(shí)隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量比二臺(tái)階預(yù)留核心土法施工時(shí)有明顯改善，雖然在施工過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響也相應(yīng)增加，但該擾動(dòng)并沒(méi)有對(duì)前方掌子面產(chǎn)生破壞性影響；三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)大變形及初期支護(hù)開(kāi)裂現(xiàn)象都有明顯減少。

(4)綜合分析結(jié)果認(rèn)為，該公路隧道采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法是可行的，能有效控制隧道的變形，并能確保隧道施工進(jìn)度和施工人員的安全。