大斷面隧道開挖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

朱念焜,陳月順,賈晶磊

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430068)

0 引言

隨著我國交通的飛速發(fā)展,技術(shù)人員在建設(shè)交通設(shè)施時(shí)經(jīng)常遇到很多困難[1-4]。其中,山嶺隧道穿越地區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)復(fù)雜多變,埋深較淺的地段和洞口易坍塌,并且通常伴隨著施工斷面大、跨度大等復(fù)雜工況[5-8]。因此,選擇合適的施工方案,可以減少圍巖擾動(dòng)和應(yīng)力集中,保障施工的安全與進(jìn)度。

近年來,各國學(xué)者不斷地對隧道施工方案的合理性進(jìn)行探索,并取得了顯著進(jìn)步。賈杰南通過數(shù)值模擬對比了全斷面法和CD法,確定軟弱地層條件的變形破壞區(qū)域[9]。劉希亮選用了CRD、CD、臺階法對地鐵下穿隧道進(jìn)行模擬,通過比較位移、應(yīng)變、應(yīng)力以及地表沉降,發(fā)現(xiàn)CD法不僅可以控制圍巖的位移,還可以縮短工期,提高工作效率[10]。

本文以國內(nèi)某高速鐵路為工程實(shí)例,同時(shí)采用三種不同的施工方法，基于FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,通過拱頂沉降、水平位移、圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)域討論大斷面山嶺隧道合適的施工方案。

1 工程環(huán)境

2 模型建立

FlAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù),在處理大變形破壞問題的時(shí)候能更快、更好地求解[11]。建模時(shí)需要模型與實(shí)際工程盡可能地保持一致,因此取隧道80 m長的深埋段Ⅳ級圍巖隧道為例。隧道高、寬分別為12.36 m、14.68 m,根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,模型橫向考慮5倍洞徑,豎向考慮9倍洞徑,即模型尺寸為72 m×80 m×120 m，如圖1所示。上部為自由邊界,其余均為法向約束邊界。

圖1 隧道模型

建模采用zone單元,對模型進(jìn)行分組,選擇庫倫摩爾本構(gòu)模型,實(shí)體單元,參照工程實(shí)際參數(shù)對圍巖進(jìn)行參數(shù)賦值，具體參數(shù)如表1,開挖時(shí)采用null空殼模型,支護(hù)采用shell殼體單元。

表1 各級圍巖的物理指標(biāo)

3 對比分析

3.1 圍巖位移計(jì)算結(jié)果

在進(jìn)行隧道開挖時(shí),位移的變化往往最能簡單明了地體現(xiàn)隧道圍巖的穩(wěn)定性。由于隧道是縱向尺寸較長,橫向斷面間斷較短的地下結(jié)構(gòu)物,因此主要分析隧道圍巖開挖后隧道的水平和豎向位移。如圖2所示,三種開挖方式的最大水平位移都在拱腰處,各以左右拱腰為起點(diǎn),呈波紋狀向四周擴(kuò)散,位移大小逐漸減小。其中全斷面法和上下臺階法的水平位移圖形大致沿隧道中心軸左右對稱,CD法的水平位移左側(cè)比右側(cè)稍大,這是由于先開挖左側(cè)部分,使左側(cè)承受了更多來自圍巖的壓應(yīng)力。且左右兩側(cè)水平位移明顯小于全斷面法和上下臺階法。三種開挖方式的豎向位移如圖3所示,大致沿Z軸對稱,以拱頂和拱底為起點(diǎn),逐步向四周擴(kuò)散。其中CD法拱頂和拱底應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯比全斷面法和上下臺階法好。

圖2 隧道的水平位移

圖3 隧道的豎向位移

通過分析比較在三種不同的開挖方案下隧道的豎向位移和水平位移云圖可以看出,拱頂處的豎向位移最大,因此在實(shí)際施工過程中,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注隧道拱頂?shù)膰鷰r變形。由計(jì)算結(jié)果可知,隧道開挖完成后，全斷面法的豎向位移最大,CD法的豎向位移最小。全斷面法、上下臺階法、CD法拱頂沉降分別為13.1 mm、11.0 mm、9.6 mm,水平位移分別為6.2 mm、5.5 mm、4.9 mm;CD法的拱頂沉降比全斷面法減少了26.7%,橫向水平位移減少了21.0%;CD法相比于上下臺階法,拱頂沉降減少了12.7%,水平位移減少了11.0%。主要是因?yàn)樗淼罃嗝娉蕶E圓形,上下臺階法施工時(shí)挖走了隧道上半部土體,缺少了核心土,頂部受到壓力,拱頂位置沒有約束,使拱頂變形過大。而CD法是左右各部分開挖,半邊土體能夠有效阻止圍巖在Z方向上的變形,從而使沉降減少。

圖4、圖5為開挖過程中三種方式的拱頂沉降和水平收斂值與時(shí)間的關(guān)系曲線。水平收斂為隧道開挖后左右兩側(cè)圍巖向中間變形的程度,能更好地反應(yīng)隧道水平位移的變形。從圖中可以看出,隧道拱頂沉降和水平收斂值隨著時(shí)間的增長大致分為急速增長、緩慢增長、基本穩(wěn)定三個(gè)階段。在隧道開挖初期,初始位移變化速率很大,累計(jì)沉降約占總沉降的75%左右;在緩慢增長階段,圍巖的位移變形速率從開始的急劇變化到慢慢變緩,此階段累計(jì)沉降占總沉降的25%左右;在基本穩(wěn)定階段,圍巖變形量幾乎不再增加,變形速率大致趨近于0,隧道圍巖趨于穩(wěn)定。綜合來看,CD法的水平位移和沉降的增長速率比臺階法和全斷面法都緩慢,隧道相對而言較穩(wěn)定。

圖4 拱頂沉降隨時(shí)間的變化

圖5 水平收斂值隨時(shí)間的變化

隧道拱頂下沉量、隧道周邊收斂警戒值[12]范圍如表2、3所示。三種開挖方式的拱頂下沉量和周邊收斂值均滿足隧道拱頂和周邊收斂的警戒值范圍,符合隧道安全標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮,CD法對隧道開挖時(shí)圍巖的變形有著更好的控制效果。

表2 隧道拱頂下沉量警戒值范圍

表3 隧道周邊收斂警戒值范圍

3.2 圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在隧道開挖時(shí),破壞了土體原有的應(yīng)力狀態(tài),使圍巖的應(yīng)力重新分布。三種開挖方式水平方向的應(yīng)力如圖6所示,可以看出最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂與拱底。在水平方向上全斷面法、上下臺階法、CD法的最大壓應(yīng)力分別為6.7 MPa、6.3 MPa、5.6 MPa。CD法在水平方向上的壓應(yīng)力大小比全斷面法和臺階法分別降低了16.4%、14.3%;豎向方向的應(yīng)力如圖7所示,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左右拱腰處,隧道圍巖左右兩側(cè)處均出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。CD法的應(yīng)力集中現(xiàn)象較輕,而臺階法與全斷面法的應(yīng)力集中現(xiàn)象較重。其主要原因是開挖方式不同。臺階法和全斷面法的開挖,導(dǎo)致了隧道的斷面處缺少約束,應(yīng)力由拱頂至拱腰傳遞,使其出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在實(shí)際工程中可以通過施加噴錨、超前小導(dǎo)管等方式加強(qiáng)對應(yīng)力集中區(qū)域的支護(hù),使隧道的施工更加安全。CD法在開挖后的圍巖最大壓應(yīng)力為3.10 MPa,上下臺階法在開挖后形成的最大壓應(yīng)力為3.55 MPa,全斷面法所形成的最大壓應(yīng)力為3.8 MPa,可以看出CD法產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力比臺階法和全斷面法施工分別降低了12.68%，18.42%。因此,就圍巖所受到的壓應(yīng)力來看,CD法施工最為安全。

圖6 水平方向的應(yīng)力

圖7 豎向方向的應(yīng)力

3.3 塑性區(qū)域

塑性區(qū)域是指隧道圍巖在開挖過程中產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域,這個(gè)區(qū)域的材料應(yīng)力超過了彈性極限,進(jìn)入了塑性屈服階段,是判斷圍巖穩(wěn)定性的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。如圖8可以看出,三種開挖方式的拱頂和拱底均出現(xiàn)了不同大小的塑性區(qū)域。其中,采用CD法施工時(shí)圍巖的塑性區(qū)域最小,其次是上下臺階法,塑性區(qū)域最大的是全斷面法。

圖8 塑性區(qū)域

4 驗(yàn)證對比

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性,采用有限元模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比。該隧道實(shí)際采用CD法開挖,取CD法在開挖過程中拱頂?shù)某两底兓?以模擬開挖完成后趨于穩(wěn)定時(shí)拱頂?shù)奈灰朴?jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測位移作對比如圖9所示?，F(xiàn)場數(shù)值與數(shù)值模擬計(jì)算整體趨勢一致,其中在最大值上現(xiàn)場實(shí)測值偏大14%。

圖9 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬值對比

5 結(jié)論

以某大斷面隧道為例,用全斷面法、上下臺階法、CD法對隧道進(jìn)行開挖模擬,對隧道圍巖的位移變化、應(yīng)力大小、塑性區(qū)域進(jìn)行分析,得到了以下結(jié)論:

1)通過模擬圍巖的位移變化可知,全斷面法和上下臺階法的水平位移和豎向位移比CD法大。CD法開挖支護(hù)完成后，隧道的豎向位移最小。全斷面法、上下臺階法、CD法拱頂沉降分別為13.1 mm，11.0 mm，9.6 mm,水平位移分別為6.2 mm，5.5 mm，4.8 mm;CD法拱頂沉降比全斷面法減少了26.7%;橫向水平位移減少了21.0%;CD法相較于上下臺階法,拱頂豎向位移減少了12.7%,水平位移減少了11.0%。因此較位移變化而言,CD法優(yōu)于其他兩種方案。在隧道拱頂沉降變形速率方面,CD法<臺階法<全斷面法。綜合考慮,CD法對隧道開挖時(shí)圍巖的變形有著更好的控制效果。

2)在三種開挖方式中,CD法在開挖后拱頂和拱底的最大壓應(yīng)力為3.1 MPa,與上下臺階法大致相同。和全斷面法相比最大壓應(yīng)力分別降低了12.68%，18.42%;左右拱腰處最大壓應(yīng)力為6.7 MPa,比上下臺階法和全斷面法分別減少了14.3%，16.4%。其壓應(yīng)力主要集中在拱頂、拱底、拱腰兩側(cè),因此,在隧道施工時(shí),應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)該處的支護(hù)與加固。