基于Midas/GTS的隧道變形控制措施和開挖方法研究

馬玉春，馬麗娜

(1. 蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730000;2. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

位于我國西北的某公路隧道設(shè)計速度為80 km/h，雙向四車道，采用分離式設(shè)計，左、右洞長分別為15 198、15 112 m，隧道最大埋深為630.2 m，隧道左右線凈間距為56 m。隧道所在區(qū)域為青藏板塊、塔里木板塊、揚子板塊等擠壓交接的地帶，圍巖主要為軟弱碳質(zhì)板巖，圍巖等級為Ⅴ級，隧道所在區(qū)域?qū)儆跇O高應(yīng)力區(qū)，高地應(yīng)力的碳質(zhì)板巖容易發(fā)生較大的變形。隧道所在區(qū)域地面高程介于2 500～3 200 m之間，海拔較高、自然坡度平均約55°，山勢陡峭，山脊處的巖體裸露，存在較為嚴重的風(fēng)化現(xiàn)象，節(jié)理發(fā)育。

根據(jù)本區(qū)域其他隧道的工程經(jīng)驗[1-2]，可推測本隧道具有初期變形量大、變形速率快且持續(xù)時間長等特點。為了保證該隧道施工安全，本文基于工程實際情況從變形控制措施和施工方法選擇兩方面進行了研究。本文對如下工況進行了對比分析：21、28和35 cm這3種不同的噴射混凝土厚度；90°、127°和180°這3種不同的加固范圍；三臺階七步預(yù)留核心土法和環(huán)形開挖預(yù)留核心土法2種不同的施工方法。經(jīng)過對比分析提出最佳的開挖方法和變形控制措施，從而保證隧道的施工安全。

2 有限元模型的建立

本文基于大型有限元仿真軟件MIDAS/GTS[3]對該隧道的工法優(yōu)化進行數(shù)值模擬分析。其中利用實體單元對噴射混凝土、圍巖和二襯進行模擬，利用梁單元對鋼拱架進行模擬[4]，模型采用庫倫-摩爾本構(gòu)模型[5]。模型的頂部為自由面、底部約束豎向位移、四周約束水平位移。本文建立的有限元模型單元如圖1所示。

(a) 鋼拱架單元 (b) 噴射混凝土單元

根據(jù)該項目地勘資料和相關(guān)隧道設(shè)計規(guī)范，模型參數(shù)表如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters材料泊松比彈性模量/MPa容重/(kN·m-3)內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/kPa鋼拱架3.02 055.88783.43——二次襯砌2.0294.41229.54——噴射混凝土3.0149.70219.56——加固區(qū)圍巖3.69.98199.60274.451 996.00V級圍巖3.94.99199.60274.451 796.40

3 隧道變形控制措施和開挖方法研究

隧道的支護可以分為圍巖和支護結(jié)構(gòu)兩部分[6]，一般情況下承載主體為圍巖，支護結(jié)構(gòu)起輔助作用[7]。但是在某些特殊情況下[8-9]，特別是高地應(yīng)力軟巖隧道支護體系中，支護結(jié)構(gòu)也被當作承載主體。本文采用單一變量法進行對比分析。共設(shè)置以下不同工況：噴混凝土厚度分別為21、28、35 cm；預(yù)加固范圍為分別為90°、127°和180°；開挖方法分別為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階七步預(yù)留核心法。

3.1 噴射混凝土厚度

噴射混凝土過厚會造成經(jīng)濟不合理，過薄則會產(chǎn)生剝落等現(xiàn)象。選取噴射混凝土厚度為21、28、35 cm進行對比分析。圖2為3種工況下的有限元模型，由于篇幅關(guān)系，各分項的有限元計算結(jié)果僅展示噴射厚度為28 cm工況下的。

(a) 21 cm厚 (b) 28 cm厚 (c) 35 cm厚

3.1.1圍巖變形

圖3為厚度為28 cm時水平和豎向位移云圖。

(a) 水平位移

不同噴射厚度工況下各個關(guān)鍵點的位移見圖4。

圖4 不同噴射厚度工況下各個關(guān)鍵點的位移Figure 4 Displacement of key points under different spray thickness conditions

由圖4可知，隨著噴射混凝土厚度的增加，各個關(guān)鍵點的水平位移和豎向位移均減小。

3.1.2噴射混凝土應(yīng)力圖

圖5為噴射厚度28 cm工況下噴射混凝土的應(yīng)力云圖。通過對比不同工況下的噴射混凝土應(yīng)力云圖可知，3種工況下噴射混凝土的應(yīng)力均主要為壓應(yīng)力且從下到上逐漸變大。噴射厚度為21、28 cm時，應(yīng)力值為-7.5～-19.5 MPa；噴射厚度為35 cm時，應(yīng)力值為-7.5～-27.5 MPa。因此可知，當噴射厚度為35 cm時，噴射混凝土承受了更大的壓應(yīng)力并超過了抗壓極限，而且大面積的受拉區(qū)域出現(xiàn)在仰拱附近，因此過厚的混凝土噴射厚度雖然有利于控制圍巖變形，但可能造成拱頂?shù)炔课怀霈F(xiàn)破碎、剝落等現(xiàn)象。

圖5 噴射混凝土應(yīng)力圖(28 cm)Figure 5 Stress diagram of shotcrete (28 cm)

3.1.3鋼拱架受力分析

圖6為噴射厚度28 cm工況下鋼拱架應(yīng)力云圖。鋼拱架主要承受的應(yīng)力為壓應(yīng)力且從上到下逐漸減小，拱頂和拱腰處應(yīng)力較大，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在拱腰處，3種工況下最大應(yīng)力值分別為256.89、219.64、197.52 MPa。

圖6 鋼拱架應(yīng)力云圖(28 cm)Figure 6 Stress cloud of steel arch(28 cm)

綜上所述，噴射混凝土厚度增加可以有效減小圍巖變形和鋼拱架的受力，但過大的厚度會導(dǎo)致其壓應(yīng)力大于混凝土極限壓應(yīng)力，而且出現(xiàn)較大的受拉區(qū)域，導(dǎo)致拱頂?shù)忍幇l(fā)生破壞，因此噴射混凝土厚度為28 cm最合理。

3.2 掌子面前方預(yù)加固范圍

90°、127°和180°的3種不同的掌子面的有限元模型如圖7所示。由于篇幅關(guān)系，各分項的有限元計算結(jié)果僅展示加固范圍為127°工況下的。

(a) 90°

3.2.1圍巖變形

加固范圍為127°時，有限元模型的位移云圖如圖8所示。

(a) 水平位移

通過有限元計算結(jié)果可知，3種工況下的位移云圖分布相似，最大水平位移均發(fā)生在隧道邊墻附近、最大變形均出現(xiàn)在拱腰和拱頂之間。3種工況下各個關(guān)鍵點的位移如圖9所示。

圖9 不同加固范圍各個關(guān)鍵點的位移Figure 9 Displacement of each key point in different reinforcement ranges

由圖9可知，隨著加固范圍的變大，各個關(guān)鍵點的位移均有所減小。相較于從127°增加到180°，從90°增加到127°位移減小的更為明顯。

3.2.2塑性區(qū)

3種工況下的塑性區(qū)分布范圍存在較大差異，加固范圍為180°時，塑性區(qū)主要分布在邊墻和仰拱附近；而加固范圍為90°和127°時，塑性區(qū)主要分布在拱腰和仰拱附近。因此在工程施工時應(yīng)該盡早完成支護結(jié)構(gòu)的封閉成環(huán)工作。加固范圍為127°時塑性區(qū)范圍見圖10。

圖10 塑性區(qū)范圍(127°)Figure 10 Plastic zone range (127 °)

3.2.3鋼拱架

根據(jù)有限元計算結(jié)果可知，3種工況下鋼拱架均主要承受壓應(yīng)力。90°、127°、180°的3種工況下的最大壓應(yīng)力分別為162.98、159.32、155.79 MPa?？傮w上，關(guān)鍵部位的受力情況180°工況下最好，127°工況下次之，90°工況下最差。加固范圍為127°時鋼拱架應(yīng)力云圖見圖11。

圖11 鋼拱架應(yīng)力云圖(127°)Figure 11 Stress cloud of steel arch(127°)

綜上可知，加固區(qū)越大，隧道關(guān)鍵部位的位移越小、受力也更為合理。

3.3 開挖方法

一般情況下，需要綜合考慮隧道的斷面面積、隧道長度和地質(zhì)條件來確定開挖方法[10]，目前國內(nèi)大部分采用臺階法[11-13]對高地應(yīng)力軟巖隧道進行開挖和變形控制?？紤]到本項目的特殊性，并參照同區(qū)域類似項目的開挖方案[14-15]，初擬了環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階七步預(yù)留核心法兩種開挖方法。兩種開挖方法對應(yīng)的有限元模型見圖12。

(a) 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法

3.3.1圍巖變形

圖13、圖14分別為兩種開挖方法所對應(yīng)的水平和豎向位移云圖。由圖可知，兩種開挖工法的最大水平位移均出現(xiàn)在邊墻處，最大豎向位移均出現(xiàn)在拱腰至拱頂之間。兩種開挖方法對應(yīng)的各個關(guān)鍵點的位移如圖15所示。

(a) 水平位移

(a) 水平位移

圖15 兩種開挖方法對應(yīng)的各個關(guān)鍵點的位移Figure 15 The displacement of each key point corresponding to the two excavation methods

由圖15可知，三臺階七步預(yù)留核心土法在各個關(guān)鍵部位處的水平位移及豎向位移均小于環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。其原因為前者每次開挖面積較小，可以降低對圍巖的擾動。

3.3.2噴射混凝土應(yīng)力云圖

2種開挖方法對應(yīng)的關(guān)鍵部位應(yīng)力云圖如圖16所示。

(a) 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法

根據(jù)計算結(jié)果可知，整體上兩種施工方法受力較為均勻、合理。采用三臺階七步預(yù)留核心土法施工，拱腰和拱頂處的壓應(yīng)力較大，拱腳處出現(xiàn)了范圍較小的應(yīng)力集中現(xiàn)象。而采用環(huán)形開挖留核心土法施工，邊墻和拱腳處的壓應(yīng)力較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在拱頂附近的小范圍內(nèi)。

3.3.3塑性區(qū)

兩種施工方法對應(yīng)的塑性區(qū)云圖如圖17所示。由圖17可知，兩種開挖方法對應(yīng)的塑性區(qū)較為相似，塑性區(qū)域均集中在仰拱和拱腳至邊墻的部位。

(a) 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法

3.3.4掌子面擠出變形

兩種開挖方法對應(yīng)的掌子面基礎(chǔ)變形如圖18所示。環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階七步預(yù)留核心土法的最大掌子面擠出位移分別為18.01、14.32 cm。后者的擠出面積較小，擠出情況較輕。因此，兩種施工方法均可以穩(wěn)固掌子面、限制掌子面變形的作用。但相比之下，三臺階七步預(yù)留核心土法更為理想。

(a) 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法

4 結(jié)論

a.噴射混凝土越厚，其圍巖變形越小、塑性區(qū)分布越均勻合理、鋼拱架關(guān)鍵位置的最大應(yīng)力也越小。但是過厚的噴射混凝土厚度一方面會使噴射混凝土承受的壓力超過極限值，導(dǎo)致噴射混凝土出現(xiàn)大面積的剝落、破碎等現(xiàn)象，另一方面也會造成經(jīng)濟上的浪費，因此綜合考慮本項目采用的噴射混凝土厚度為28 cm。

b.掌子面前方預(yù)加固范圍越大，圍巖變形越小、支護結(jié)構(gòu)也越穩(wěn)定。180°預(yù)加固范圍在拱腰、拱頂?shù)汝P(guān)鍵部位的水平和豎向位移均最小，因此本文推薦預(yù)加固范圍為180°。

c.環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階七步預(yù)留核心土法均可穩(wěn)固掌子面、限制掌子面變形。但相比之下，后者關(guān)鍵部位的水平位移和豎向位移較小且最大掌子面擠出位移較小，因此三臺階七步預(yù)留核心土法更符合本項目。