花崗巖大斷面隧道CD工法開挖受力變形特征分析

劉擇帥

（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 101500）

引言

在上世紀(jì)50 年代新奧法提出后，施工方法不斷進(jìn)步提高，其中CD、CRD 法的研究也層出不窮。在數(shù)值模擬方面，蘇培森等對(duì)軟巖隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)行為和變形性狀進(jìn)行研究［3］；何云研究不同錨桿支護(hù)條件下大斷面巷道的空間變形規(guī)律和圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題［4］；羅劍航利用有限差分軟件FLAC3D，對(duì)軟弱圍巖隧道采用CRD 工法開挖過(guò)程中的應(yīng)力、變形和塑性區(qū)的發(fā)展歷程進(jìn)行模擬分析［6］；石常生等對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖條件下采用的半步“CD”法隧道施工變形規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)結(jié)構(gòu)變形提出針對(duì)性控制措施［7］；蔡躍龍等通過(guò)有限元分析，證明在使用CRD 法進(jìn)行施工時(shí)，在各部開挖的拐角處應(yīng)力集中的程度最大［9］；張佳華針對(duì)三臺(tái)階法和CD 法，采用FLAC3D 軟件對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖下的深埋隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析［10］。大橫琴山隧道位于廣東省珠海市橫琴山脈，研究斷面位于大橫琴山一號(hào)隧道YK1+180 斷面，最大高度達(dá)16.32 m，最寬處為28.23 m，斷面面積大于360 m2，其主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)為花崗巖，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)圍巖，采用CD 法開挖，針對(duì)斷面面積過(guò)大，左右開挖洞分上下大坑進(jìn)行分步開挖。支護(hù)方案：錨噴支護(hù)，鋼筋網(wǎng)和鋼拱架聯(lián)合支護(hù)體系，C25 噴混凝土31 cm。

1 有限元模型的建立

1.1 計(jì)算參數(shù)的選取

Ⅲ級(jí)圍巖花崗巖巖性較好，在模擬時(shí)選擇彈性或者彈塑性模擬，在其他條件相同的情況下使用彈性土體本構(gòu)及摩爾-庫(kù)倫土體本構(gòu)進(jìn)行模擬，觀察結(jié)果情況。彈性土體本構(gòu)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1、摩爾-庫(kù)倫土體本構(gòu)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 彈性土體本構(gòu)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 摩爾-庫(kù)倫土體本構(gòu)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 有限元模型的建立

使用ABAQUS 軟件建立200×120 的二維平面模型，采用實(shí)體單元模擬土體結(jié)構(gòu)；采用梁?jiǎn)卧M初期支護(hù)及錨桿結(jié)構(gòu)；模型下部進(jìn)行X、Y 方向的約束，左右邊界約束X 方向，開挖過(guò)程見圖1。

施工步序：右上導(dǎo)坑→右下導(dǎo)坑→左上導(dǎo)坑→左下導(dǎo)坑→拆除中隔壁。在計(jì)算分析步序中，設(shè)置在土體開挖時(shí)，先設(shè)置開挖區(qū)模量衰減40%，隨后施加初期支護(hù)及錨桿，最后去除開挖部分，以此來(lái)模擬應(yīng)力釋放。模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 施工步序

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬分析

2.1 彈性土體本構(gòu)及摩爾-庫(kù)倫土體本構(gòu)模擬結(jié)果對(duì)比

彈性土體本構(gòu)與彈塑性土體本構(gòu)模擬結(jié)果對(duì)比見表3?？梢钥闯?，在其他條件相同的情況下，其拱頂沉降僅相差6×10-5mm；兩種模擬相應(yīng)位置的錨桿軸力、支護(hù)軸力及彎矩都相差極小，證明在該土體條件下，使用彈性土體本構(gòu)進(jìn)行模擬，在誤差允許范圍內(nèi)。本工程條件下，花崗巖的巖性較好，即便使用彈塑性土體本構(gòu)進(jìn)行模擬，其結(jié)果也未出現(xiàn)塑性應(yīng)變，證明彈性土體本構(gòu)也可在模擬中使用。

表3 彈性與彈塑性土體本構(gòu)結(jié)果對(duì)比

圖3 各施工步合位移云圖

2.2 圍巖位移變化分析

在隧道開挖后，即使及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，由于應(yīng)力的釋放，巖體也會(huì)產(chǎn)生位移。利用有限元模擬結(jié)果，觀察圍巖位移變化情況，有利于明確圍巖最不利部位，以確定圍巖位移監(jiān)測(cè)的著重點(diǎn)。每一施工步序后的圍巖合位移、豎直位移、水平位移變化圖，見圖3～圖5。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算，在每一施工步序開挖后，開挖空洞上下中部產(chǎn)生較大位移變化，上部向下沉降，下部向上隆起，且水平位移明顯小于豎向位移，因此使用豎向位移作為判斷的主要依據(jù)。各施工步豎向位移分布見圖6，選取拱頂、左右拱肩、仰拱及地表等特征點(diǎn)，觀察其位移變化規(guī)律。

從圖4～圖6中可以看出：（1）在中隔壁拆除之前，右拱肩的下沉值大于拱頂?shù)南鲁林?，同時(shí)在左上導(dǎo)坑開挖后，左拱肩的下沉值也大于拱頂?shù)南鲁林?，因此在開挖導(dǎo)坑的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)右拱肩及左拱肩處進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（2）在中隔壁拆除后，拱頂?shù)南鲁撩黠@大于拱肩處，且下沉幅度明顯大于之前施工步，說(shuō)明中隔壁對(duì)圍巖起到一定的支護(hù)能力，在支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，在中隔壁拆除后，需對(duì)拱頂部位的下沉進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以防止拱頂下沉過(guò)大而產(chǎn)生不利影響。（3）在導(dǎo)坑開挖時(shí)，導(dǎo)坑下部圍巖會(huì)有一定量的隆起，尤其在中隔壁拆除后，仰拱處隆起較大，是因?yàn)閹r體開挖卸荷后土體回彈造成的，所以在實(shí)際工程中，可以在中隔壁拆除后施加仰拱。（4）在中隔壁拆除后，地表沉降相對(duì)較小，應(yīng)對(duì)拱中心處地表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，預(yù)報(bào)不易觀察的拱頂至地表段土體發(fā)生的不利變化。

圖4 各施工步豎向位移云圖

圖5 各施工步水平位移云圖

圖6 各施工步豎向位移分布

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

2.3.1 錨桿應(yīng)力分析

在隧道施工中，錨桿的支護(hù)機(jī)理在于支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿深埋于圍巖之中，將圍巖加固在一起，使圍巖自身支護(hù)自身，因其對(duì)圍巖的約束力是通過(guò)錨桿與圍巖之間的剪應(yīng)力傳遞的，所以錨桿在圍巖中大多受拉力［2］。

圖7為各施工步序錨桿軸力云圖，通過(guò)軟件處理，將錨桿受壓部分顯示為黑色，同樣可以看出錨桿大多受拉，使用有限元數(shù)值模擬，就可以單獨(dú)觀察錨桿受力，以確定圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 各施工步序錨桿軸力分布云圖

可以看出，在中隔壁拆除之前的各施工步序中，位于拱頂和各開挖洞的洞腳處錨桿受壓，但數(shù)值較小，在其余位置大多受拉，且其值在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。實(shí)際上，在ABAQUS 軟件中，將錨桿內(nèi)嵌到圍巖中，相當(dāng)于提升圍巖的黏聚力，錨桿軸力分布受圍巖位移變化、復(fù)雜應(yīng)力等影響。針對(duì)在拱頂及各開挖洞洞腳極小范圍內(nèi)，鄰近錨桿軸力相差極大的情況，建議在拱頂各開挖洞洞腳處進(jìn)行安全監(jiān)控。

2.3.2 初噴應(yīng)力分析

借助有限元模擬，可以了解支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況，使用梁?jiǎn)卧獙?duì)其進(jìn)行模擬，觀察其軸力及彎矩分布情況，判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)可能開裂的部位，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)這些部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，能夠提高效率及準(zhǔn)確率。圖8～圖9 為支護(hù)結(jié)構(gòu)各施工步序軸力分布圖及各施工步彎矩分布。

圖8 各施工步序初噴軸力分布云圖

圖9 各施工步序初噴彎矩分布云圖

（1）由圖8 可得，由于圍巖變形向內(nèi)擠壓，初噴軸力多為受壓，且數(shù)值較大，而且初噴緊貼巖壁，因而受拉區(qū)域均在圍巖位移較大處，在各個(gè)施工步后，軸力較大處多位于開挖坑洞的洞腳處。（2）由圖9 可得，中隔壁在壁頂、壁底及壁中處彎矩值較大，在中隔壁拆除后，彎矩值較大處也集中在拱頂、邊墻、拱腳及仰拱等部位。

隧道拱頂、墻腳、邊墻、仰拱及中隔壁壁中處的單元應(yīng)力是處于最可能的不利點(diǎn)，且由于結(jié)構(gòu)受力沿中隔壁對(duì)稱，其軸力及彎矩呈對(duì)稱分布。選取先開挖邊關(guān)鍵部位作為參考分析點(diǎn)，列出其軸力及彎矩值，其結(jié)果見圖10、圖11。

圖10 各施工步序關(guān)鍵點(diǎn)彎矩

圖11 各施工步序關(guān)鍵點(diǎn)軸力

由圖10 和圖11 可得：從彎矩來(lái)看，墻角處的彎矩值一直較大；從軸力來(lái)看，墻角與邊墻處的軸力僅次于中隔壁，對(duì)于扁平狀的隧道開挖，墻角及邊墻處也極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以對(duì)墻角及邊墻處應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，若有支護(hù)開裂情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行安全警報(bào)。（1）中隔壁在左上導(dǎo)坑開挖后軸力和彎矩都急劇增大，其作為豎向支撐，軸力值顯然較大，再加上當(dāng)彎矩過(guò)大時(shí)，中隔壁極易失穩(wěn)，發(fā)生破壞，所以在施工時(shí)需對(duì)中隔壁進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)，監(jiān)測(cè)其穩(wěn)定性并且觀察是否開裂，必要時(shí)施加橫撐或者其他保護(hù)措施以防止失穩(wěn)。（2）自右下導(dǎo)坑開挖后，仰拱處的彎矩值巨大的變化可能是由于仰拱處的圍巖產(chǎn)生極大的向上隆起，同樣在實(shí)際工程中，可以待中隔壁拆除后施加仰拱來(lái)保護(hù)圍巖。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)本工程中圍巖為Ⅲ級(jí)圍巖花崗巖，其巖性較好，在數(shù)值模擬時(shí)，使用彈性土體本構(gòu)及彈塑性土體本構(gòu)計(jì)算的結(jié)果差距不大，在可以忽略的誤差下，可以使用彈性土體本構(gòu)進(jìn)行模擬。（2）根據(jù)圍巖位移變化，應(yīng)著重觀察拱頂、拱肩、仰拱中心的豎直方向位移變化，尤其在中隔壁拆除后，應(yīng)對(duì)拱頂?shù)奈灰谱兓攸c(diǎn)監(jiān)測(cè)，并對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。（3）根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)和錨桿軸力及彎矩分布，應(yīng)對(duì)拱頂、拱腳、邊墻及著重監(jiān)測(cè)，觀察是否開裂，以防止不利影響的產(chǎn)生；同時(shí)也不能忽視中隔壁的監(jiān)測(cè)，必要時(shí)施加橫撐防止中隔壁失穩(wěn)。