深埋軟巖隧道臺(tái)階法施工過程力學(xué)效應(yīng)研究及優(yōu)化

張 凱

重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院（400074）

0 前言

我國西部地區(qū)很大一部分都是山區(qū)，并且地質(zhì)地貌復(fù)雜多樣，軟巖分布較為廣泛。近年來，我國西部大開發(fā)計(jì)劃在不斷進(jìn)行的過程中，大量山區(qū)公路隧道如雨后春筍般修建。當(dāng)隧道位于軟巖地區(qū)時(shí)，大多高應(yīng)力軟巖隧道出現(xiàn)了變形問題[1]。在軟巖地區(qū)隧道不斷增多的同時(shí)，我們也在處理軟巖大變形的問題上積累了重要經(jīng)驗(yàn)。隧道的大變形不是在開挖后的短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，而是在經(jīng)過一段時(shí)間的變形積累，隧道才產(chǎn)生的失穩(wěn)破壞?？梢酝茢啵淼赖淖冃问Х€(wěn)與時(shí)間長短有關(guān)[2-3]。很長時(shí)間以來，我們使用經(jīng)典的彈塑性模型對軟巖隧道變形進(jìn)行模擬存在著許多難以解決的問題。因?yàn)閺椝苄阅Ｐ屠碚撜J(rèn)為，隧道開挖后的變形是瞬時(shí)形成的，隧道的失穩(wěn)破壞也是開挖后很快發(fā)生的，而實(shí)際上軟巖隧道需要一段時(shí)間后變形才趨于穩(wěn)定，即使變形達(dá)到穩(wěn)定后，巖體與支護(hù)還可產(chǎn)生應(yīng)力松弛，因此只有從流變力學(xué)的觀點(diǎn)才能作出合理的解釋[4-6]。

因此，文章主要研究軟巖的流變現(xiàn)象，為軟巖隧道的設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。文章以兩江隧道工程為例，該隧道多為IV、V 級圍巖，在修建過程中多次遇到大變形，使隧道支護(hù)開裂、剝離，甚至出現(xiàn)剪切破壞。在借鑒前人成果的基礎(chǔ)上，利用依托工程進(jìn)行試驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算、理論分析，對軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行討論，并著重研究軟巖隧道支護(hù)時(shí)機(jī)及開挖的時(shí)空效應(yīng)，為其他類似工程提供一定參考，具有重要的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)意義。

1 計(jì)算及建模

1.1 計(jì)算背景及襯砌荷載計(jì)算

兩江隧道為山嶺隧道，地下水豐富，圍巖等級為IV 級，埋深為56 m，隧道開挖半徑為5.5 m。該隧道的巖土體容重24.6 kN/m3，彈性模量為 3.5 GPa。土體泊松比為 0.34，凝聚力為 0.6 MPa，內(nèi)摩擦角為35°，襯砌結(jié)構(gòu)采用C30 混凝土。

經(jīng)驗(yàn)方程法是對巖石進(jìn)行一系列試驗(yàn)，利用數(shù)學(xué)方法建立起來的流變公式,具有典型的數(shù)學(xué)形式，能擬合較多的巖石流變特征。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)可以擬合得出巖石蠕變的試驗(yàn)結(jié)果[6]。

巖石蠕變的經(jīng)驗(yàn)方程通式為

式中，ε（t） 為 t 時(shí)間內(nèi)的總應(yīng)變，ε0為瞬間應(yīng)變，ε1（t）為減速蠕變階段應(yīng)變，ε2（t）為等速蠕變階段應(yīng)變，ε3（t）為加速蠕變階段應(yīng)變。

目前通過巖石試件試驗(yàn)獲得的典型蠕變方程主要有:

1.1.1 冪函數(shù)型方程

表達(dá)式為:

式中，B、n為試驗(yàn)常數(shù)，其值與材料性質(zhì)、應(yīng)力水平及穩(wěn)定條件有關(guān)。

1.1.2 對數(shù)型方程

表達(dá)式為：

式中，B、C 為試驗(yàn)常數(shù)，ε0為初始彈性應(yīng)變。

1.1.3 指數(shù)型方程

表達(dá)式為:

式中，B為常數(shù)；f（t）為t的函數(shù)。

本次采用的是“地層結(jié)構(gòu)法”對隧道襯砌進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，這體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。首先結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行圍巖壓力的計(jì)算，其中，水平荷載和豎向荷載均近似按照均布荷載考慮。

判斷深淺埋隧道:

隧道埋深大于2.5 倍hq，故為深埋隧道。

豎向壓力為122.76 kN/m3。水平土壓根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式:

1.2 有限元模型的建立

使用大型通用有限元Abaqus 軟件建立彈塑性本構(gòu)模型，在hypermesh 模塊中建立beam 梁單元。首先在Part 模塊內(nèi)確立三維坐標(biāo)及開挖方向，將建好的隧道模型在Mesh 模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。然后，將建立的多個(gè)Part 模型進(jìn)行裝配，并賦予其相關(guān)材料屬性。接著，根據(jù)隧道的實(shí)際地質(zhì)狀況對模型施加約束，并且對其施加豎向及水平荷載。在用Abaqus 模擬時(shí)，已知的隧道埋深、巖土容重等相關(guān)參數(shù)計(jì)算出該埋深下隧道的初始地應(yīng)力以及巖土的孔壓。將計(jì)算出的初始重力載荷均勻地施加在模型頂部截面。

為減小有限元模型中邊界約束條件對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，計(jì)算模型的邊界范圍在各個(gè)方向上均大于3 倍的洞跨。具體計(jì)算時(shí)，計(jì)算域在水平方向?qū)挾热?00 m，在豎直方向取豎直長度為60 m，隧道縱深為56 m。隧道模型左面、右面和底面均為固支約束，頂面為自由面。隧道采用臺(tái)階法開挖。

2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)模型數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，對兩江隧道臺(tái)階法開挖引起的軟巖段圍巖豎向變形與應(yīng)力進(jìn)行分析。在開挖過程中得出縱向不同斷面位置拱頂下沉量、隧底隆起量。

圍巖豎直方向位移在隧道開挖完成后最大值出現(xiàn)在拱頂處，達(dá)到37 mm，左右側(cè)沉降呈對稱分布，左右拱腰處圍巖拱頂沉降值約為33 mm，拱頂沉降有拱頂＞拱腰＞邊墻的趨勢，拱底處出現(xiàn)圍巖隆起現(xiàn)象，最大隆起值約為27 mm。圍巖塑性區(qū)很小且出現(xiàn)在拱腳處，這可能是由于拱腳處應(yīng)力集中造成的，圍巖處于安全狀態(tài)。

上臺(tái)階及中臺(tái)階開挖后，H1、H2、H3 三點(diǎn)的拱頂沉降急劇增大，其值分別為33 mm、31 mm、31 mm，約占穩(wěn)定后數(shù)值的77%。待中臺(tái)階開挖后，圍巖沉降的速率逐漸降低。拱頂沉降主要集中在圍巖開挖后的一周內(nèi)，隨著掌子面不斷前移，掌子面的開挖對該斷面沉降的影響也越來越小，與監(jiān)控測量的實(shí)際數(shù)據(jù)相吻合。

由分析可知: 高地應(yīng)力軟巖隧道采用臺(tái)階法開挖通過時(shí)，拱頂最大沉降量為3.1 mm，隧底最大隆起量為5.7 mm，該最大變形與W 級圍巖隧道最大變形閥值比較接近。此外，根據(jù)計(jì)算結(jié)果整理得到:采用臺(tái)階方法開挖，襯砌上最大彎矩為1 000 kN/m，最大彎矩在拱腳處，而襯砌拱腳設(shè)計(jì)的最大彎矩為1 200 kN/m，很明顯支護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎能力仍有發(fā)揮余地。

3 結(jié)語

針對兩江隧道軟巖段的環(huán)境特點(diǎn)和地質(zhì)條件，提出采用臺(tái)階法開挖，輔助采用超前小導(dǎo)管支護(hù)。

隧道開挖后，拱頂?shù)某两抵涤兄眲≡龃?、緩慢增大、趨于穩(wěn)定的趨勢，開挖8 d 內(nèi)的位移值達(dá)到最終位移的80%，可提供現(xiàn)場施工指導(dǎo)。

在初噴混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，圍巖的初期壓力主要由鋼拱架承擔(dān)，鋼拱架內(nèi)外側(cè)均受壓，外側(cè)應(yīng)力平均大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力。拱頂處的應(yīng)力大于其他的部位。通過安全級別預(yù)測判斷，圍巖開挖過程中安全級別始終處于安全和基本安全狀態(tài)。

現(xiàn)場測試結(jié)果表明，理論計(jì)算值與現(xiàn)場測試值基本吻合。工程實(shí)踐證明，兩江隧道在通過高地應(yīng)力軟巖段時(shí)，采用臺(tái)階法開挖，并輔助其他工法進(jìn)行超前支護(hù)和加固，同時(shí)采取信息化監(jiān)控量測措施和風(fēng)險(xiǎn)防范措施，可有效地控制隧道受力和變形，確保隧道通過高地應(yīng)力軟巖段的施工安全。