基于FLAC3D的公路隧道塌方段工程處置及其優(yōu)化

趙 勇，楊志剛，周智輝，凌同華，張韋華，何文超

(1. 中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；3. 深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518026)

由于隧道工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不可完全預(yù)知性，隧道在施工過(guò)程中很有可能會(huì)遇到塌方、涌水突泥、大變形等工程事故.塌方是隧道施工中最常見(jiàn)的安全事故[1]，隧道塌方嚴(yán)重影響工程的進(jìn)度，威脅施工人員的生命安全并帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失[2].隨著公路建設(shè)的發(fā)展，塌方事故在隧道施工過(guò)程中時(shí)有發(fā)生，已成為隧道施工過(guò)程中的一個(gè)重要安全隱患[3].為了確保隧道工程建設(shè)的安全性，開(kāi)展山嶺隧道施工塌方研究及處治具有重要的理論價(jià)值與工程實(shí)際意義[4-5].

根據(jù)塌方形態(tài)的不同，隧道塌方可劃分為局部塌方、拱形塌方、異形塌方、膨脹巖塌方和巖爆，不同類(lèi)型的塌方對(duì)應(yīng)著不同處治措施[6].其中，拱形塌方按規(guī)?？梢詣澐譃? 大類(lèi)：在淺埋隧道中，巖體較破碎時(shí)，塌方往往延伸到頂部；在深埋隧道中，易出現(xiàn)摩擦樁效應(yīng)，高度一般在4～20 m，塌方影響范圍較大.拱形塌方多發(fā)生在層狀巖體或碎塊巖土中.預(yù)防拱形塌方破壞，一般采用超前錨桿支護(hù)、注漿加固等措施.

塌方處治必須先對(duì)塌方原因有正確的認(rèn)識(shí)，否則容易造成二次塌方或其他災(zāi)害，這不僅將導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失加大，還可能造成安全生產(chǎn)事故[7].塌方處治涉及的施工工藝主要有反壓回填、噴漿固結(jié)、超前大管棚、超前小導(dǎo)管、錨桿施工和換拱，以上工藝可按工程施工實(shí)際情況靈活應(yīng)用[8-9].王道遠(yuǎn)等[10]在強(qiáng)震區(qū)隧道施工塌方段回填注漿并且設(shè)置初支減震縫和二襯減震縫，在抗震和防塌方方面產(chǎn)生了積極作用.王彬彬等[11]認(rèn)為在紅黏土隧道塌方事故中，采取快挖快支、及時(shí)封閉成環(huán)的原則，強(qiáng)化支撐體系，減少土體暴露時(shí)間，能高效快速地治理塌方.張旭等[12]提出了密排短管棚、三臺(tái)階預(yù)留核心土+鎖腳錨管、注漿回填和洞內(nèi)臨時(shí)支撐的防塌方的綜合處治技術(shù)，在應(yīng)對(duì)卵石地層塌方中卓有成效.李志厚等[13]在大風(fēng)埡口隧道特大塌方事故中，綜合分析該隧道突泥富水和涌水險(xiǎn)情，提出地表與洞內(nèi)處治相結(jié)合，以及洞內(nèi)排水的綜合處治措施，并對(duì)地層應(yīng)力和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)公路隧道特大塌方提供了治理經(jīng)驗(yàn).

田志宇等[14]詳細(xì)介紹了隧道塌方體的荷載計(jì)算方法、鋼支撐對(duì)噴射混凝土的加強(qiáng)原理及隧道初期支護(hù)與二次襯砌極限承載力的計(jì)算方法等，并給出了塌方體支護(hù)參數(shù)的選取方法.由于隧道工程的復(fù)雜性，若能在施工時(shí)采取穩(wěn)定性較強(qiáng)的方法，將對(duì)提升隧道施工安全性產(chǎn)生重要作用.本文從隧道施工方法著手，結(jié)合白陽(yáng)山隧道的地質(zhì)情況，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，比較了預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法、預(yù)留核心土法、預(yù)留核心土-三臺(tái)階法3 種方法的穩(wěn)定性.

1 白陽(yáng)山隧道工程概況

白陽(yáng)山隧道是浙江省金華市永康至武義公路改建工程(陽(yáng)豐至湖塘沿段)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一.該隧道為分離式隧道，左洞長(zhǎng)480 m，右洞長(zhǎng)563 m.右洞進(jìn)出口樁號(hào)YK15+255～YK15+818，采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖.本文主要針對(duì)白陽(yáng)山隧道右洞YK15+380～YK15+400 塌方段施工開(kāi)展數(shù)值模擬分析，其斷面寬為16.4 m，高為9.6 m.

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2 隧道塌方段情況及處治措施

自2019-01-21 白陽(yáng)山隧道右線掌子面掘進(jìn)里程至YK15+380 時(shí)，隧道拱頂部位不斷有小塊碎石掉落，使鋼筋網(wǎng)破損以及鋼拱架發(fā)生變形.從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知，YK15+370～YK15+390段圍巖變形速率和累計(jì)變形量都異常大，同時(shí)拱腰部位混凝土表面多處出現(xiàn)開(kāi)裂剝落現(xiàn)象.

2019-01-27，施工方已經(jīng)停止爆破作業(yè)，YK15+380 拱頂部位出現(xiàn)長(zhǎng)6 m，縱深3 m 的坍塌洞，為防止塌洞進(jìn)一步惡化，采用超前小導(dǎo)管注漿填實(shí)，封閉掌子面，待圍巖釋放壓力再進(jìn)行處理；2019-03-18，施工方施作第2 次注漿；2019-04-01 ， 業(yè)主與設(shè)計(jì)方協(xié)商決定對(duì)YK15+380～YK15+400 段提高初期支護(hù)強(qiáng)度，采用注漿填筑塌腔、變更鋼拱架強(qiáng)度與間距、縮短進(jìn)尺深度等處理措施.

3 工作面坍塌采用FLAC3D 模擬分析

本文從沉降、收斂位移、圍巖應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)分布等方面，探討分離式隧道塌方經(jīng)處理后各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律.

根據(jù)工程的實(shí)際工況，結(jié)合地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算原理，模型邊界條件選取范圍為：隧道水平方向114 m，軸線方向70 m，隧道仰拱距模型底部25 m，上表面為自由面.考慮地表面坡度較平緩，建立模型過(guò)程中將地表簡(jiǎn)化為等坡腳計(jì)算.在ANSYS 中前期建立模型后，將模型導(dǎo)入FLAC3D中處理計(jì)算，建立的三維數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示.初期支護(hù)采用shell 單元，錨桿采用cable 單元，其他均采用實(shí)體單元模擬.屈服準(zhǔn)則選用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，將圍巖視為各向同性介質(zhì)，忽略表層風(fēng)化影響，沿隧道縱向考慮圍巖級(jí)別變化分別設(shè)定力學(xué)參數(shù).

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型

3.1 隧道拱頂下沉結(jié)果分析

圖2 為預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法的豎向位移云圖，圖3 為預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法開(kāi)挖施工步與拱頂豎向位移關(guān)系.

圖2 預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法豎向位移云圖

圖3 預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法開(kāi)挖施工步與拱頂豎向位移關(guān)系

由圖2 和圖3 可以看出，在白陽(yáng)山隧道開(kāi)挖時(shí)，Z方向沉降值主要集中在拱頂區(qū)域，左洞的整體沉降值略大于右洞.由于對(duì)隧道洞身塌方段進(jìn)行空腔注漿及延緩開(kāi)挖進(jìn)尺，這在一定程度上可控制圍巖進(jìn)一步變形破環(huán).隧道左右洞底部均有一定隆起但差別不大，且隆起量較拱頂下沉量小，這是因?yàn)樗淼赖撞康穆∑鹬饕伤淼篱_(kāi)挖后應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的彈性變形，而拱頂下沉則包含了部分受擾動(dòng)圍巖的塑性沉降.

3.2 隧道洞周收斂結(jié)果分析

圖4 為預(yù)留核心土法-上下臺(tái)階法開(kāi)挖水平位移云圖，圖5 為預(yù)留核心土法-上下臺(tái)階法開(kāi)挖水平位移變化.

在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”的新時(shí)代背景下，大學(xué)生創(chuàng)業(yè)是當(dāng)前越來(lái)越突出且不可或缺的新時(shí)代背景下的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在此背景下，高校團(tuán)委作為創(chuàng)業(yè)活動(dòng)最直接、最基層的開(kāi)展者，自然被賦予了更重要的角色，因而對(duì)高校團(tuán)委創(chuàng)業(yè)工作也有了更高的要求，高校團(tuán)委如何在新時(shí)代背景下更好的去應(yīng)對(duì)，去深入服務(wù)開(kāi)展大學(xué)生創(chuàng)業(yè)，乃是高校團(tuán)委目前急需解決和研究分析的一個(gè)重要的課題。

圖4 預(yù)留核心土法-上下臺(tái)階法開(kāi)挖水平位移云圖

圖5 預(yù)留核心土法-上下臺(tái)階法開(kāi)挖水平位移變化

由圖4 可知，在白陽(yáng)山隧道開(kāi)挖過(guò)程中，X方向位移主要集中在拱腰區(qū)域，左洞拱腰累計(jì)位移值為2.52 mm，右洞拱腰位移值為2.23 mm，左洞的整體收斂值略大于右洞.拱頂水平位移變化均較少，不足0.3 mm.圍巖水平位移變化呈對(duì)稱分布，左側(cè)拱腰部位水平應(yīng)力最大，右洞右側(cè)壁邊墻部位水平位移值減少明顯.

由圖5 可知，左洞拱頂水平位移值為0.07 mm，右洞拱頂水平位移值為0.03 mm，兩處水平位移值基本保持平穩(wěn)趨勢(shì).由此可知，在施工階段不需要考慮拱頂水平位移的影響.拱腰水平位移在下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中變化明顯，左洞拱腰水平位移為1 mm，右洞拱腰水平位移為0.8 mm，而在圍巖開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中水平位移值都比較少.這表明，下臺(tái)階開(kāi)挖后，封閉仰拱有效地阻止了圍巖向內(nèi)擠壓產(chǎn)生破壞，并減少了洞室的水平位移.

3.3 圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析

隧道開(kāi)挖破壞了巖體平衡狀態(tài)，使圍巖發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重分布，從而產(chǎn)生新的應(yīng)力平衡狀態(tài).分析施工過(guò)程中圍巖應(yīng)力分布及位移變化，對(duì)實(shí)際施工中支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)選取及圍巖穩(wěn)定性判斷具有重大意義.

圖6 和圖7 分別為圍巖最大主應(yīng)力云圖.由圖6 與圖7 可知，隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力分布呈動(dòng)態(tài)變化，左洞拱頂與拱底小范圍出現(xiàn)拉應(yīng)力.其中，左洞拱頂部位最大拉應(yīng)力值為0.16 MPa，拱底出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力值為0.2 MPa，這些應(yīng)力值均未超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度；拱腰部位出現(xiàn)的壓應(yīng)力為3.2 MPa；側(cè)墻及邊墻部位出現(xiàn)的壓應(yīng)力為2.5 MPa.這說(shuō)明上臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力重分布影響最大.

圖6 圍巖最小主應(yīng)力云圖

圖7 圍巖最大主應(yīng)力云圖

3.4 圍巖塑性區(qū)分析

隧道開(kāi)挖后，穩(wěn)定塑性區(qū)為未出現(xiàn)松動(dòng)破壞的塑性區(qū)，這類(lèi)圍巖塑性區(qū)比較穩(wěn)定，被破壞的可能性小，并且能夠作為支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)圍巖的部分荷載；非穩(wěn)定塑性區(qū)為出現(xiàn)松動(dòng)破壞后的塑性區(qū)，這類(lèi)塑性區(qū)會(huì)破壞圍巖穩(wěn)定性，極易造成突發(fā)坍塌破壞.因此，施工中不允許出現(xiàn)非穩(wěn)定塑性區(qū).在一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定塑性區(qū)對(duì)隧道施工支護(hù)結(jié)構(gòu)有利，它可以分擔(dān)部分初期支護(hù)承擔(dān)的圍巖壓力，有利于保持圍巖穩(wěn)定性.

圖8 為隧道施工完成后的圍巖塑性區(qū)分布.圖8 中以不同顏色代表不同的破壞機(jī)制：紅色和天藍(lán)色表示單元受剪切破壞；粉紅色和深藍(lán)色表示單元受拉伸破壞.由圖8 可知，隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后，洞室周邊僅在4 m 范圍內(nèi)塑性區(qū)分布明顯，這說(shuō)明施工支護(hù)措施有效限制了塑性區(qū)的擴(kuò)展，也表明采用4 m 長(zhǎng)的砂漿錨桿加固圍巖符合工程實(shí)際.在施工過(guò)程中，圍巖大部分都發(fā)生了剪切破壞，但只在隧道拱頂及仰拱底部1 m 范圍內(nèi)外巖體曾經(jīng)發(fā)生過(guò)拉伸破壞.

圖8 隧道施工完成后圍巖塑性區(qū)分布

4 施工方案對(duì)比及優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明塌方段洞身位移變化較大，這說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工方案存在一定的風(fēng)險(xiǎn).隧道塌方處理時(shí)，保證隧道圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要，為了防止產(chǎn)生二次塌方，應(yīng)采取合適的施工開(kāi)挖方法，并控制進(jìn)尺深度.因此，有必要對(duì)隧道塌方段施工方案進(jìn)行優(yōu)化分析.

根據(jù)國(guó)內(nèi)外隧道施工方法，同時(shí)考慮白陽(yáng)山隧道工程具有大斷面及復(fù)雜地質(zhì)情況的特點(diǎn)，提出3 種不同的施工方案進(jìn)行比較.①預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法(原施工方法)：先行洞采用預(yù)留核心土開(kāi)挖，后行洞采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖.②預(yù)留核心土法：左右洞均采用預(yù)留核心土開(kāi)挖.③預(yù)留核心土-三臺(tái)階法：先行洞采用預(yù)留核心土開(kāi)挖，后行洞采用三臺(tái)階法開(kāi)挖.

本文著重分析不同施工方案開(kāi)挖對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，并運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)位移的分布規(guī)律、圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)變化情況進(jìn)行分析.

4.1 沉降位移對(duì)比分析

為了研究不同開(kāi)挖方式下隧道塌方段圍巖的穩(wěn)定性，對(duì)典型斷面YK15+380 與YK15+390 進(jìn)行了研究，即在模擬斷面Z=35 與Z=45 布設(shè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).其中，Z=35 斷面在不同開(kāi)挖方案下的關(guān)鍵點(diǎn)位移變化曲線如圖9 所示.

圖9 Z=35 斷面在不同開(kāi)挖方案下關(guān)鍵點(diǎn)位移變化曲線

由圖9 可知，從拱頂下沉看，預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法的拱頂下沉為-10.23 mm；預(yù)留核心土法的拱頂下沉量為-10.15 mm.這表明有無(wú)核心土開(kāi)挖對(duì)拱頂位移量影響不大，且其初期支護(hù)時(shí)間基本相當(dāng).從拱腰豎向位移可以看出，預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法、預(yù)留核心土法、預(yù)留核心土-三臺(tái)階法的拱腰沉降量分別為-2.22，-2.30 和-2.02 mm.從豎向沉降來(lái)看，3 種開(kāi)挖方案中預(yù)留核心土-三臺(tái)階法最好，收斂量較其他2 種方法降低了10%.隧道YK15+380～YK15+430 段圍巖軟弱破碎，為研究塌方腔體注漿區(qū)域?qū)φ谱用骈_(kāi)挖的影響，取其2 個(gè)特殊斷面對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析.其中，一個(gè)斷面為注漿段；另一個(gè)斷面為掌子面開(kāi)挖斷面.文中重點(diǎn)分析在不同開(kāi)挖方案下這2 個(gè)典型斷面的關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移最終值，其值如表2 所示.

表2 不同開(kāi)挖方案下典型斷面的豎向位移最終值 mm

表2 中，Z=35(右洞)為隧道塌腔注漿區(qū)域，Z=45(右洞)為掌子面軟弱圍巖開(kāi)挖區(qū)域.由表2 可知，在Z=45(右洞)斷面，預(yù)留核心土法對(duì)限制隧道拱頂下沉的效果甚微，而采用預(yù)留核心土-三臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)拱頂下沉或拱腰豎向位移增幅較小，相對(duì)于Z=35(右洞)斷面，僅分別增加0.61 mm 和0.15 mm，拱頂最終沉降量為9.12 mm，拱腰最終沉降量為2.17 mm，均小于規(guī)定的允許沉降值.因此，從控制拱頂沉降考慮，應(yīng)該優(yōu)先選用預(yù)留核心土-三臺(tái)階法.

4.2 洞周收斂對(duì)比分析

圖10 為在不同開(kāi)挖方案下Z=35 斷面關(guān)鍵點(diǎn)的水平位移變化曲線，表3 為在不同開(kāi)挖方案下典型斷面水平位移最終值.

由表3 可知，從拱腰水平位移看，預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法、預(yù)留核心土法和預(yù)留核心土-三臺(tái)階法的隧道拱腰水平位移分別為-2.34，-2.37和-1.76 mm.故從控制水平位移角度，應(yīng)優(yōu)先選擇預(yù)留核心土-三臺(tái)階法.從圖10 可知，在Z=35(右洞)斷面，在3 種開(kāi)挖方案下，預(yù)留核心土-三臺(tái)階法施工的隧道斷面關(guān)鍵點(diǎn)水平位移值最小，因此該法對(duì)預(yù)防塌方有積極作用.

圖10 在不同開(kāi)挖方案下Z=35 斷面關(guān)鍵點(diǎn)的水平位移變化曲線

表3 不同開(kāi)挖方案下典型斷面水平位移最終值 mm

4.3 圍巖應(yīng)力對(duì)比分析

選取Z=35 與Z=45 斷面，分析在不同開(kāi)挖方案下其隧道圍巖最大主應(yīng)力分布情況，2 個(gè)斷面圍巖最大主應(yīng)力見(jiàn)圖11～圖13.

圖11 預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法典型斷面圍巖的主應(yīng)力云圖

圖12 預(yù)留核心法典型斷面圍巖的主應(yīng)力云圖

圖13 預(yù)留核心土-三臺(tái)階法典型斷面圍巖的主應(yīng)力云圖

由圖11～圖13 可知，預(yù)留核心土-三臺(tái)階法、預(yù)留核心土法和預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法開(kāi)挖引起的圍巖主應(yīng)力分布規(guī)律較為相似，且在隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后，圍巖均出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

4.4 圍巖塑性區(qū)對(duì)比分析

在隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中，圍巖會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如當(dāng)某區(qū)域的應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力，或超過(guò)圍巖的抗剪強(qiáng)度，隧道周邊巖體會(huì)產(chǎn)生塑性破壞.圍巖塑性區(qū)是判別圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo).采用FLAC3D軟件對(duì)不同開(kāi)挖支護(hù)方案下隧道圍巖塑性區(qū)分布狀況進(jìn)行模擬分析，可判斷圍巖是否處于穩(wěn)定狀態(tài).

圖14 不同開(kāi)挖方式下隧道圍巖塑性區(qū)分布

施工方案不同，對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度也不一樣，從而隧道周邊巖體塑性區(qū)分布情況也會(huì)不一樣(見(jiàn)圖14).由圖14 可知，3 種開(kāi)挖方式下，預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法與預(yù)留核心土法開(kāi)挖時(shí)，隧洞周邊拉應(yīng)力分布更廣泛，隧洞圍巖更易發(fā)生受拉破壞；預(yù)留核心土-三臺(tái)階法開(kāi)挖所對(duì)應(yīng)的隧道周邊受拉范圍較小，即采用該法開(kāi)挖時(shí)，更利于保持圍巖穩(wěn)定性.

5 結(jié)論

1)運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D對(duì)3 種施工方案進(jìn)行模擬分析，3 種方案均表現(xiàn)為拱頂沉降最大，仰拱隆起最明顯.預(yù)留核心土-三臺(tái)階法控制圍巖位移效果最好，其次是預(yù)留核心土法，預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法最差.

2)采用不同施工方案開(kāi)挖時(shí)，圍巖塑性區(qū)主要分布于右洞拱腳處、拱頂和拱肩區(qū)域.預(yù)留核心土-三臺(tái)階法的塑性區(qū)變化范圍最小，預(yù)留核心土法次之，預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法最差.

3)塌方段開(kāi)挖方案由預(yù)留核心土-上下臺(tái)階法改為預(yù)留核心土-三臺(tái)階法，可以明顯控制圍巖位移變化，減少塑性區(qū)擴(kuò)展，從而保障隧道施工安全.

4)根據(jù)白陽(yáng)山隧道右線塌方事故產(chǎn)生的具體原因，確立了處治該塌方事故的合理方案，即建議隧道短進(jìn)尺施工，掌子面逐榀開(kāi)挖，及時(shí)施作初期支護(hù)，并對(duì)拱頂進(jìn)行注漿加固.