大斷面公路隧道開挖數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)研究

李福獻(xiàn)

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

隧道作為交通工程的重要組成部分，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究［1－3］。砂巖巖體的各向異性特征使其變形和穩(wěn)定性問題變得十分復(fù)雜［4－5］，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。韓昌瑞等［6］獲得橫觀各向同性彈塑性本構(gòu)模型，并對(duì)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的圍巖破壞特征基本吻合。鐘正強(qiáng)等［7］建立了層狀巖體隧道開挖計(jì)算模型，探討了傾斜層狀巖體中隧道開挖的穩(wěn)定性。黃書嶺等［8］將層狀巖體復(fù)合材料硬化、軟化模型嵌入到FLAC3D，通過單軸和三軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M出不同圍壓和傾角情況下層狀巖體的力學(xué)響應(yīng)特征。趙大洲等［9］建立了有關(guān)巖層傾角、走向的互層巖體本構(gòu)模型，研究砂、板互層巖體中隧道圍巖的力學(xué)特性。

隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科快速發(fā)展，數(shù)值分析方法在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中得到廣泛應(yīng)用。Passaris等［10］利用有限元法研究了層狀巖體中隧道頂板的穩(wěn)定性。Tonon等［11］運(yùn)用邊界元法對(duì)彈性各向異性的隧道進(jìn)行斷面收斂影響研究。宮成兵等［12］運(yùn)用ANSYS對(duì)龍頭山單向四車道隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行二維與三維數(shù)值仿真模擬分析。王穗輝等采用優(yōu)化的B-P網(wǎng)絡(luò)算法，預(yù)測(cè)了上海地鐵2號(hào)線隧道上方的地表沉降趨勢(shì)。王彥清等［13］采用位移反演分析法對(duì)廈門翔安海底隧道變形進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

為進(jìn)一步研究臺(tái)階法及CD法施工對(duì)大斷面公路隧道圍巖受力及變形的影響，以大斷面砂巖地層公路隧道工程為依托，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，對(duì)不同施工工法條件下大斷面公路隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形特性進(jìn)行模擬與監(jiān)測(cè)分析，研究成果可為類似工程提供參考及指導(dǎo)建議。

2 工程概況

連湖隧道為大斷面公路隧道，進(jìn)、出口分別位于重慶市彭水縣三義鄉(xiāng)、重慶市彭水縣連湖鎮(zhèn)境內(nèi)，為左右行分離式雙洞特長(zhǎng)隧道。左線長(zhǎng)4 610 m，里程K41＋573～K46＋183，右線長(zhǎng) 4 603.8 m，里程YK41＋597.5～YK46＋201.3。隧道大體垂直構(gòu)造線方向布設(shè)，與巖層走向呈大角度相交，近于垂直巖層走向，隧道最大埋深約549 m。隧址區(qū)在山脊一帶植被較發(fā)育，部分為基巖裸露。隧道出口段為二疊系中統(tǒng)韓家店組砂巖，巖質(zhì)軟，抗風(fēng)化能力差，層間結(jié)合一般，薄層狀結(jié)構(gòu)為主。隧道洞身為Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖，根據(jù)不同圍巖情況選擇合適的施工工法進(jìn)行施工，有利于縮短工期及節(jié)約成本，本文對(duì)左線出口局部段落采用CD法及臺(tái)階法進(jìn)行隧道開挖模擬與監(jiān)測(cè)分析。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型構(gòu)建

基于數(shù)值模擬軟件對(duì)隧道的施工階段進(jìn)行模擬分析。巖體本構(gòu)采用摩爾－庫倫彈塑性模型，模型長(zhǎng)100 m、寬120 m，上邊界為山體自由面，側(cè)面及底部采用邊界位移自動(dòng)約束。選取混合網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帜Ｐ途W(wǎng)格，隧道圍巖、開挖錨桿支護(hù)、噴混和二次襯砌分別采用3D實(shí)體單元、植入式桁架單元和板單元進(jìn)行模擬。分析時(shí)通過“鈍化”和“激活”相應(yīng)單元來模擬隧道的開挖與支護(hù)，把隧道圍巖設(shè)置為均質(zhì)彈塑性材料，其開挖變形服從摩爾－庫倫屈服準(zhǔn)則。圍巖計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3.2 兩臺(tái)階法開挖應(yīng)力分析

選取里程樁號(hào)為L(zhǎng)ZK5＋200～LZK5＋480的施工段采用兩臺(tái)階法進(jìn)行隧道洞室開挖，建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，應(yīng)力云圖見圖1。洞室開挖完成后施作二次襯砌，其應(yīng)力最大值為3.125 MPa，說明二次支護(hù)的支撐作用加強(qiáng)了隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，抑制了圍巖變形。從云圖可以看出隧道圍巖應(yīng)力的影響范圍約為5～20 m，在1.5D（D為洞徑）范圍以內(nèi)。整個(gè)計(jì)算區(qū)域隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)均為壓應(yīng)力，并未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖1 兩臺(tái)階法隧道開挖完成后應(yīng)力云圖

3.3 兩臺(tái)階法開挖位移分析

圖2為兩臺(tái)階法開挖圍巖位移隨開挖步的變化關(guān)系圖。可以看出，豎向最大位移為192.50 mm，水平方向最大位移為168.10 mm；前7個(gè)開挖步拱頂沉降和水平收斂的形變位移發(fā)展較快，第7至10步位移量緩慢增加，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 兩臺(tái)階法開挖圍巖位移隨開挖步變化曲線

3.4 CD法開挖應(yīng)力分析

對(duì)同一里程樁號(hào)施工段采用CD法進(jìn)行隧道洞室開挖模擬，見圖3。隧道施工完成后，最大應(yīng)力值為3.006 MPa，出現(xiàn)在拱腳處。隧道施工搭設(shè)的臨時(shí)支撐移除后，圍巖應(yīng)力場(chǎng)范圍及大小僅發(fā)生微小變動(dòng)，表明CD法開挖完成后隧道圍巖的應(yīng)力基本釋放完畢，隧道圍巖逐漸達(dá)到新的平衡狀態(tài)。CD法開挖臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)能有效地控制水平方向的變形，模擬施工過程中最大應(yīng)力為4.071 MPa，發(fā)生在拱腳處，整個(gè)計(jì)算模型均處于受壓狀態(tài)。

圖3 CD法隧道開挖完成后應(yīng)力云圖

3.5 CD法開挖位移分析

采用CD法進(jìn)行隧道施工模擬的拱頂沉降和水平收斂變化見圖4?？梢钥闯龉绊斚鲁磷畲笾禐?39.07 mm，水平收斂最大位移值為109.15 mm；前11個(gè)開挖步拱頂沉降和水平收斂的形變位移發(fā)展較快，從第12至第17步位移量緩慢增加，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 CD法隧道位移隨開挖步變化曲線

3.6 不同開挖工法模擬結(jié)果對(duì)比分析

不同開挖工法模擬結(jié)果見表2。分析可知：相較于臺(tái)階法而言，采用CD法施工時(shí)隧道圍巖發(fā)生的位移較小，拱頂下沉和水平收斂的位移變形量與兩臺(tái)階法開挖發(fā)生的位移變形量相比分別減少了27.8%和34.0%。CD法對(duì)控制大斷面軟弱圍巖的變形較臺(tái)階法更好，能夠保障施工安全，但速度慢，對(duì)投資控制不利。在Ⅲ、Ⅳ級(jí)等整體穩(wěn)定性較好的隧道圍巖中，常選擇臺(tái)階法施工，而在Ⅳ、Ⅴ級(jí)等穩(wěn)定性較差的軟弱圍巖中，根據(jù)模擬結(jié)果應(yīng)選擇CD法施工。

表2 不同工法施工條件下隧道應(yīng)力和位移對(duì)比

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

選擇在典型斷面LZK5＋400處埋設(shè)測(cè)量元件，在隧道圍巖與初期支護(hù)、初期支護(hù)與二次襯砌之間分別埋設(shè)8個(gè)土壓力盒，鋼筋計(jì)焊接在內(nèi)外兩個(gè)土壓力盒之間鋼拱架的腹板上，在拱頂和拱底設(shè)置1個(gè)，拱腰設(shè)置2個(gè)，左、右邊墻各1個(gè)，仰拱兩側(cè)各1個(gè)。隧道斷面垂向和水平方向的位移變形通過事先埋設(shè)的測(cè)點(diǎn)利用高精度徠卡全站儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

4.1 圍巖位移分析

圖5為斷面拱頂下沉和水平收斂變形時(shí)程曲線圖?？梢钥闯鰢鷰r開始變形至穩(wěn)定狀態(tài)大致經(jīng)歷了急劇變形、持續(xù)增長(zhǎng)和緩慢增長(zhǎng)三個(gè)階段；拱頂沉降最終穩(wěn)定值為190.5 mm，水平收斂的最終穩(wěn)定值為207.2 mm；急劇增長(zhǎng)階段一般發(fā)生在洞室開挖的前5 d，此階段變形量占總體變形量的50%～60%，持續(xù)增長(zhǎng)階段為6～8 d，這部分變形占總變形量的30%～40%。

圖5 拱頂沉降和水平收斂時(shí)程曲線

4.2 拱架軸力分析

圖6為斷面初期支護(hù)監(jiān)測(cè)的拱架軸力隨時(shí)間變化曲線圖。由圖6可知，拱架的軸力以受壓為主，局部受拉（受壓為正，受拉為負(fù)），且其拉應(yīng)力普遍偏?。凰淼篱_挖初期拱架軸力增加較快，到第10天左右達(dá)到峰值，之后拱架受力不斷減小并在第15天后逐漸趨于穩(wěn)定；隧道拱頂處鋼架所受壓應(yīng)力最大，為32.57 kN，拱底處鋼架所受拉應(yīng)力最大，為－12.37 kN。整體來看，該斷面鋼架所受軸力量級(jí)不大，安全系數(shù)相對(duì)較高。

圖6 拱架軸力時(shí)程曲線

4.3 初支-圍巖受力監(jiān)測(cè)分析

圖7為隧道初支與圍巖壓力時(shí)程曲線圖。斷面左拱肩處的圍巖受力明顯大于其他布點(diǎn)處圍巖壓力，主要是因?yàn)樵搨?cè)巖土體較破碎，密實(shí)性差，承載能力較低，且在施工過程中該處有局部坍塌，導(dǎo)致圍巖受力較大，需加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作；圍巖與初支接觸壓力整體呈先增大后減小的規(guī)律，前12 d圍巖受力增至最大，之后由于仰拱施工增強(qiáng)了整體的支護(hù)強(qiáng)度，致使圍巖受力逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖7 圍巖與初支接觸壓力時(shí)程曲線

圖8為二襯圍巖壓力分布圖。從圖中可以看出，二襯受力分布大致呈現(xiàn)中間小、兩側(cè)大的馬鞍型，但左拱肩受力明顯較右拱肩大，這是由于隧道洞周兩側(cè)圍巖受力分布不均勻，有明顯偏壓所造成。在隧道施工過程中需要加強(qiáng)左半斷面的監(jiān)控工作。

圖8 初支與二襯接觸壓力分布（單位：kPa）

5 結(jié)論

（1）采用CD法開挖的隧道拱頂下沉和水平收斂的累計(jì)位移變形量相比兩臺(tái)階法開挖分別減少了27.8%和34.0%。在穩(wěn)定性較好的Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖中，建議采用兩臺(tái)階預(yù)留核心土法施工；在穩(wěn)定性較差的Ⅴ級(jí)圍巖段施工時(shí)，建議選擇圍巖變形量較小的CD法施工。

（2）圍巖受力急劇增長(zhǎng)階段發(fā)生在洞室開挖的前5 d，持續(xù)增長(zhǎng)階段一般在6～8 d。模擬臺(tái)階法開挖的拱頂下沉和水平收斂位移變形值相比實(shí)測(cè)值分別減少7.1%和11.8%，較符合實(shí)際；而模擬CD法施工時(shí)拱頂下沉和水平收斂位移變形值相比實(shí)測(cè)值分別減少32.9%和41.8%。因此針對(duì)本試驗(yàn)段CD法控制圍巖變形的能力較好。

（3）隧道圍巖整體受力呈先急劇增加后緩慢增加再趨于穩(wěn)定的規(guī)律，二襯受力穩(wěn)定值分布大致呈現(xiàn)中間小、兩側(cè)大的馬鞍型分布形狀，但左拱肩受力明顯較右拱肩大，故隧道施工過程中需加強(qiáng)左半斷面的監(jiān)控量測(cè)工作。