基于環(huán)形開挖留核心土法的公路隧道圍巖應(yīng)力分析*

劉玉飛 劉海明 郭偉

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

隨著中國公路隧道建設(shè)不斷擴(kuò)張，對(duì)于環(huán)形開挖留核心土法開挖方式下隧道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律的理論也在不斷發(fā)展。陸文超等[1]通過算例給出了圍巖應(yīng)力分布和沉降曲線；林樂彬等[2-5]通過計(jì)算機(jī)軟件研究了隧道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律；沈習(xí)文等[6]對(duì)隧道凈距、進(jìn)口斜坡坡度、埋深對(duì)圍巖應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析；許光磊[7]研究了軟弱圍巖隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)；黃強(qiáng)[8]分析了某小凈距隧道施工過程中圍巖應(yīng)力的變化情況；曹凈等[9]對(duì)地面非對(duì)稱填載作用下既有明挖隧道圍巖的破壞模式與圍巖壓力計(jì)算進(jìn)行了研究；劉敬亮等[10]對(duì)比分析了CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法的優(yōu)缺點(diǎn)。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上分析公路隧道開挖的圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，根據(jù)模擬結(jié)果選取環(huán)形開挖留核心土法中對(duì)開挖圍巖穩(wěn)定性影響相對(duì)較小且經(jīng)濟(jì)性更好的開挖方式，對(duì)隧道工程施工具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算工況及參數(shù)的選取

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖進(jìn)尺為0.6 m，臺(tái)階長度為8 m，開挖示意圖如圖1所示。因隧道左右線對(duì)稱分布并同步開挖，選取阿嘎下左線隧道進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。圖2為圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖。根據(jù)阿嘎下隧道的工程概況，模擬隧道K19+160～K19+300段，通過MIDAS GTS NX建立三維模型，模型圍巖等級(jí)為V級(jí)強(qiáng)風(fēng)化糜棱巖，針對(duì)裂隙水發(fā)育及巖體破碎V級(jí)圍巖，采用環(huán)形開挖留核心土法對(duì)阿嘎下隧道進(jìn)行模擬開挖。

圖1 環(huán)形開挖留核心土法開挖示意

圖2 圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意

模型計(jì)算區(qū)域：隧道平均埋深取35 m，地下水位線高度取95～105 m，為了消除邊界條件的影響，從隧道開挖區(qū)域向兩側(cè)各取略大于5倍的洞徑，向下取略大于5倍的洞高，向上至地表，模型尺寸橫向長240 m，豎向高116～126 m，縱向沿隧道軸線方向長140 m，環(huán)形開挖劃分為359 534個(gè)單元和242 059個(gè)節(jié)點(diǎn)，在提取模型數(shù)據(jù)時(shí)，為了消除隧道軸線方向邊界影響，提取模型軸向區(qū)間80～100 m段(即模型中心區(qū)間20 m)結(jié)果作為研究依據(jù)，計(jì)算模型如圖3所示，圍巖及隧道襯砌的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。建模3D，重力方向?yàn)閦方向，重力加速度9.8 m/s2，水的容重選取9.8 kN/m3。邊界約束：為避免模型形成臨空面，導(dǎo)致模型無法分析計(jì)算，模型左右側(cè)x方向水平約束，前側(cè)與后側(cè)y方向水平約束，底部z方向豎直約束。

圖3 隧道模型網(wǎng)格

表1 阿嘎下隧道物理參數(shù)

2 隧道圍巖應(yīng)力模擬結(jié)果分析

根據(jù)圖2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，阿嘎下隧道采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，隧道間距分別為1、2、3、4、5d(d為隧道凈寬)時(shí)，隧道不同注漿圈左線與右線同步開挖圍巖應(yīng)力云圖及應(yīng)力變化曲線見圖4—圖13，注漿圈分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5d(d為隧道凈寬)時(shí)，隧道不同開挖間距左線與右線同步開挖應(yīng)力變化曲線見圖14—圖18。

圖4 核心土1 d間距0.3 d注漿圈應(yīng)力圖

圖5 核心土1 d隧道間距應(yīng)力圖

圖6 核心土2 d間距0.3 d注漿圈應(yīng)力圖

圖7 核心土2 d隧道間距應(yīng)力圖

圖8 核心土3 d間距0.3 d注漿圈應(yīng)力圖

圖9 核心土3 d隧道間距應(yīng)力圖

圖10 核心土4 d間距0.3 d注漿圈應(yīng)力圖

圖11 核心土4 d隧道間距應(yīng)力圖

圖12 核心土5 d間距0.3 d注漿圈應(yīng)力圖

圖13 核心土5 d隧道間距應(yīng)力圖

圖14 核心土0.1 d注漿圈應(yīng)力圖

圖15 核心土0.2 d注漿圈應(yīng)力圖

圖16 核心土0.3 d注漿圈應(yīng)力圖

圖17 核心土0.4 d注漿圈應(yīng)力圖

圖18 核心土0.5 d注漿圈應(yīng)力圖

以1d至5d(d為隧道凈寬)間距0.3d注漿圈為研究對(duì)象，從5幅0.3d注漿圈應(yīng)力云圖中可以看出，隧道開挖完成后，由于開挖圍巖造成圍巖應(yīng)力重新分布，左右線隧道開挖部分應(yīng)力變化明顯，離開挖區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)力云圖隨著深度呈線性分布[11-14]，具體變化規(guī)律如下：

核心土法拱頂應(yīng)力最小，在隧道間距為1d至4d并隨著注漿圈從0.1d增加到0.4d時(shí)，拱頂應(yīng)力減小，減小的趨勢(shì)并不明顯。隧道間距為5d時(shí)，拱頂應(yīng)力隨著注漿圈的增加而增大。

核心土法在1d至5d隧道間距，左拱肩與右拱肩應(yīng)力曲線基本重合，應(yīng)力相差不大，隨著注漿圈從0.1d增加到0.5d時(shí)，左拱肩與右拱肩應(yīng)力隨著注漿圈的增加反而減小。

核心土法在1d至4d隧道間距，隨著注漿圈的增加左拱腰應(yīng)力小于右拱腰應(yīng)力。在5d隧道間距時(shí)，應(yīng)力曲線基本重合，應(yīng)力相差不大。

核心土法左拱墻與右拱墻應(yīng)力較其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大，隧道間距從1d增加至2d時(shí)，應(yīng)力曲線基本重合。隧道間距2d增加至5d時(shí)，左拱墻應(yīng)力明顯大于右拱墻應(yīng)力，注漿圈從0.2d增加至0.5d時(shí)，應(yīng)力逐漸減小。

核心土法對(duì)于左拱腳與右拱腳應(yīng)力，隧道間距在1d且注漿間距從0.1d增加至0.2d時(shí)，左拱腳應(yīng)力大于右拱腳應(yīng)力，從0.2d增加至0.5d，左拱腳應(yīng)力小于右拱腳應(yīng)力。隧道間距在2d增至3d且注漿間距從0.1d增加至0.2d時(shí)，左拱腳的應(yīng)力大于右拱腳應(yīng)力，從0.2d增加至0.5d，應(yīng)力曲線基本重合，應(yīng)力相差不大。隧道間距從3d增至5d時(shí)，左拱腳應(yīng)力大于右拱腳應(yīng)力，注漿圈從0.2d增加至0.5d時(shí)，拱腳應(yīng)力逐漸減小。

由圖14—圖18可知，環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土開挖，注漿圈固定時(shí)，應(yīng)力變化規(guī)律如下：

核心土開挖拱頂應(yīng)力隨著注漿圈從0.1d增至0.5d(d為隧道凈寬)且開挖間距從1d增加到5d時(shí)，應(yīng)力隨著開挖間距的增加而減小。

核心土開挖左拱肩和右拱肩應(yīng)力隨著注漿圈從0.1d增至0.5d且隧道間距在1d至5d時(shí)，應(yīng)力曲線基本重合，應(yīng)力相差不大，應(yīng)力隨著隧道開挖間距的增大而減小。

核心土開挖左拱腰和右拱腰的圍巖應(yīng)力在隧道間距為1d至4d時(shí)，右拱腰應(yīng)力比左拱腰應(yīng)力大，在5d隧道間距時(shí)，應(yīng)力接近，總體上呈現(xiàn)隨著開挖間距的增加應(yīng)力減小。

核心土開挖左拱墻與右拱墻應(yīng)力在注漿圈0.1d至0.5d變化且隧道間距1d增至2d時(shí)，應(yīng)力曲線接近，相差不大，2d至5d隧道間距時(shí)，左拱墻應(yīng)力明顯大于右拱墻，總體呈現(xiàn)隨著開挖間距增加應(yīng)力減小，并且在整個(gè)開挖斷面模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)中應(yīng)力最大，因此，在監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)著重考慮拱墻應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

核心土開挖左拱腳與右拱腳應(yīng)力在0.1d注漿圈時(shí)，左拱腳的應(yīng)力大于右拱腳的應(yīng)力，且應(yīng)力隨開挖間距的增大而減小；在0.2d至0.5d注漿圈且開挖間距從1d增至3d時(shí)，曲線很接近，相差不大，從開挖間距3d增至5d時(shí)，左拱腳的應(yīng)力大于右拱腳的應(yīng)力，同時(shí)呈現(xiàn)隨著開挖間距的增加應(yīng)力減小。

為了進(jìn)一步研究核心土開挖合適的注漿圈厚度，從最優(yōu)開挖間距3～4d中選取3d為隧道間距對(duì)不同注漿圈各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要統(tǒng)計(jì)各不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)如拱頂、左拱肩、右拱腰、左拱腳、左拱墻的最大應(yīng)力值，結(jié)果如表2所示。

表2 核心土法3 d隧道間距不同注漿圈圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力統(tǒng)計(jì) kPa

3 結(jié)論

本文通過隧道工程理論和有限元軟件對(duì)公路隧道采用環(huán)形開挖留核心土法開挖時(shí)圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)綜合考慮環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土隧道開挖方式下，為減小圍巖應(yīng)力和使隧道施工更便捷，建議隧道施工開挖間距為3～4d(d為隧道凈寬)。

(2)該開挖法拱頂0.5d注漿圈時(shí)圍巖最小應(yīng)力為37.24 kPa，左拱墻0.5d注漿圈時(shí)最大應(yīng)力為1 882.66 kPa，因此需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)左拱墻以避免應(yīng)力集中導(dǎo)致圍巖破壞。

(3)以左拱墻0.1d注漿圈應(yīng)力為基礎(chǔ)，0.2d注漿圈時(shí)應(yīng)力增加0.48%，0.3d注漿圈時(shí)應(yīng)力增加0.52%，0.4d注漿圈時(shí)應(yīng)力增加1.5%，0.5d注漿圈時(shí)應(yīng)力增加2.4%。

(4)僅考慮右拱墻圍巖應(yīng)力最小時(shí)，建議注漿圈為0.1d，但是綜合考慮后建議采用0.3d厚度的注漿圈，因?yàn)?.3d注漿圈最大圍巖應(yīng)力只增加0.52%，影響較小。