大斷面隧道分部開挖位移釋放規(guī)律數(shù)值模擬研究

唐勇三

(平潭綜合實驗區(qū)交通投資集團有限公司， 福建 福州 350400)

隧道開挖必然引起周邊圍巖的位移釋放與應力重分布，分部開挖與支護使上述釋放與重分布過程受多掌子面時空效應的影響更復雜。周邊圍巖的位移量測數(shù)據(jù)相對容易獲取，因而關于位移釋放規(guī)律與支護時機的選擇一直是關注重點。位移釋放率為掌子面后方某點圍巖發(fā)生的變形值與該點最終變形值之比，是選擇合理支護時機的重要評判標準。許多學者通過數(shù)值模擬、理論分析等對山嶺隧道開挖后位移釋放規(guī)律展開了研究，如Huang Feng等基于軟巖損傷本構模型，采用Abaqus對隧道開挖后圍巖位移釋放率和圍巖損傷區(qū)進行研究，得到了其空間分布規(guī)律；郭瑞等通過數(shù)值模擬，得到采用開挖體積損失率來描述洞周位移釋放更全面；劉乃飛等通過數(shù)值模擬，對位移釋放系數(shù)隨多掌子面推進的影響關系展開了研究；張妍珺等采用有限差分軟件FLAC3D，基于位移釋放系數(shù)法，提出了隧洞縱向變形曲線的修正公式；蘇永華等對靜水應力場中圓形隧道展開正交設計的數(shù)值模擬試驗，建立了開挖面位移釋放系數(shù)擬合公式；周碩安通過數(shù)值模擬，分析了巖體的物理力學參數(shù)及隧道埋深比對圍巖位移釋放系數(shù)的影響；Zhao Dongping等基于廣義開爾文本構模型，推導了考慮時間變量的軟巖隧道襯砌位移釋放表達式；Wang Jian基于Lee、Hoek及VD公式的典型LDP方程，對硬巖隧道實測位移數(shù)據(jù)進行擬合對比，認為Hoek公式適用于硬巖隧道的位移釋放分析；張建智等基于位移系數(shù)法，利用彈性-黏彈性對應原理與非關聯(lián)流動法則，建立了無支護隧道變形的解析解；張常光等對代表性深埋巖質圓形隧道位移釋放系數(shù)公式進行總結和分類，認為以圍巖塑性區(qū)最大半徑為基礎的位移釋放系數(shù)對彈性圍巖和各種彈塑性圍巖均適用；左清軍等基于變形監(jiān)測資料，分析了不同圍巖級別下隧道圍巖徑向位移釋放率隨時間和掌子面距離的變化規(guī)律；吳順川等基于廣義Hoek-Brown準則，提出了能量化不同圍巖應力水平下開挖面空間效應差異的縱向變形曲線函數(shù)表達式；張常光等比較了支護力系數(shù)法和位移釋放系數(shù)法的適用范圍、空間效應實現(xiàn)及收斂約束差異，認為位移釋放系數(shù)法適用于各種彈塑性圍巖。目前對隧道縱向變形曲線與位移釋放公式擬合的研究較多，而對不同開挖工況下特大斷面隧道位移釋放演化規(guī)律的對比研究較少。該文以福建平潭綜合實驗區(qū)龍興嶺隧道為工程背景，在FLAC3D數(shù)值平臺上采用全斷面法、上下臺階法及單側壁導坑法對特大斷面隧道的開挖過程展開精細化數(shù)值模擬，研究隧道在不同開挖工法下的位移釋放演變規(guī)律。

1 工程概況

龍興嶺隧道屬福建省平潭綜合實驗區(qū)新建麒麟大道的一部分，為市政一級公路隧道。隧道總長約500 m，由2個機動車主洞、2個非機動車人行輔洞和1個電力隧道構成。主洞采用曲墻三心圓內(nèi)輪廓，凈空尺寸為14.2 m×9.46 m(寬×高)；輔洞采用曲墻單心圓內(nèi)輪廓，凈空尺寸為7.69 m×6.4 m(寬×高)。隧道主要穿越中～強風化凝灰熔巖地層，上覆砂土狀全風化凝灰熔巖地層及坡積粉質黏土地層，厚度6～10 m。

主洞Ⅲ級圍巖區(qū)段采用全斷面法開挖，Ⅳ級圍巖區(qū)段采用上下臺階法開挖，Ⅴ級圍巖區(qū)段采用單側壁導坑法開挖。計入支護厚度及預留變形量后，實際開挖尺寸分別為14.3 m×10.1 m(Ⅲ級)、14.6 m×10.5 m(Ⅳ級)、15.0 m×10.9 m(Ⅴ級)。

2 數(shù)值模型建立

以K0+925—975(Ⅲ級)、K0+865—915(Ⅳ級)、K0+730—780(Ⅴ級)段為例，采用FLAC3D對隧道開挖與支護全過程展開三維數(shù)值模擬。

2.1 單側壁導坑開挖法

單側壁導坑法開挖工序見圖1，共分為4步開挖：在Ⅰ區(qū)域開挖完成后，施作初期支護1與臨時支撐2、3；Ⅱ區(qū)域開挖完成后，施作臨時支撐4與初期支護5；Ⅲ區(qū)域開挖完成后，施作初期支護6與臨時支撐7；Ⅳ區(qū)域開挖完成后，施作初期支護8。初期支護采用I20a鋼架@50 cm、28 cm厚C25噴砼，同時呈梅花形布置3.5 m長中空注漿錨桿加固拱頂120°范圍內(nèi)圍巖。

圖1 單側壁導坑法開挖工序及監(jiān)測點

各區(qū)域開挖進尺為3 m，各掌子面施作間隔假定為2個進尺。布設沉降監(jiān)測點(見圖1)，其中測點A位于隧道拱頂，測點B位于隧道拱肩(亦可理解為先導坑頂部)。

在FLAC3D數(shù)值平臺上建立大斷面隧道單側壁導坑法開挖數(shù)值模型(見圖2)，模型整體尺寸為120 m×83 m×50 m(寬度×高度×進深)。圍巖采用六節(jié)點實體單元模擬，共計295 650個實體單元。模型頂面為地表面，取自由邊界；側面為法向位移約束邊界；底面為全約束邊界。

圖2 隧道單側壁導坑法開挖數(shù)值模型

Ⅴ級圍巖采用摩爾-庫倫本構模型，本構參數(shù)的取值見表1。另外，提高20%錨桿加固區(qū)黏聚力、內(nèi)摩擦角，以模擬錨桿加固作用，錨桿加固區(qū)厚度t同錨桿長度。隧道初期支護中的鋼拱架與噴射砼采用三節(jié)點Liner單元模擬，Liner單元厚度t同鋼撐高度，并通過抗彎剛度等效原則計算其彈性模量。

表1 Ⅴ級圍巖與初期支護的物性參數(shù)

2.2 上下臺階開挖法

Ⅳ級圍巖區(qū)域隧道的上下臺階法開挖工序(見圖3)如下：上臺階Ⅰ區(qū)域開挖完成后，施作初期支護1；下臺階Ⅱ區(qū)域開挖完成后，施作初期支護2。初期支護為I18鋼架@100 cm、26 cm厚C25噴砼，同時呈梅花形布置3.0 m長中空注漿錨桿以加固拱頂120°范圍內(nèi)圍巖。各區(qū)域開挖進尺、施作間隔、監(jiān)測點布置與前述相同。

圖3 上下臺階法開挖工序及監(jiān)測點

在FLAC3D數(shù)值平臺上建立大斷面隧道上下臺階法開挖數(shù)值模型，模型整體尺寸、圍巖本構均與前述相同，參數(shù)取值見表2。

表2 Ⅳ級圍巖與初期支護的物性參數(shù)

2.3 全斷面開挖法

Ⅲ級圍巖區(qū)域隧道采用全斷面開挖，其循環(huán)進尺與監(jiān)測點布置與上下臺階法相同。初期支護為I14鋼架@120 cm、20 cm厚C25噴砼，同時呈梅花形布置3.0 m長中空注漿錨桿以加固拱頂120°范圍內(nèi)圍巖。在FLAC3D數(shù)值平臺上建立大斷面隧道全斷面開挖數(shù)值模型，模型整體尺寸、圍巖本構與上下臺階法相同，參數(shù)取值見表3。

表3 Ⅲ級圍巖與初期支護的物性參數(shù)

3 不同開挖方法下位移釋放率對比

以各數(shù)值模型的縱向中心里程(即K0+950、K0+890、K0+755)為目標斷面，研究全斷面法、上下臺階法、單側壁導坑法開挖方式對特大斷面隧道位移釋放演化規(guī)律的影響。

3.1 隧道拱頂位移釋放率

根據(jù)數(shù)值模擬結構，全斷面法、上下臺階法、單側壁導坑法開挖與支護全部完成后，隧道拱頂(A點)最終沉降位移分別為17.6、21.8、18.6 mm。以上述最終沉降位移為基準，繪制目標斷面上拱頂測點的位移釋放率，其隨與開挖面間距的變化見圖4。

圖4 不同開挖方法下隧道拱頂位移釋放率

由圖4可知：1) 對于全斷面開挖法(Ⅲ級圍巖)，開挖面距目標斷面-6～6 m(約0.5倍洞徑)時，隧道拱頂處位移釋放較顯著。開挖至距目標斷面-6、0、6 m時，其位移釋放率分別為0.18、0.52、0.80。2) 對于上下臺階開挖法(Ⅳ級圍巖)，拱頂處位移釋放規(guī)律與全斷面開挖法相近。需注意的是，由于下臺階滯后上臺階2個進尺，隧道拱頂位移受下臺階開挖區(qū)域約束，目標斷面上拱頂位移釋放均小于全斷面開挖法。上臺階開挖至距目標斷面-6、0、6 m時，其位移釋放率分別為0.12、0.40、0.65。3) 對于單側壁導坑開挖法(Ⅴ級圍巖)，拱頂測點位于第Ⅲ開挖區(qū)域，左側第Ⅰ、Ⅱ區(qū)域分別超前4、2個進尺，目標斷面上拱頂位移釋放均大于全斷面開挖法。整體上看，開挖面距目標斷面-15～10 m(-1.5～1.0倍洞徑)時，拱頂處位移釋放率大致呈線性增長；開挖至距目標斷面-15、0、10 m時，位移釋放率分別為0.15、0.65、0.90。

3.2 隧道拱肩位移釋放率

根據(jù)數(shù)值模擬結構，全斷面法、上下臺階法、單側壁導坑法開挖與支護全部完成后，隧道拱肩(B點)最終沉降位移分別為16.5、21.0、15.8 mm。以上述最終沉降位移為基準，繪制目標斷面上拱肩測點的位移釋放率，其隨與開挖面間距的變化見圖5。

由圖5可知：1) 對于全斷面和上下臺階開挖法，拱肩測點與拱頂測點位于相同開挖區(qū)域，故其位移釋放規(guī)律與拱頂位移釋放規(guī)律相同。2) 對于單側壁導坑開挖法，拱肩測點位于第Ⅰ開挖區(qū)域，下側/右側的第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域分別滯后2、4、6個進尺，目標斷面上拱肩位移釋放均小于另外2種開挖方法。整體上看，開挖面距目標斷面-5～20 m(-0.5～2.0倍洞徑)時，拱肩處位移釋放率大致呈線性增長；開挖至距目標斷面-5、0、20 m時，位移釋放率分別為0.07、0.30、0.89。

圖5 不同開挖方法下隧道拱肩位移釋放率

4 位移欠釋放與過釋放

對于全斷面開挖法，各測點位移釋放率都相同；對于多分部開挖法，測點所屬開挖分部不同，其位移釋放規(guī)律的差異十分顯著。單側壁導坑法與全斷面開挖法下拱頂、拱肩處位移釋放率隨開挖面間距的變化見圖6。

圖6 單側壁導坑法和全斷面開挖法下位移釋放率對比

由圖6可知：對于單側壁導坑開挖法，隧道拱肩測點位于第Ⅰ開挖區(qū)域，相較于位于第Ⅲ開挖區(qū)域的拱頂測點超前開挖4個進尺，其位移受未開挖區(qū)域約束而滯后釋放，開挖至目標斷面時，其位移釋放率相較于全斷面法減小31%，定義該現(xiàn)象為位移“欠釋放”；而拱頂測點的位移超前4個進尺釋放，開挖至目標斷面時，其位移釋放率相較于全斷面法提高27%，定義該現(xiàn)象為位移“過釋放”。

對比不同測點的位移釋放規(guī)律，在分部開挖過程中，監(jiān)測點的位移釋放規(guī)律與其所在位置及開挖順序密切相關。通過模擬得到各測點位移釋放率隨開挖步的變化規(guī)律，可為龍興嶺隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)的反演分析提供基礎依據(jù)，并用于輔助判定合理開挖進尺與支護時機，進一步結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)評估圍巖與支護結構的穩(wěn)定性。

5 結論

以平潭綜合實驗區(qū)龍興嶺隧道為工程背景，在FLAC3D數(shù)值平臺上采用全斷面法、上下臺階法及單側壁導坑法對大斷面隧道開挖全過程展開精細化數(shù)值模擬，重點關注隧道拱頂與拱肩的位移釋放規(guī)律。結論如下：同一測點位移釋放率在不同工況下的演化規(guī)律特異性顯著，分部開挖工況下開挖區(qū)域的位移釋放受未開挖區(qū)域約束；針對多分部開挖工況下不同分部位移釋放相互受限的現(xiàn)象，以全斷面開挖法的位移釋放率為基準，定義位移滯后釋放為“欠釋放”、超前釋放為“過釋放”；位移釋放演化規(guī)律與監(jiān)測點所在位置及開挖順序密切相關。