淺埋松散堆積體下偏壓隧道CD法開挖數(shù)值模擬分析

馬煒 徐現(xiàn)啟 劉文杰 鄧才兵

摘要：淺埋松散堆積體下偏壓隧道圍巖具有松散、含水量高、無自穩(wěn)能力、頂部覆蓋層較淺的特點，所以保證施工過程中隧道支護結構及地表變形的穩(wěn)定性具有重要意義。本文以宜昭高速公路B4段隧道為工程實例，通過采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件精細仿真了富水薄層松散堆積體下偏壓隧道CD法進洞的施工過程，評價“管棚+雙層超前小導管+CD法”的進洞適應性，研究富水松散堆積體淺埋偏壓隧道支護結構受力、變形特征及地表沉降、收斂變形規(guī)律，以便指導現(xiàn)場施工。

關鍵詞：松散堆積體;偏壓隧道;CD法;數(shù)值模擬

NumericalsimulationofCDmethodexcavationofbiaspressuretunnelundershallowburiedandloosedepositsMAWei1，XUXian-qi1，LIUWen-jie2，DENGCai-bing1

（1.SINOHYDROBUREAU14CO.，LTD.，Kunming650041，China;2.SchoolofCivilEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300354，China）

Abstract：Thesurroundingrockofbiastunnelundershallowburiedandloosedepositshasthecharacteristicsofloose，highwatercontent，noself-stabilizingability，andshallowoverburdenatthetop.Soitisofgreatsignificancetoensurethestabilityoftunnelsupportstructureandsurfacedeformationduringconstruction.Inthispaper，takingtheB4sectiontunnelofYizhaoExpresswayasanengineeringexample，theconstructionprocessofthebiastunnelwithCDmethodundertheloosedepositswiththinandwater-richlayerwasfinelysimulatedbyusingtheABAQUS，whichisafiniteelementnumericalsimulationsoftware，andtheadaptabilityofthetunnelwith"pipeshack+double-layeradvancesmallconduit+CDmethod"wasevaluated.Thestressanddeformationcharacteristicsofthesupportstructureofshallowburiedbiastunnelwithwater-richandloosedeposits，aswellastherulesofsurfacesettlementandconvergencedeformationarestudied，soastoguidethesiteconstruction.

Keywords：loosedeposits;biastunnel;CDmethod;thenumericalsimulation

1工程背景

擬建細沙隧道位于云南省昭通市境內，進洞口位于鎮(zhèn)雄縣杉樹鄉(xiāng)細沙村、出洞口位于彝良縣龍海鄉(xiāng)鎮(zhèn)河村。擬建的隧道右洞起訖樁號LK1+702～LK4+044，長度2342m，總體大致走向353°，最大埋深約335m;隧道左洞起訖樁號為LZK1+714～LZK4+042，長度2328m，總體大致走向353°，最大埋深約330m。根據(jù)現(xiàn)場調查：隧道進洞段斜坡坡體主要為松散碎石土，滲透系數(shù)較大，且斜坡土巖界面較陡，道角河河流對斜坡坡腳的沖蝕作用將大大降低斜坡整體穩(wěn)定性。同時，道角河在該段洪水水位較隧道設計高程略高，且碎石土透水性較好，易發(fā)生隧道涌水及坍塌等現(xiàn)象，其對隧道影響較大。隧道洞口段圍巖除松散碎石土與稍密碎石土層外還包括強～中風化玄武巖、中風化泥質砂巖及斷層破碎帶，整體處于Ⅴ級圍巖狀態(tài)。

2三維有限元模型

2.1數(shù)值模擬參數(shù)的確定

有限元數(shù)值模擬分析中，隧道圍巖采用Mohr-Coulomb本構進行模擬，噴射混凝土、二次混凝土襯砌及鋼支撐采用線彈性本構模擬。模型參數(shù)的確定結合現(xiàn)場地質勘察報告及《公路隧道設計細則》（JTG/TD70-2010）推薦數(shù)值確定。其中噴射混凝土采用C25混凝土，二次襯砌采用C30混凝土。具體參數(shù)如下表：

2.2建立模型

為研究隧道CD法進洞施工過程中地表沉降和圍巖及襯砌受力的變化規(guī)律，選取左線樁號為LK1702～LK1789穿越富水松散堆積體的區(qū)間段作為研究對象，依據(jù)工程資料建立雙線隧道CD法施工三維有限元模型，見圖1。數(shù)值模擬計算中，初期噴射混凝土、二次混凝土襯砌、碎石土、管棚注漿區(qū)等均采用三維實體單元，并賦予不同的材料參數(shù)，其中前兩項采用重單元的方法進行模擬，管棚注漿區(qū)通過采用不同的場變量由原本碎石土的材料參數(shù)變更為灌漿加固后的參數(shù)。鋼拱架、中隔壁均采用梁單元模擬;地基域X向（橫向）、Y向（豎直向）均以隧洞中心點為起點分別向左、向右、向下延伸3倍洞徑，隧道開挖方向長度為40m，模型橫向長度為107m，豎向長度為42m。模型網(wǎng)格剖分主要采用掃略與映射相結合的方法，剖分后的網(wǎng)格主要以規(guī)則六面體單元為主，減少計算中力傳遞產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象。整個模型共劃分單元519920個（包括開挖體、噴混、襯砌等重單元），

單元節(jié)點462429個。模型圍巖四周邊界施加水平向約束;模型底部施加全約束;上部表面為自由表面。

計算分析過程中嚴格按照現(xiàn)場實際開挖順序與支護順序（見圖2），即每側按三部分臺階開挖，開挖同時施作初期支護、中隔壁，兩側先后距離相隔10m，每層臺階長度保持在2m，左右線開挖距離最少保持在20m，充分還原實際施工工序，有限元模型示意圖如圖3所示。

在圍巖條件不變的情況下，建立開挖循環(huán)進尺為0.5m的有限元模型，按現(xiàn)場實際開挖工序設置分析步，只考慮承受重力荷載，不考慮水壓力及溫度變化，分析地表沉降、支護結構變形及受力的變化規(guī)律。為了研究CD法施工對偏壓隧道地表變形及支護結構變形與受力的影響，選取左線單線開挖10m與左線開挖完成35m基礎上右線開挖2m作為特征時刻，并將左右隧道軸線正上方與進洞截面的交點分別設為典型節(jié)點A和B，對地表豎向位移分布云圖及典型節(jié)點的位移歷時變化規(guī)律進行分析。

3.1地表沉降

圖4、圖5分別為左線與右線的地表沉降云圖，其中位移云圖單位為m，y軸以地表垂直向上為正，因此負值即表示地表沉降值。根據(jù)分布云圖可知，靠近開挖洞口周圍地表沉降整體呈漏斗狀分布，地表沉降較大值主要分布在隧道洞口頂部區(qū)域。由左線地表豎向位移云圖可以看出距離開挖斷面較遠處出現(xiàn)波紋狀局部隆起，主要是由于左線埋深較淺、上部碎石土松散度高且開挖前采取了管棚等加固措施所導致。從右線地表豎向位移云圖可以看出右線拱頂沉降遠大于左線，相差3.76cm，主要是由于頂部偏壓所導致。

圖6所示為地表典型節(jié)點豎向沉降歷時曲線，施工開始階段，各典型點的豎向位移較小，且均為正值（其中負值表示沉降，正值表示回彈），表明地表上的各典型節(jié)點位置均發(fā)生了回彈，此時所對應的施工步為變換場變量模擬超前灌漿的過程。隧道開挖過程中，地表典型節(jié)點B的變形表現(xiàn)為持續(xù)沉降，這是由于右線開挖初期的瞬間卸荷對土體產(chǎn)生了擾動，開挖完成時右線典型節(jié)點B的沉降值為39.5mm，而由于左線埋深較淺，在開挖右側先行導坑Ⅳ之前節(jié)點A均處于回彈階段，開挖完成是節(jié)點A的沉降值為2mm。分析結果表明，隧道開挖過程中會對地表變形產(chǎn)生影響，而隧洞埋深的影響十分顯著，地表沉降較大值主要分布再隧洞頂部區(qū)域。

圖7、圖8分別為左線與右線施工期噴混豎向位移分布云圖，從圖中可以看出噴混在圍巖壓力作用下拱頂產(chǎn)生沉降，拱底產(chǎn)生局部隆起，由于隧道頂部為松散堆積體薄層且左線埋深較淺（有限元模型左線最大埋深為3m），因此左線噴混拱頂沉降只有4.87mm。而右線噴混拱頂豎向位移明顯大于左側，且由于右線洞口段屬于偏壓，拱頂右側（埋深較大一側）豎向位移明顯大于左側位移，導致左部與右部產(chǎn)生變形差。

圖9、圖10分別為左線與右線施工期噴混最大主應力分布云圖，由云圖可知施工期噴混拉應力大多分布在噴混拱底位置，主要是由于圍巖壓力的作用，表面徑向收斂變形較大所致，最大拉應力出現(xiàn)在左側拱底位置，左線施工期噴射混凝土拉應力最大值為0.94MPa，右線拉應力最大值為1.04MPa，主要是由于頂部偏壓所導致。

（1）靠近開挖洞口地表沉降整體呈漏斗狀分布，地表沉降較大值主要分布在隧道洞口頂部區(qū)域，距離隧道軸線越遠施工擾動影響越小，沉降值越小。

（2）隧道不同埋深下的地表變形規(guī)律存在明顯差異，由于左右線埋深相差較大，因此左右線地表沉降值也相差較大，因此建議在現(xiàn)場實際施工中優(yōu)先考慮埋深較大線路的地表沉降值能否滿足規(guī)范要求。

（3）支護結構變形受隧道埋深影響較大，埋深與拱頂沉降呈線性關系，且洞頂偏壓會導致支護結構產(chǎn)生變形差。

（4）施工期由于圍巖壓力的作用，初期支護出現(xiàn)拉應力，最大拉應力

出現(xiàn)在拱底左側位置。

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基金項目：重慶市科學基金重點項目（035679）;2002年高等學校博士學科點專項科研項目（20020183061）。

作者簡介：馬煒（1985–），男，副高級工程師，研究方向為道路橋梁施工。