某隧洞超前導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)圍巖穩(wěn)定及襯砌安全影響分析

張小寶，王 鵬

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

近年來(lái)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，隧洞建設(shè)也逐漸向長(zhǎng)距離、大洞徑、大埋深的方向發(fā)展。隧洞開(kāi)挖常常需要穿越大面積的軟巖地區(qū)，其擾動(dòng)極易誘發(fā)軟巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害[1]。目前針對(duì)存在軟巖大變形的隧洞，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出采用超前導(dǎo)洞法進(jìn)行施工，并采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法開(kāi)展了大量研究。張梅[2]、何磊[3]、王更峰[4]、武廣建[5]等在蘭渝鐵路木寨嶺隧洞及毛羽山隧洞開(kāi)展了超前導(dǎo)洞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)三步臺(tái)階法，采用超前導(dǎo)洞法正洞擴(kuò)挖可以有效地控制大變形的發(fā)生，其中，張梅等[2]研究表明采用超前導(dǎo)洞法施工正洞圍巖的變形可減小約30%～40%。閆鑫[6]、尤顯明7]、李廷春[8]、劉和清[9]等研究了高地應(yīng)力軟巖隧洞超前應(yīng)力釋放變形控制機(jī)制。郭小雄[10]等依托蘭渝鐵路毛羽山隧洞工程，采用數(shù)值模擬分析方法，探究了不同導(dǎo)洞寬度對(duì)應(yīng)力釋放的效果，得到了最佳導(dǎo)洞寬度。余霖[11]等采用數(shù)值模擬方法研究了超前導(dǎo)洞與正洞的位置關(guān)系對(duì)圍巖變形的影響，確定了最佳超前導(dǎo)洞的位置。

從上述研究現(xiàn)狀可知，國(guó)內(nèi)外已有諸多學(xué)者開(kāi)展了高地應(yīng)力軟巖隧洞超前導(dǎo)洞法應(yīng)力釋放理論、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及導(dǎo)洞與正洞位置關(guān)系等相關(guān)研究，并取得了頗多可觀成果，可為工程設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)支撐。然而，由于工程賦存環(huán)境不同所導(dǎo)致的圍巖特征、地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律等不同，已有的研究結(jié)果在處理具體工程時(shí)僅可提供一定的參考，針對(duì)具體工程案例，仍需要結(jié)合工程資料開(kāi)展詳盡分析，進(jìn)而比選更為合理可靠的超前導(dǎo)洞開(kāi)挖與支護(hù)順序與方法。本文以某隧洞工程為研究背景，針對(duì)其出現(xiàn)的軟巖大變形問(wèn)題擬選擇超前導(dǎo)洞法開(kāi)挖工序，采用FLAC3D軟件從圍巖變形、襯砌結(jié)構(gòu)受力及塑性區(qū)分布等多角度對(duì)比分析不同擴(kuò)挖方法對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定、襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響，推薦一種相對(duì)更合理的擴(kuò)挖方案，研究結(jié)果可為類(lèi)似工程超前導(dǎo)洞法正洞擴(kuò)挖方法提供一定的借鑒。

1 工程概況

本文以某圓形隧洞為研究背景，該隧洞長(zhǎng)約5.7km，隧洞直徑18m，最大埋深約700m。隧址區(qū)構(gòu)造不發(fā)育，僅局部發(fā)育次級(jí)褶皺。根據(jù)開(kāi)挖情況，隧洞大變形段主要由片巖、綠泥云母片巖組成，巖體完整性差，圍巖穩(wěn)定性差。開(kāi)挖后拱頂變形嚴(yán)重，施作完成的初期支護(hù)出現(xiàn)破壞，致使多次拆換鋼拱架，嚴(yán)重影響施工安全和進(jìn)度。

為了控制圍巖大變形，隧洞現(xiàn)場(chǎng)采用了“原位應(yīng)力釋放導(dǎo)洞+雙層H20b型鋼”進(jìn)行支護(hù)，原位應(yīng)力釋放導(dǎo)洞采用間距為0.6m的H20b型鋼拱架，28cm厚C25噴射混凝土作為臨時(shí)支護(hù)，原位應(yīng)力釋放導(dǎo)洞預(yù)留變形20cm。釋放層施工結(jié)束后采用間距為1.5m×1.5m，長(zhǎng)4mφ50注漿小導(dǎo)管對(duì)釋放層進(jìn)行徑向注漿加固。永久支護(hù)采用間距為0.6m雙層H20b型鋼拱架支護(hù)，噴射混凝土采用56cm厚C25噴射混凝土。雙層鋼拱架施工結(jié)束后采用間距為1.5m×1.5m，長(zhǎng)4mφ50注漿小導(dǎo)管對(duì)圍巖進(jìn)行徑向注漿加固。二襯拱頂及邊墻均采用80cm厚C35鋼筋混凝土，拱底采用C20素混凝土進(jìn)行回填。永久支護(hù)第一層鋼拱架與圍巖之間預(yù)留變形為80cm，第一層鋼拱架與第二層鋼拱架之間預(yù)留變形量為40cm。

2 數(shù)值模擬及計(jì)算參數(shù)

2.1 模型建立及邊界條件

采用有限差分軟件FLAC3D建立隧洞典型斷面計(jì)算模型，其中洞徑18m，地應(yīng)力分布情況為σx=8.7MPa，σy=σz=6.7MPa，超前導(dǎo)洞開(kāi)挖半徑4m。依據(jù)圣維南原理確定影響邊界，最終建立寬120m、高120m，沿軸線方向40m的計(jì)算模型，具體如圖1所示。模型前后左右及底部均施加法向約束，上部施加豎向均布荷載以模擬隧洞上部巖體覆蓋作用，在拱頂、拱腰及底部設(shè)置節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)圍巖水平變形及縱向變形情況。

圖1 計(jì)算模型

2.2 圍巖和襯砌物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

圍巖為綠泥石片巖(Ⅴ級(jí))，屬于極軟巖，隧超前導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)采用間距為0.6m的H20b型鋼拱架，28cm厚C25噴射混凝土。隧洞主洞支護(hù)結(jié)構(gòu)為0.6m間距的雙層H20b型鋼拱架+56cm厚C25噴射混凝土+80cm厚C35鋼筋混凝土二次襯砌+拱底回填C20素混凝土，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1—2。噴射混凝土及鋼筋混凝土采用等效實(shí)體單元模擬，鋼拱架彈性模量按公式折算進(jìn)混凝土中，折算計(jì)算公式[12]為：

E=E0+SgEg/Sc

(1)

式中，E—折算之后的混凝土彈性模量,GPa;E0、Eg—原混凝土彈性模量和鋼拱架彈性模量，GPa;Sg、Sc—鋼拱架橫截面積和混凝土橫截面積,mm2。注漿小導(dǎo)管作為圍巖加固考慮，不做單獨(dú)模擬。

表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)取值

2.2 超前導(dǎo)洞開(kāi)挖順序

由于該隧洞位于極軟巖區(qū)域，圍巖自穩(wěn)能力較差。一般情況，隧洞在開(kāi)挖后巖體的自穩(wěn)時(shí)間較短，在開(kāi)挖后需要及時(shí)支護(hù)封閉，避免出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)的情況，所以選擇合適的開(kāi)挖方法具有極其重要的工程意義[13]，某工程超前導(dǎo)洞開(kāi)挖方案見(jiàn)表3。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表3 超前導(dǎo)洞4種不同開(kāi)挖方法

3 不同擴(kuò)挖方法對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響

不同正洞擴(kuò)挖方式必定會(huì)對(duì)隧洞圍巖的位移、塑性區(qū)及襯砌結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不同影響，為了最大程度的減小邊界效應(yīng)對(duì)圍巖位移、塑性區(qū)及襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，本文主要選取距離隧洞斷面20m位置處的特征點(diǎn)對(duì)圍巖位移及塑性區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析，選取沿y軸方向10～30m的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 圍巖變形分析

將4種不同擴(kuò)挖方式擴(kuò)挖完成后引起的隧洞圍巖位移的大小進(jìn)行總結(jié)，見(jiàn)表4。圖2—3分別給出了4種不同開(kāi)挖方案下特征點(diǎn)圍巖的總豎向位移和水平位移云圖。由圖2(a)(b)(c)(d)可以看出：水平位移在左拱腰和右拱腰處達(dá)到最大，由圖3(e)(f)(g)(h)可以看出：豎向位移在拱頂和拱底達(dá)到最大。由表4可以得出：采用4種不同擴(kuò)挖方法開(kāi)挖時(shí)，施工完成后，拱頂沉降較大，分別為59.83、59.41、61.44、62.54mm，由小到大排序?yàn)椋悍桨付?方案一<方案三<方案四；拱底隆起最大值分別為：33.55、33.51、34.98、35.06mm，由小到大排序?yàn)椋悍桨付?方案一<方案三<方案四；水平收斂最大值位于左拱腰處，分別為39.66、38.15、40.58、40.80mm，由小到大排序?yàn)椋悍桨付?方案一<方案三<方案四。由此可知，方案二擴(kuò)挖方法的總豎向位移及總水平位移收斂值均小于其他3種擴(kuò)挖方案，這是由于隧洞開(kāi)挖段的圍巖屬于極軟巖，采用第二種擴(kuò)挖方法相當(dāng)于減小了每次隧洞開(kāi)挖掌子面的面積，各個(gè)工作面封閉成環(huán)時(shí)間段，能夠盡早為圍巖提供支護(hù)作用。同時(shí)方案二與其他3種方案相比對(duì)圍巖的擾動(dòng)亦減小了很多，可增強(qiáng)隧洞開(kāi)挖時(shí)的圍巖穩(wěn)定，更有效地控制圍巖變形。從分析可以看出，方案二優(yōu)于其他3種正洞擴(kuò)挖方案。

表4 不同擴(kuò)挖方案隧洞圍巖特征點(diǎn)位移值/mm

圖2 不同方案下圍巖總水平位移云圖

圖3 不同方案下圍巖總豎向位移云圖

3.2 圍巖塑性區(qū)分析

圖4分別給出了4種不同擴(kuò)挖方法下特征點(diǎn)圍巖塑性區(qū)云圖。方案二的塑性區(qū)比其他3種擴(kuò)挖方案的小。此外，筆者通過(guò)采用自編的fish語(yǔ)言命令程序，對(duì)圍巖塑性區(qū)體積進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)得出4種擴(kuò)挖方案下圍巖塑性區(qū)體積分別為：1924、1806、2003、2281。從塑性區(qū)體積可以看出：方案二相對(duì)于另外3種擴(kuò)挖方案圍巖更加穩(wěn)定。因此，通過(guò)特征點(diǎn)圍巖塑性區(qū)范圍及圍巖塑性區(qū)體積二者對(duì)比分析可知：方案二相比于其他3種方案，更適合于這種大跨度軟巖隧洞的開(kāi)挖。

圖4 不同方案下圍巖塑性區(qū)云圖

3.3 二次襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

在FLAC3D中，Zone Minimun Principal Stress表示最大主應(yīng)力，Zone Maximun Principal Stress表示最小主應(yīng)力。圖5—6給出了4方案下擴(kuò)挖后襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力受力云圖。從圖中可以看出，方案一襯砌結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為18.03、0.644MPa；方案二襯砌結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為16.59、0.345MPa；方案三襯砌結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為22.90、1.099MPa；方案四襯砌結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為27.16、1.972MPa。與方案四全斷面擴(kuò)挖相比，其余3種擴(kuò)挖方案襯砌結(jié)構(gòu)的受力均有所減小。這表明，分步開(kāi)挖對(duì)改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力有一定的效果，其中方案二襯砌結(jié)構(gòu)受力最小，且襯砌結(jié)構(gòu)受力更均勻，故而采用方案二進(jìn)行開(kāi)挖更優(yōu)。

圖5 不同方案下襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

圖6 不同方案下襯砌結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

綜合以上分析，運(yùn)用FLAC3D對(duì)此隧洞在不同擴(kuò)挖方法下進(jìn)行數(shù)值模擬，綜合比較每種擴(kuò)挖方案圍巖變形、圍巖塑性區(qū)及襯砌結(jié)構(gòu)受力指標(biāo)，從而確定方案二為超前導(dǎo)洞法擴(kuò)挖的最佳方案，采用方案二對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生的影響最小，能保障施工安全。

4 結(jié)論

本文采用FLAC3D有限元軟件較好的模擬了隧洞超前導(dǎo)洞開(kāi)挖及支護(hù)全過(guò)程，分別對(duì)4種擴(kuò)挖方案進(jìn)行了分析計(jì)算，得到了4種擴(kuò)挖方案下的圍巖總豎向位移與總水平位移、圍巖塑性區(qū)及襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的分布規(guī)律。具體結(jié)果如下：

(1)從圍巖變形角度分析，與其他3種開(kāi)挖方式比較，方案二開(kāi)挖后形成的水平位移、豎直位移均較小，說(shuō)明方案二開(kāi)挖方式可有效控制圍巖變形。

(2)從圍巖塑性區(qū)角度分析，方案二開(kāi)挖后發(fā)育形成的的塑性區(qū)范圍與塑性區(qū)體積均小于其他3種開(kāi)挖方式，說(shuō)明方案二開(kāi)挖可有效減小圍巖擾動(dòng)。

(3)在相同支護(hù)參數(shù)下，方案二開(kāi)挖方式的二次襯砌結(jié)構(gòu)較其他3種開(kāi)挖方式更不易破壞，可獲得較穩(wěn)定的隧道整體結(jié)構(gòu)。

(4)方案二開(kāi)挖完成后，洞周位移、圍巖塑性區(qū)范圍以及襯砌結(jié)構(gòu)受力均較小，且具有一定的安全裕度，能夠滿足隧洞圍巖整體穩(wěn)定要求。