復(fù)雜圍巖大斷面淺埋隧道開挖方法的數(shù)值分析研究

梁海濤 萬 磊 周海昌

(中交一公局第一工程有限公司，北京市 102205)

0 引 言

大斷面淺埋隧道是隧道開挖過程中一種較為重要的隧道類型，其特點(diǎn)是開挖受應(yīng)力情況較為不利.同時(shí)隧道開挖中的圍巖環(huán)境具有復(fù)雜性、多樣性，為大斷面淺埋隧道安全開挖增加很大難度.因此根據(jù)圍巖的不同情況對(duì)大斷面淺埋隧道的開挖方法做出合適的調(diào)整顯得尤為重要.隧道的開挖方法決定著整個(gè)隧道的掘進(jìn)過程中的所受應(yīng)力位置，在大斷面淺埋隧道中更為突出.

對(duì)于如何才能有效地解決大斷面隧道和淺埋隧道開挖方式問題，在此之前諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究.汪軍鵬等[1]對(duì)淺埋隧道采用臺(tái)階法、CD法和雙側(cè)壁法施工中隧道變形規(guī)律進(jìn)行了探究.蘭升元等[2]對(duì)Ⅴ類圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD法和小步距情況下的開挖方式及對(duì)應(yīng)不同類型襯砌展開闡述和評(píng)價(jià)，并針對(duì)典型斷面拱頂沉降、斷面收斂等工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析探究各施工方法和襯砌形式的適宜性及變形規(guī)律性;鄭廣順等[3]利用數(shù)值模擬對(duì)比分析上下臺(tái)階法和CD法施工引起的隧道變形及受力特點(diǎn)；葉光耀等[4]運(yùn)用FLAC軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在Ⅳ級(jí)圍巖條件下隧道中開挖支護(hù)后的圍巖位移、圈巖應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析；陶云平[5]分析四方山隧道在軟弱圍巖下產(chǎn)生變形破壞的機(jī)制，從而有針對(duì)性地提出了相應(yīng)的處治措施，并利用數(shù)值模擬手段對(duì)處治效果進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)；賈杰南等[6]運(yùn)用FLAC軟件分析了軟弱地層條件下連拱隧道CD法和全斷面開挖法施工的穩(wěn)定性.王帥帥等[7]模擬不同凈距下均質(zhì)硬巖、均質(zhì)軟巖和豎向半軟半硬巖隧道施工多種工況，對(duì)比分析中巖墻、拱頂上部圍巖、仰拱處圍巖和邊坡的圍巖穩(wěn)定性.張國華等[8]通過圍巖內(nèi)部位移、拱頂沉降、圍巖壓力和錨桿應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)工作，研究復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面小凈距隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)圍巖的穩(wěn)定性.

上述學(xué)者對(duì)隧道大斷面隧道和淺埋隧道開挖方式的探究已較為成熟，但對(duì)于復(fù)雜圍巖條件下的大斷面淺埋隧道的合理開挖方式選擇，還有待進(jìn)一步研究.本文依托張家口東太平山隧道工程，采用MIDAS GTS/NX數(shù)值模擬方法，對(duì)CRD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在V級(jí)破碎圍巖下的大斷面淺埋隧道的變形控制及地表沉降控制效果進(jìn)行對(duì)比，分析兩種方法在此工程中的可行性和優(yōu)缺點(diǎn).

1 工程概況

東太平山隧道項(xiàng)目位于張家口市區(qū)東北部，路線基本走向?yàn)闁|南至西北方向，穿越東太平山路線全長(zhǎng)3.060km.東太平山隧道為分離式公路隧道，凈寬14.25m，凈高5.0m.左線里程樁號(hào)K0+820～K1+915，長(zhǎng)度1.095km；右線里程樁號(hào)K0+760～K+085，長(zhǎng)度1.325km.隧道建筑界限及內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 隧道建筑界限及內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖

該項(xiàng)目位于張家口市橋東區(qū)東太平山，屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕低山地貌區(qū)，隧址區(qū)穿越山體地面標(biāo)高832～922m，相對(duì)高差不大，一般為50.0～80.0m.地表以碎石土為主，部分巖石裸露，巖性多為強(qiáng)-中風(fēng)化安山巖，為硬質(zhì)巖，巖體較破碎，節(jié)理發(fā)育，坡度約30°～54°，山坡局部陡峭，地形較簡(jiǎn)單.地表水系不發(fā)育，水量貧乏，植被發(fā)育.

本隧道穿越張家口—刁鄂斷裂及影響帶，該斷裂為非全新世活動(dòng)斷裂，沿?cái)嗔褞r石擠壓破碎，扭曲劇烈，局部有定向排列的斷層泥.受該斷層破碎帶影響，該段圍巖巖體破碎，硐室穩(wěn)定性差，易發(fā)生失穩(wěn)及大的坍塌現(xiàn)象.

2 開挖方法數(shù)值模擬

2.1 模型數(shù)據(jù)與模型建立

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探實(shí)際情況，擬定使用CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種開挖方法進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)用MIDAS GTS/NX軟件進(jìn)行建模模擬計(jì)算和數(shù)值分析.模型取YK0+898處破碎段圍巖斷面為標(biāo)準(zhǔn)斷面，模型水平方向、縱向、垂直方向分別取值為X=64m、Y=60m、Z=40m；隧道埋置深度24.6m，左右邊界24.9m，使用彈塑性本構(gòu)模型，德魯克-普拉格強(qiáng)度準(zhǔn)則.計(jì)算所用支護(hù)和圍巖如表1所示.

表1 模型部分物理參數(shù)表

(a)CRD法網(wǎng)格模型 (b)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法網(wǎng)格模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

兩種方法的最大豎向沉降如圖3所示.

(a)CRD法 (b)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

由圖可得，CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大豎向位移分別為7.29mm和6.95mm.從最大豎向位移來看，兩種工法均符合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于CRD法，CRD法相較于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大豎向沉降大5%，總體來看影響權(quán)重較小.為更為詳細(xì)的比較兩種工法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)兩種工法下隧道的拱頂沉降、仰拱隆起、水平收斂以及地表沉降四個(gè)方向進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化.

圖4為兩種工況的拱頂沉降對(duì)比.從圖中可得，CRD法的最大拱頂沉降為6.73mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大拱頂沉降為7.23mm，二者相差7.4%，CRD法較優(yōu).在隧道在掘進(jìn)至0～22m區(qū)間時(shí)，二者相差40%雙側(cè)壁導(dǎo)坑更優(yōu)；在隧道在掘進(jìn)至22～60m區(qū)間時(shí)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂沉降值超過CRD法，二者拱頂沉降值變化趨勢(shì)大致相同，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法總體相較于CRD法拱頂沉降值大7%.可以看出，在開挖初期CRD法相對(duì)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)圍巖的擾動(dòng)更大；主體開挖至21m左右時(shí)，隧道拱頂開挖，拱頂沉降加大，隨著施工的推進(jìn)，拱頂支護(hù)成型，CRD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂沉降差值減小.

圖5為兩種工況的仰拱隆起對(duì)比.從圖中可得，CRD法的最大仰拱隆起為4.81mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大仰拱隆起為5.94mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于CRD法最大仰拱隆起值大23%.在隧道在掘進(jìn)至0～32m區(qū)間時(shí)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法總體優(yōu)于CRD法；在掘進(jìn)至0～24m區(qū)間時(shí)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于CRD法仰拱隆起值小50%；在掘進(jìn)至24m時(shí)，兩者仰拱隆起值趨于相等，為2.04mm；在掘進(jìn)至24m～32m區(qū)間時(shí)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于CRD法拱頂沉降值小35%；在隧道掘進(jìn)32m以后，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法仰拱隆起值超過CRD法，此段二者拱頂沉降值變化趨勢(shì)大致相同，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法總體相較于CRD法拱頂沉降值大20%.

圖5 仰拱隆起值對(duì)比圖

圖6為兩種工況的水平收斂對(duì)比.從圖中可得，CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大水平收斂分別為4.40mm和3.60mm，二者相差22%，圖中二者趨勢(shì)大致相同，水平收斂值雙側(cè)壁導(dǎo)坑法總體優(yōu)于CRD法.

圖6 水平收斂值對(duì)比圖 圖7 地表沉降值對(duì)比圖

圖7為兩種工況的地表沉降對(duì)比.從圖中可得，CRD法的最大地表沉降為2.68mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大地表沉降為2.36mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于CRD法最大仰拱隆起值大13.5%.圖中二者趨勢(shì)大致相同，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于CRD法總體地表沉降小10%，地表沉降值雙側(cè)壁導(dǎo)坑法總體優(yōu)于CRD法.

3 結(jié) 論

通過軟件中大量的有限元計(jì)算，本文對(duì)CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在張家口東太平山隧道在豎向沉降、拱頂沉降、仰拱隆起、水平收斂以及地表沉降五個(gè)方面進(jìn)行數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

(1)從數(shù)值角度得出，CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)破碎圍巖段大斷面淺埋隧道變形控制，對(duì)于最大豎向沉降，CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法效果接近；對(duì)于拱頂沉降，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于CRD法；對(duì)于仰拱隆起，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法前期相較CRD法更優(yōu)，但CRD法最大拱頂沉降優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；對(duì)于水平收斂，兩者數(shù)值相差較小；對(duì)于地表沉降，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于CRD法.

(2)從變化趨勢(shì)角度得出，CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在水平收斂和地表沉降變化趨勢(shì)總體相同；在拱頂沉降和仰拱隆起方面，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于CRD法在施工前期對(duì)圍巖穩(wěn)定性上更占優(yōu)勢(shì).

(3)CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的變形控制均符合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，結(jié)合以上兩條結(jié)論和施工安全性、圍巖穩(wěn)定性、變形控制效果、經(jīng)濟(jì)效益綜合來看，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更為合適.