礦山法在軌道交通隧道施工中的數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析

方 燃,太 俊,范毅雄,邱 煜

(1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,武漢 430010;2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,武漢 430071; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引言

隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖造成的傷害以及圍巖對(duì)隧道施工的反作用一直以來(lái)都是隧道施工力學(xué)行為研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。軌道交通隧道大多處于地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜的地下空間中,同時(shí)圍巖結(jié)構(gòu)面復(fù)雜多變,由此給判別隧道穩(wěn)定性帶來(lái)巨大困擾。目前常用的隧道圍巖穩(wěn)定性研究方法主要分為5種:力學(xué)分析方法[1]、模型試驗(yàn)方法[2]、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法[3]、數(shù)值分析法[4-5]及工程類比法[6-7]。近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步,軌道交通隧道建設(shè)在各發(fā)達(dá)城市中也隨之興起,一系列對(duì)圍巖穩(wěn)定性不重視而引發(fā)的事故讓建造者付出了沉重的代價(jià),對(duì)其進(jìn)行深入研究則顯得迫切且必要。本文針對(duì)西南地區(qū)某軌道交通隧道,結(jié)合有限元數(shù)值模擬,研究不同開(kāi)挖方式對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,并對(duì)隧道開(kāi)挖支護(hù)提出建議。

1 工程介紹

該隧道為西南地區(qū)某試車線隧道工程,隧道長(zhǎng)2 060 m,由明洞段和暗挖段組成,全隧道采用一字坡,坡度為2 %;在試車線隧道終點(diǎn)設(shè)1處斜井,斜井長(zhǎng)83 m,斜井縱坡為11.56%。隧道及斜井采用礦山法施工,主要穿越強(qiáng)、中風(fēng)化泥巖,埋深10～224 m。隧址區(qū)位于新華夏系第三沉降帶四川盆地西緣的川西褶皺帶中,主要構(gòu)造體系為發(fā)育褶皺、斷層各1條,對(duì)隧道進(jìn)口、斜井出口有一定影響;隧址區(qū)范圍內(nèi)無(wú)大的地表水系,地表水主要為季節(jié)性溝水及較小的常年流水溝,流量受季節(jié)控制明顯,雨季水量較大,旱季相對(duì)較小。本隧道明挖段采用拱形明洞襯砌,暗挖段采用復(fù)合式襯砌。洞口、破碎帶、風(fēng)機(jī)襯砌洞段支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

2 隧道施工數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,選擇如圖1所示的隧道斷面建立三維計(jì)算模型。隧道埋深為100 m,上部60 m等效為外部荷載,錨桿直徑22 mm,長(zhǎng)度3 m,錨桿間距1.2 m×1.5 m,初步支護(hù)襯砌采用C25混凝土,厚150 mm。建立三維數(shù)值計(jì)算模型的尺寸為70 m×15 m×80 m(長(zhǎng)×寬×高),僅考慮初次襯砌的支護(hù)作用,該隧道模型四周設(shè)置邊界約束限制其橫向位移,底部設(shè)置邊界約束為橫向和縱向約束位移,上表面為自由邊界。

圖1 典型隧道斷面圖

2.2 參數(shù)的選擇

模型中所有圍巖均遵循摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則,設(shè)置襯砌、錨桿單元為彈性材料,襯砌錨桿與圍巖之間采用嵌入接觸。數(shù)值模擬計(jì)算中所用圍巖、錨桿及襯砌的基本參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 圍巖、錨桿及襯砌基本參數(shù)表

2.3 網(wǎng)格劃分及單元

為了提高隧道開(kāi)挖區(qū)域周邊圍巖應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算精度,隧道開(kāi)挖區(qū)域的單元網(wǎng)格密度比周邊圍巖的單元網(wǎng)格密度要大。模型采用中等的網(wǎng)格密度以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,網(wǎng)格劃分過(guò)程中應(yīng)考慮巖體、結(jié)構(gòu)、荷載及邊界條件等,巖體單元共劃分19 008個(gè)單元,22 113個(gè)節(jié)點(diǎn);襯砌單元共劃分656個(gè)單元,1 476個(gè)節(jié)點(diǎn);錨桿單元共劃分1 140個(gè)單元,1 330個(gè)節(jié)點(diǎn)。Abaqus有限元網(wǎng)格的巖體、襯砌單元類型均為C3D8R,錨桿單元類型為B31。

(a)整體網(wǎng)格

2.4 施工工序模擬

利用Abaqus數(shù)值計(jì)算軟件,從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況出發(fā),對(duì)施工工序進(jìn)行模擬,可分為4種類型的分析步。施工工況順序:初始地應(yīng)力平衡→軟化開(kāi)挖區(qū)域模量→激活錨桿和襯砌→移除開(kāi)挖區(qū)域,開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為7.5 m,然后循環(huán)前述分析步驟直至隧道開(kāi)挖結(jié)束。

3 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計(jì)算對(duì)比驗(yàn)證

采用現(xiàn)有鄭西客運(yùn)專線大斷面黃土隧道[8]中有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,針對(duì)文中洞身長(zhǎng)大區(qū)段的老黃土段(Ⅳ級(jí)圍巖)采用的弧形導(dǎo)洞法,選取與之相同的襯砌支護(hù)參數(shù),同時(shí)要保持計(jì)算工況埋深100 m及各階段的釋放荷載系數(shù)等參數(shù)一致,模擬隧道開(kāi)挖、施做初期支護(hù)的全過(guò)程,計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可知,2種不同的計(jì)算方法在拱頂下沉和水平收斂上偏差率僅為2.66%和3.26%,說(shuō)明本文建模方法及結(jié)果正確,可用以進(jìn)行后續(xù)計(jì)算分析。

表2 本文計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證

3.2 圍巖位移、應(yīng)力及塑性應(yīng)變

無(wú)支護(hù)結(jié)構(gòu)全斷面開(kāi)挖法的圍巖豎向位移、圍巖應(yīng)力及塑性應(yīng)變?nèi)鐖D3～5。從圖中可以看出,受隧道中心巖體開(kāi)挖的影響,隧道頂部圍巖主要發(fā)生下沉位移,相反,隧道底部圍巖則會(huì)上拱,而隧道兩側(cè)圍巖位移則相對(duì)較小,圍巖最大下沉位移與最大上拱位移分別發(fā)生在隧道頂?shù)锥说闹行奶?這是由于開(kāi)挖中心巖體時(shí)應(yīng)力突然卸載,圍巖會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì),各部分圍巖均會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力,且隧道頂?shù)撞糠謬鷰r拉應(yīng)力最小,兩側(cè)圍巖拉應(yīng)力最大,同時(shí)隧道中下部產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力均大于上部圍巖應(yīng)力(隧道底端部分區(qū)域除外),相較于圍巖位移而言,圍巖應(yīng)力受隧道開(kāi)挖影響對(duì)應(yīng)的圍巖區(qū)域更廣,而且不僅限于對(duì)應(yīng)隧道跨徑的頂?shù)咨舷虏糠謳r體。對(duì)于圍巖塑性變形,其主要集中在隧道兩側(cè)一定范圍內(nèi),最大塑性變形位于圍巖邊緣處。

圖3 無(wú)支護(hù)時(shí)圍巖位移分布云圖

施工方法與支護(hù)措施的選取在控制隧道圍巖穩(wěn)定性方面起著至關(guān)重要的作用,大部分隧道工程所處地質(zhì)環(huán)境比較惡劣,在隧道開(kāi)挖過(guò)程中需要對(duì)坑道施以襯砌等支護(hù)措施以達(dá)到維持其穩(wěn)定的目的。支護(hù)時(shí)兩級(jí)臺(tái)階開(kāi)挖法的圍巖位移、應(yīng)力及塑性應(yīng)變?nèi)鐖D6～8,其中臺(tái)階法施工中上級(jí)臺(tái)階高度為2 m。可以看出,當(dāng)對(duì)隧道進(jìn)行初步襯砌支護(hù)開(kāi)挖時(shí),圍巖穩(wěn)定性展現(xiàn)出的變化趨勢(shì)與無(wú)支護(hù)開(kāi)挖情況相似,即隧道內(nèi)部仍然表現(xiàn)出了頂部圍巖下沉、底部圍巖拱起的變化趨勢(shì),兩側(cè)圍巖豎向位移依舊較小;同樣地,在隧道頂部和底部圍巖壓力最小,兩側(cè)部分圍壓較大,且整個(gè)隧道圍巖內(nèi)應(yīng)力均表現(xiàn)出拉應(yīng)力;圍巖最大塑性變形出現(xiàn)在隧道兩側(cè),有所不同的是,當(dāng)采用有支護(hù)臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí),圍巖豎向位移和塑性變形明顯減小,體現(xiàn)出錨噴支護(hù)可以有效增強(qiáng)隧道圍巖的穩(wěn)定性。

圖4 無(wú)支護(hù)時(shí)圍巖應(yīng)力分布云圖

圖5 無(wú)支護(hù)時(shí)圍巖塑性應(yīng)變分布云圖

圖6 支護(hù)時(shí)圍巖位移分布云圖

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

全斷面開(kāi)挖與臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布結(jié)果如圖9所示,圖中臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)應(yīng)的上級(jí)臺(tái)階高度分別為2 m、4 m、6 m和8 m。由圖可得,無(wú)論是全斷面開(kāi)挖施工還是不同高度的兩級(jí)臺(tái)階開(kāi)挖法施工,支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在隧道兩側(cè)中下部位,且位于錨桿入圍巖較淺位置,此外,錨桿內(nèi)力隨著圍巖厚度增加而有所減小。5種施工方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值分別為3.52 GPa、2.93 GPa、2.43 GPa、2.30 GPa和2.93 GPa,全斷面開(kāi)挖法中支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大,說(shuō)明其在約束圍巖變形作用方面效果更加明顯,相應(yīng)的圍壓位移也越小。

圖7 支護(hù)時(shí)圍巖應(yīng)力分布云圖

圖8 支護(hù)時(shí)圍巖塑性應(yīng)變分布云圖

(a)全斷面法

3.4 臺(tái)階高度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

為分析不同開(kāi)挖方案對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,將全斷面開(kāi)挖法及不同形式下臺(tái)階開(kāi)挖法對(duì)應(yīng)的圍巖最大(小)位移、拉應(yīng)力、最大塑性變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值結(jié)果匯總于表3中。由表中數(shù)據(jù)可知,在無(wú)支護(hù)開(kāi)挖的情況下,全斷面開(kāi)挖及兩級(jí)臺(tái)階法開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力和位移均無(wú)顯著差異,但塑性變形結(jié)果之間有較大區(qū)別,且全斷面開(kāi)挖對(duì)應(yīng)塑性變形最小。當(dāng)進(jìn)入有支護(hù)條件時(shí),不同開(kāi)挖方案對(duì)應(yīng)的拱頂下沉位移變化率和拱底上拱位移變化率分別在40%和38%以上,由此可見(jiàn),采取錨噴支護(hù)措施能夠有效減小圍巖位移,隧道圍巖也表現(xiàn)得愈加穩(wěn)定,且全斷面開(kāi)挖方式的頂?shù)鬃畲笪灰票葍杉?jí)臺(tái)階開(kāi)挖法位移結(jié)果更小,如圖10所示。具體原因可能是全斷面開(kāi)挖施工時(shí),襯砌是直接封閉成環(huán)形的,相應(yīng)圍巖承載能力比臺(tái)階法的非閉合襯砌強(qiáng),產(chǎn)生的位移也相應(yīng)較小;對(duì)于拉應(yīng)力、塑性變形結(jié)果而言,全斷面開(kāi)挖法產(chǎn)生的最大圍巖應(yīng)力明顯大于兩級(jí)臺(tái)階法,而最小拉應(yīng)力結(jié)果則較為相近,對(duì)應(yīng)的最大塑性變形值最小,基本未見(jiàn)塑性區(qū)。在支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面,全斷面開(kāi)挖法中支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大,如圖11所示,說(shuō)明其在約束圍巖變形作用方面效果更加明顯,相應(yīng)的圍巖位移也越小,其結(jié)果與圍巖位移、變形所得結(jié)論一致。

圖10 不同開(kāi)挖方案隧道頂?shù)讎鷰r位移

圖11 不同開(kāi)挖方案支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

表3 不同開(kāi)挖方案對(duì)應(yīng)研究參數(shù)最值結(jié)果

兩級(jí)臺(tái)階法開(kāi)挖施工中上級(jí)臺(tái)階高度對(duì)圍巖應(yīng)力及變形的影響如圖12所示。由圖可知,隨著上級(jí)臺(tái)階高度的增加,即由2 m增長(zhǎng)到8 m時(shí),圍巖最大拉應(yīng)力值整體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),同時(shí)圍巖最大塑性變形在臺(tái)階高度達(dá)到6 m時(shí)最大,隨后減小。

圖12 上級(jí)臺(tái)階高度對(duì)圍巖應(yīng)力及變形的影響

4 開(kāi)挖及支護(hù)優(yōu)化建議

利用前述數(shù)值分析結(jié)果,可以得到無(wú)支護(hù)開(kāi)挖與有支護(hù)開(kāi)挖兩個(gè)方面不同施工方式引起圍巖穩(wěn)定性之間的差別,從而給出適合不同地質(zhì)條件的合理化開(kāi)挖、支護(hù)建議。

4.1 無(wú)支護(hù)開(kāi)挖

無(wú)支護(hù)條件下進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí),全斷面開(kāi)挖法與兩級(jí)臺(tái)階法所得到的圍巖應(yīng)力和位移之間差別并不明顯,而由圍巖最大塑性變形的結(jié)果可以知道全斷面開(kāi)挖方案是優(yōu)于臺(tái)階法開(kāi)挖方案的,同時(shí)考慮到全斷面開(kāi)挖法施工更為便捷,工期更短,故無(wú)支護(hù)條件下全斷面開(kāi)挖法更優(yōu)。

4.2 有支護(hù)開(kāi)挖

在有支護(hù)條件下,全斷面施工法的初次襯砌支護(hù)作用限制圍巖變形的作用最為顯著,約束隧道頂?shù)锥藝鷰r移動(dòng)進(jìn)而達(dá)到最小值。究其原因,全斷面施工法時(shí)初期襯砌支護(hù)是一次性封閉成環(huán)的,故支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能更佳。因此,在現(xiàn)場(chǎng)圍巖較好段落盡量選取全斷面開(kāi)挖法施工,如Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地段。

基于前述考慮,可以知道初期襯砌支護(hù)在短時(shí)間內(nèi)封閉能夠有效減小圍巖變形,圍巖更加穩(wěn)定。故在圍巖地質(zhì)條件較差的位置,如V級(jí)圍巖地段,當(dāng)不具備全斷面開(kāi)挖條件時(shí),在使用臺(tái)階法開(kāi)挖基礎(chǔ)上,盡量快速地封閉初期襯砌支護(hù)成為重中之重。此時(shí)推薦采用“臺(tái)階法(帶仰拱)一次開(kāi)挖”施工方案[9-11],此法具有的技術(shù)特點(diǎn):1)初期支護(hù)可以快速封閉成環(huán),以形成合理的受力結(jié)構(gòu),對(duì)施工變形的控制有利;2)仰拱與下臺(tái)階同步開(kāi)挖,減少了爆破次數(shù),避免設(shè)備受損并能改善作業(yè)環(huán)境;3)充分發(fā)揮各工序平行作業(yè)特點(diǎn),同時(shí)工序簡(jiǎn)化利于銜接,減少仰拱單獨(dú)開(kāi)挖造成的干擾,利于施工效率的提高。

在兩級(jí)臺(tái)階法施工中,在確定臺(tái)階高度及長(zhǎng)度方面,由于圍巖最大拉應(yīng)力隨著上級(jí)臺(tái)階高度的增加整體減小,且在臺(tái)階高度為8 m時(shí)圍巖塑性變形最小,結(jié)合操作便捷性及設(shè)備安放空間的需求,上級(jí)臺(tái)階開(kāi)挖高度宜設(shè)置為8 m;為方便計(jì)算,此次模擬將臺(tái)階進(jìn)尺長(zhǎng)度固定為7.5 m,尚未考慮其對(duì)隧道開(kāi)挖的影響,在現(xiàn)場(chǎng)施工中為保證隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的安全及圍巖穩(wěn)定,臺(tái)階長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)減小。

5 結(jié)論

以西南地區(qū)某隧道工程為例,通過(guò)對(duì)隧道圍巖位移、應(yīng)力、塑性區(qū)及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化情況進(jìn)行模擬,對(duì)比分析了全斷面開(kāi)挖法、有支護(hù)結(jié)構(gòu)兩級(jí)臺(tái)階法的隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特征。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了不同臺(tái)階高度作用下的圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力,綜合評(píng)價(jià)不同開(kāi)挖方案下軌道交通隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變化規(guī)律,為隧道開(kāi)挖、支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。