超大斷面隧道開挖方案數(shù)值模擬研究分析

摘要 文章通過對某通道工程地下隧道兩種不同開挖方案進(jìn)行模擬，對比分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并對結(jié)果進(jìn)行研究分析從而指導(dǎo)實(shí)際施工。研究結(jié)果表明：在滿足規(guī)范要求情況下，采用方案較優(yōu)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑十步法只需增加一次開挖步驟，減少臨時(shí)支護(hù)的施作位置，能使隧道拱頂沉降降低12%，地表沉降降低19%。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑十步法使隧道的工作區(qū)間增大，更方便現(xiàn)場機(jī)械化施工。綜合比較，選取雙側(cè)壁導(dǎo)坑十步法作為該段的施工方案。

關(guān)鍵詞 數(shù)值模擬;隧道開挖;超大斷面隧道;FLAC3D

中圖分類號 U452.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0172-03

引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也在推動(dòng)著巖土工程數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，實(shí)踐證明，數(shù)值模擬方法在隧道開挖方案評估方面有著重要作用。陳帥宇[1]運(yùn)用FLAC3D對水利樞紐工程地下廠房區(qū)進(jìn)行了模擬施工開挖過程，討論了洞室圍巖因開挖而導(dǎo)致的變形，分析了圍巖的塑性區(qū)分布及地下廠房洞室群圍巖的穩(wěn)定性，并針對局部進(jìn)行加固處理。朱念焜[2]以某大斷面山嶺鐵路隧道建設(shè)為實(shí)例，運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，探討了三種不同施工方案對隧道圍巖位移、應(yīng)力及塑性區(qū)穩(wěn)定性的影響，綜合比較，采用對圍巖位移變形有更好控制效果的CD法，為實(shí)際提供理論支撐。高軍[3]采用FLAC3D數(shù)值分析軟件對粉土和砂土層盾構(gòu)隧道開挖的過程進(jìn)行了模擬，討論了開挖過程中周圍土層的應(yīng)力和變形規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)提供了參考。

該文結(jié)合某通道工程為工程背景，結(jié)合FLAC3D軟件對深埋超大斷面隧道開挖過程進(jìn)行模擬分析，通過對比不同施工方案所引起圍巖的位移、應(yīng)力、地表沉降等，進(jìn)而為工程實(shí)際方案的選擇提供指導(dǎo)性依據(jù)。

1 工程簡介

某工程隧道長55.2 m，最大凈跨度寬度為30.51 m，最大凈高為17 m，最大斷面開挖面積為421.73 m2，為超大深埋斷面隧道。根據(jù)勘察報(bào)告顯示，隧道距地面頂最高處為200 m。

該隧道通過燕山晚期第二次侵入花崗巖地層，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理、裂隙稍發(fā)育，主要節(jié)理為N10～39°，以中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖為主，巖體較為完整，綜合評定圍巖等級為三級。

隧道廠區(qū)內(nèi)地貌屬于沿海低山丘陵地貌，地下水主要賦存于坡積、沖積層中，丘陵區(qū)斷裂帶為潛在的賦水區(qū)。地下水埋藏較淺，一般為1.0～1.5 m。施工導(dǎo)洞內(nèi)地表水比較豐富，地下水在斷裂構(gòu)造帶較發(fā)育。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

FLAC3D采用的是顯式拉格朗日算法[4]和混合-離散分區(qū)技術(shù)，在處理大變形破壞問題時(shí)能更好的求解。為建模時(shí)模型與實(shí)際工程盡可能保持一致，有關(guān)研究表明，隧道開挖施工在隧道直徑3～5倍的范圍內(nèi)對周圍圍巖有影響[5]，該文模型隧道x方向上為350 m，隧道長度y方向上為90 m，z方向?yàn)?00 m。其開挖模型如圖1所示：

模型上部為自由邊界，其余均為法向約束，計(jì)算時(shí)在其z方向上添加等效重力，模型計(jì)算網(wǎng)格為八面體為主，共計(jì)27 880個(gè)單元，286 552個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告文件顯示，該隧道所處土體分為3個(gè)土層，分別為砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。在數(shù)值分析計(jì)算時(shí)選擇庫倫摩爾本構(gòu)模型，實(shí)體單元，根據(jù)勘察文件，選取力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 開挖方案設(shè)定

隧道開挖模擬方案為雙側(cè)壁導(dǎo)坑九步法（九步法）和雙側(cè)壁導(dǎo)坑十步法（十步法）。兩種模擬方案示意圖如圖2所示：

兩種開挖方案均按照圖示中序號由小到大進(jìn)行，每次開挖的深度為5 m，開挖后及時(shí)施作初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，待支護(hù)完成后打入錨桿，完成支護(hù)。初期支護(hù)采用理想彈塑性模型來進(jìn)行模擬，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)要求，將錨桿的彈性模量設(shè)定為28 GPa，泊松比0.2。等開挖到合適的距離后（即同一斷面的圍巖全部開挖完成后），進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)拆除，直至完成隧道開挖，另外在模擬中，未涉及二次襯砌有關(guān)問題。

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖位移分析

超大斷面隧道開挖施工時(shí)，常用圍巖位移的變化來反映隧道圍巖的穩(wěn)定性，因此隧道拱頂圍巖的位移分析是關(guān)注的重點(diǎn)。先計(jì)算初始地應(yīng)力，把位移狀態(tài)清零，提取出數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，繪制隧道拱頂沉降變化曲線如圖3所示。

在分析步達(dá)到9 000時(shí)，十步法明顯優(yōu)于九步法，采用九步法所引起的隧道拱頂沉降量達(dá)到了17.23 mm，對比十步法其沉降量為15.16 mm，分析其原因，相比較于九步法，十步法將隧道掌子面分為面積大小相似的幾個(gè)區(qū)域，且每次開挖面積較少，因此施工對隧道周圍巖石的擾動(dòng)較小。兩種方法都滿足隧道安全標(biāo)準(zhǔn)[6]，但十步法比九步法降低了12%的拱頂沉降。

3.2 地表沉降分析

十步法改變了開挖順序，且更改了臨時(shí)支護(hù)的位置，并減少了大量的臨時(shí)支護(hù)，對比兩種方案導(dǎo)致地表的沉降，如圖4所示。在模擬計(jì)算時(shí)，在同一位置處設(shè)立監(jiān)測點(diǎn)，隨著開挖分析步的進(jìn)行，分別記錄兩種工序開挖對上部地面的影響。結(jié)果顯示當(dāng)頂部掌子面開挖后地表沉降急速達(dá)到最大，隨著分析步的進(jìn)行地面沉降緩慢增加。二者地表沉降變化曲線保持一致，待隧道最終開挖完成后，二者分別達(dá)到了9.7 mm和7.85 mm，對比分析十步法比九步法減少了19%的地面位移。

3.3 圍巖應(yīng)力分析

十步法減少了大量的臨時(shí)支護(hù)，需要驗(yàn)證圍巖是否處于一個(gè)安全的狀態(tài)，為此提取出數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析。圖5為兩種不同開挖方式完成后，隧道圍巖最大主應(yīng)力分布圖。結(jié)果顯示，圍巖應(yīng)力分布規(guī)律相同，均出現(xiàn)在了隧道兩側(cè)，九步法產(chǎn)生的最大主應(yīng)力為4.19 MPa，十步法產(chǎn)生的最大主應(yīng)力為3.89 MPa，比九步法降低了5%，分析其原因是因?yàn)殚_挖方案不同，十步法將外側(cè)圍巖分為8塊，相對避免了圍巖應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

另外，對比二者在同一監(jiān)測點(diǎn)上x方向上圍巖應(yīng)力如圖6所示。由于二者的開挖步驟不同，且一次開挖掌子面的面積不同，導(dǎo)致其圍巖應(yīng)力有所不同，對比分析九步法引起圍巖應(yīng)力約為5.71 MPa，十步法所引起的圍巖應(yīng)力約為5.86 MPa，比九步法增加了2%。

4 結(jié)論

通過運(yùn)用FLAC3D軟件，對兩種不同的施工工序進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）在相同的參數(shù)條件下，開挖方案選取的不同，導(dǎo)致圍巖的狀態(tài)也不一樣。但兩種方案均滿足隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具體表現(xiàn)在：十步法降低了12%的拱頂沉降、19%的地面沉降，其最終引起了15.16 mm的拱頂沉降和7.85 mm的地表沉降。但隨著臨時(shí)支護(hù)的減少，十步法也僅僅增加了2%的圍巖應(yīng)力，滿足要求。

（2）由模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比分析，十步法在減少大量臨時(shí)支護(hù)后，仍能滿足現(xiàn)場施工要求。且根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可得知，在面對大斷面隧道開挖時(shí)，十步法所產(chǎn)生的導(dǎo)坑較為規(guī)則，在實(shí)際作業(yè)時(shí)，整體按照先上后下的順序開挖，作業(yè)空間大，方面大型機(jī)械進(jìn)入施工，促進(jìn)現(xiàn)場機(jī)械化施工進(jìn)程。

該文所述雙側(cè)壁導(dǎo)坑十步法是在三級圍巖狀態(tài)下的模擬施工，在實(shí)際施工過程中，每一導(dǎo)坑開挖時(shí)，每次循環(huán)進(jìn)深為2榀拱架距離（即開挖深度5 m），每一導(dǎo)坑開挖至安全距離后進(jìn)入可進(jìn)行下一導(dǎo)坑施工，該文也可為其他圍巖狀態(tài)不同的隧道開挖提供參考。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-03-05

作者簡介：張昂然（1989—），男，本科，工程師，從事道路與隧道工程施工管理工作。