隧道大跨段施工圍巖變形及受力特征分析★

趙登科

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

近年來，隨著隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下大跨度隧道的合理施工方法越來越受到重視[1-5]。No等[6]、Sadaghiani和Dadizadeh[7]、Sharifzadeh等[8]、Bao等[9]、Boonyarak和Ng[10]以及Yoo和Choi[11]通過現(xiàn)場試驗(yàn)、離心試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了不同開挖方法和開挖順序?qū)λ淼雷冃?、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和施工安全的影響。

眾多學(xué)者對隧道開挖方法的優(yōu)選開展了研究，并取得了豐碩成果，不同開挖方法條件下，圍巖的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征會有不同。通常情況下，圍巖的變形表現(xiàn)為：雙側(cè)壁導(dǎo)洞法<交叉中隔墻法(CRD法)<預(yù)留核心土三臺階法[12-14]。對于支護(hù)結(jié)構(gòu)受力來說，預(yù)留核心土三臺階法開挖后邊墻受力較均勻，雙側(cè)壁導(dǎo)洞法和中隔墻法(CD法)均采用了臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，限制了圍巖應(yīng)力釋放，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較大[15-17]。另外，雙側(cè)壁導(dǎo)洞法能更有效控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展，有效改善圍巖受力狀態(tài)，使得圍巖主要受壓應(yīng)力作用。隧道圍巖穩(wěn)定性除受開挖方法的影響外，與開挖里程也密切相關(guān)，拱頂在施作支護(hù)結(jié)構(gòu)后，隨著開挖的繼續(xù)，仍會發(fā)生較大的殘余沉降[18-20]。

在大跨段隧道施工中，結(jié)合工程的地質(zhì)條件及相關(guān)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，大多采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁或交叉中隔壁法、臺階法、全斷面法以及不同方法的組合。本文以樵坪山隧道工程為研究對象，采用有限單元法件對樵坪山隧道大跨段處開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，比較分析了CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對隧洞圍巖變形、應(yīng)力的影響以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，旨在對施工過程進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

樵坪山隧道位于重慶市巴南區(qū)南泉鎮(zhèn)境內(nèi)，為正線上的雙線隧道，中心里程DK43+416，最大埋深340 m，全長7 568 m。隧道區(qū)域?qū)俚蜕降孛?，海拔?biāo)高在325 m～650 m范圍，相對高差介于60 m～220 m之間，大致沿北東-南西呈彎道穿越樵坪山?；鶐r為沙溪廟組泥巖夾砂巖，泥巖巖質(zhì)較軟，巖體較完整；屬弱富水巖組，富水性差，基本不含水或含少量裂隙水，砂巖滲、透水性較好，含有少量裂隙水，預(yù)測最大涌水量7 326.8 m3/d，地下水無侵蝕性。大跨段落地質(zhì)為Ⅳ級圍巖，巖體以泥巖、砂巖為主，巖層呈緩傾，無水或少量基巖裂隙水。巖體整體穩(wěn)定性較好，無不良特殊地質(zhì)。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 施工方案簡述

CD法開挖工序橫、縱斷面如圖1所示。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法利用兩個(gè)中隔壁將整個(gè)隧道大斷面分成左中右3個(gè)斷面施工，左、右導(dǎo)洞先行，中間斷面緊跟其后；初期支護(hù)仰拱成環(huán)后，拆除兩側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支撐，形成全斷面。兩側(cè)導(dǎo)洞為倒鵝蛋形，有利于控制拱頂下沉。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖工序橫、縱斷面如圖2所示。

2.2 計(jì)算模型及邊界條件

本次數(shù)值模擬計(jì)算的主要目的是獲取隧道開挖、支護(hù)完畢后圍巖應(yīng)力、變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征。計(jì)算范圍盡可能的包含開挖影響區(qū)域，考慮到尺寸效應(yīng)對計(jì)算誤差的影響以及計(jì)算效率，計(jì)算范圍及邊界條件選取如下:

1)幾何模型：隧道埋深200 m，模擬區(qū)域?qū)?4.53 m，高16.13 m，屬于大斷面隧道。模擬采用地層結(jié)構(gòu)法，上下、左右模擬范圍分別按3倍～5倍隧道的洞高和洞徑進(jìn)行確定，橫向和豎向分別為180 m和120 m；為了減小前后邊界約束對所布置的監(jiān)測面(模型縱向10 m處和25 m處斷面)的影響，縱向范圍設(shè)為50 m，具體見圖3。

2)邊界條件：前后、左右邊界均采用法向位移約束，下邊界采用三向位移約束，上邊界采用自由面約束。在模型內(nèi)施加自重荷載，在上邊界施加與邊界以上巖層厚度等效的均布荷載來模擬深埋隧道的初始地應(yīng)力。

2.3 數(shù)值模擬參數(shù)選取

圍巖本構(gòu)關(guān)系選擇摩爾-庫侖準(zhǔn)則，采用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬；錨桿材料為鋼材，主要承受軸向拉力，本構(gòu)關(guān)系選擇線彈性模型，采用桁架單元開展模擬；為了簡化模型，模擬時(shí)將初期支護(hù)的噴射混凝土及鋼拱架聯(lián)系在一起，選擇線彈性本構(gòu)關(guān)系，采用板單元開展模擬。在初支抗彎能力等效的基礎(chǔ)上，為了使抗壓能力也盡量等效，對材料參數(shù)和板的厚度采用式(1)，式(2)進(jìn)行折算；臨時(shí)豎撐的主要作用是承受壓力和彎矩，本構(gòu)關(guān)系選取線彈性模型，采用梁單元開展模擬。

E鋼I鋼+E混I混=E折I折

(1)

E鋼A鋼+E混A混=E折A折

(2)

依據(jù)工程實(shí)際擬定數(shù)值模擬圍巖及各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬圍巖及各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)

2.4 開挖步序模擬

實(shí)際施工中CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖進(jìn)尺為每一步開挖0.5 m～1 m，模型為考慮開挖的最不利情況設(shè)為每一步開挖1 m的進(jìn)尺；模型縱向共50 m，計(jì)算初始地應(yīng)力，待位移清零后，采用合理的荷載釋放系數(shù)對后續(xù)施工階段進(jìn)行模擬。荷載釋放系數(shù)在《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中的地層-結(jié)構(gòu)計(jì)算方法推薦值的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取?；诒敬嗡淼篱_挖工法實(shí)際情況，本次模擬中荷載釋放系數(shù)值選取為圍巖及初支共承擔(dān)85%，分步釋放。

3 分析與討論

3.1 圍巖豎向位移

為了減小開挖過程中模型邊界對監(jiān)測點(diǎn)產(chǎn)生影響，將模型的10 m斷面處設(shè)置為豎向位移監(jiān)測斷面。圖4為分別采用CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖、支護(hù)完畢后的該斷面的圍巖豎向位移云圖。CD法的斷面拱頂最大沉降為75.347 9 mm，最大上鼓為66.272 6 mm。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂最大沉降為32.255 7 mm，最大上鼓為34.368 9 mm，分別比CD法低了57%和48%。

計(jì)算過程，在兩種開挖工法的模型中均設(shè)置了拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)(見圖5)，為更直觀的反映開挖過程中圍巖的豎向位移，將監(jiān)測點(diǎn)布于全模型的第10 m斷面，T通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，繪制得到拱頂沉降隨開挖進(jìn)尺的變化(見圖6)。

從圖6可以看出，隨著開挖進(jìn)尺的推進(jìn)，拱部沉降逐漸增加。隨著進(jìn)一步開挖，當(dāng)開挖進(jìn)尺推進(jìn)到一定程度，大約50 m，拱部沉降均趨于穩(wěn)定，其中拱頂最大，CD法約穩(wěn)定在67 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法約穩(wěn)定在32 mm。由此可知：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖工法情況下的圍巖拱頂沉降要遠(yuǎn)小于CD法開挖工法下的拱頂沉降，因此施工中采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更安全。

3.2 圍巖應(yīng)力分析

圖7,圖8分別為模型25 m斷面在CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖支護(hù)完畢后的圍巖主應(yīng)力云圖。由圖7，圖8可知，CD法主應(yīng)力的最大值分別為3.727 6 MPa和0.571 6 MPa，其圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為2，存在較大失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主應(yīng)力的最大值分別為2.389 0 MPa和1.328 5 MPa，其圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比約為3.5，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大大降低，圍巖較穩(wěn)定。因此，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于CD法圍巖穩(wěn)定性更好。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

1)錨桿內(nèi)力分析。

分別以兩模型25 m斷面處的錨桿內(nèi)力隨開挖過程的變化分析其受力情況。圖9為CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖完成后錨桿的軸向拉應(yīng)力云圖。從圖9可看出，開挖完成后，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的錨桿拉應(yīng)力最大值為136.736 MPa，CD法的錨桿拉應(yīng)力最大值158.582 MPa。圖10為開挖過程錨桿拉應(yīng)力隨開挖過程的變化折線圖。從圖10可看出，在不同開挖工法情況下，隨著開挖部數(shù)的增加，錨桿最大拉應(yīng)力有不斷增大的趨勢，其原因是分部開挖使斷面跨度驟增，頂部圍巖的應(yīng)力再一次重分布，錨桿需分擔(dān)更多的力。在分部開挖的各階段，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的錨桿拉應(yīng)力均小于CD法，因此從安全角度考慮，施工中采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖優(yōu)于CD法。

2)初支內(nèi)力分析。

以模型25 m～26 m處的初支內(nèi)力隨開挖過程的變化分析其受力情況。重點(diǎn)關(guān)注25 m～26 m段的初支在CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖完成后的大主應(yīng)力圖，如圖11所示。兩工法的最大值多集中于拱腰、臨時(shí)豎撐與初支接觸位置附近。開挖完成后CD法初支的最大主應(yīng)力為6.277 35 MPa；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法初支的最大主應(yīng)力為5.846 88 MPa。依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》得C25噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度極限值取19 MPa，且不同開挖工法下的初支的強(qiáng)度應(yīng)力比均大于規(guī)范規(guī)定的2.0，因此兩種工法的軸向抗壓均能滿足規(guī)范要求，但從初支的最大主應(yīng)力來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更有利于安全施工和隧道圍巖的穩(wěn)定性。

3)臨時(shí)豎撐分析。

圖12為開挖至全模型35 m時(shí)已激活的豎撐的軸向應(yīng)力云圖，CD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大壓應(yīng)力分別為202.201 MPa和181.465 MPa，與HPB300鋼材的強(qiáng)度應(yīng)力比分別為2.1和2.3，均大于安全系數(shù)2.0。雖然兩種工法都可以滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)要求，但雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的安全系數(shù)比CD法稍高，擁有更多的安全儲備，且力的集中程度較低，從受力的角度來看，對隧道結(jié)構(gòu)部分更有利。因此雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在臨時(shí)支撐的受力方面比起CD法更稍有優(yōu)勢。

4 結(jié)語

通過對樵坪山隧道大跨段處不同開挖工法的數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

1)在控制圍巖變形方面：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱部沉降低于CD法，最后穩(wěn)定在35 mm左右，因此在控制圍巖變形方面，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法稍有優(yōu)勢。

2)在圍巖豎向位移分析中，對于拱頂最大沉降和最大上鼓，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法比CD法分別低57%和48%。因此雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在豎向位移控制上優(yōu)于CD法。

3)在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)(錨桿、初支、臨時(shí)支撐)受力方面：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的錨桿拉應(yīng)力、初支的最大主應(yīng)力和臨時(shí)支撐最大壓應(yīng)力均低于CD法，且雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有更高的安全系數(shù)，因此在結(jié)構(gòu)受力方面，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于CD法。

4)考慮到施工中的不確定因素和諸多安全問題，即使兩種工法在數(shù)值模擬中初支軸向抗壓、安全系數(shù)均能滿足隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在安全性上稍優(yōu)。