水工隧洞上下臺階法開挖的數(shù)值模擬研究

呂金輝

(中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

0 前 言

隨著國家的經(jīng)濟不斷發(fā)展，越來越多的隧洞工程應(yīng)運而生，對此學(xué)者們也進行了大量的研究。楊洋等利用FLAC3D對隧洞穿越含煤地層時，隧洞的位移和變形、圍巖應(yīng)力變化進行了研究，研究結(jié)果表明：不同的工況條件下，隧洞的位移和變形均有所不同。李釗等對隧洞臺階長度對隧洞變形的影響進行了研究，研究結(jié)果表明：臺階長度對隧洞圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)范圍有較大的影響。閆肅利用數(shù)值模擬技術(shù)，對隧洞開挖的長度、高度進行了優(yōu)化研究，研究結(jié)果表明：開挖臺階的長度應(yīng)當(dāng)控制在5m范圍內(nèi)，可以保證拱頂沉降和水平位移控制在合理的范圍內(nèi)。彭波對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階七步法和雙側(cè)壁結(jié)合臺階法三種開挖方法進行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：雙側(cè)壁更適合超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧洞。李希文等利用FLAC3D對隧洞圍巖變化規(guī)律進行了研究，研究結(jié)果表明：臺階法施工中豎向位移普遍大于水平位移。朱海濤對不同的開挖方法對地表沉降規(guī)律和預(yù)測曲線進行了研究，研究結(jié)果表明：臺階法適合常規(guī)隧洞的開挖。梅竹結(jié)合一實際隧洞工程，利用數(shù)值模擬對隧洞開挖的整個過程進行了研究，研究結(jié)果表明：Ⅳ級圍巖更適合臺階法施工，更利于提高襯砌的安全性。譚忠盛等認為長大隧洞更適合地質(zhì)地層隧洞大斷面開挖工法，并通過現(xiàn)場實驗證明：此類開挖工法可減少對圍巖體的振動。王傳勇結(jié)合一地鐵隧洞項目，提出了在標(biāo)準(zhǔn)段進行上臺階和下臺階進行盾構(gòu)施工，通過實踐表明此類施工方法能夠縮短工期，控制沉降。歐予月通過工程造價軟件對CD法進行了研究，研究結(jié)果表明：CD法施工時序復(fù)雜、工期長且經(jīng)濟性差[1-2]。

以上的研究多集中于不同施工方式對隧洞施工的影響，沒有涉及到隧洞開挖的整個過程，因此文章結(jié)合一實際隧洞工程，利用上下臺階法還原了隧洞開挖的全過程，對隧洞開挖進行了研究。

1 工程概況

該隧洞位于我國西部地區(qū)，經(jīng)地質(zhì)勘察巖土體主要由風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖組成，采用上下臺階法對隧洞進行支護，隧洞的尺寸如圖1所示，巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 隧洞尺寸圖(單位：m)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

數(shù)值模擬采用MIDAS GTS進行模擬，選擇的巖土體的尺寸長×寬×高為90m×50m×60m(圖2)，此邊界長約是隧洞的4倍，高約是隧洞的3倍，經(jīng)試算此邊界的長或高增加1m，隧洞的受力和位移變化不超過0.1%，說明隧洞邊界的選取是合理的。

數(shù)值模擬中隧洞襯支選擇板單位，材料屬性為各向同性的彈性模型，厚度為0.2m，彈性模量為2×107kN.m2，泊松比為0.31，容重23 kN.m3，二襯選擇3D實體單元，彈性模量為3.15×107kN.m2，泊松比為0.28，容重25kN·m3，錨桿選擇植入式桁架單元，彈性模量為2×108kN·m2，泊松比為0.26，容重78kN·m3。

巖土體和隧洞均選擇混合四面體網(wǎng)格，數(shù)值模擬計算至隧洞平衡時結(jié)束。

2.2 模擬的結(jié)果

2.2.1 位移分析

加固邊坡后的豎向位移和總體位移如圖3和圖4所示。

圖4 隧洞巖土體總體位移(單位：m)

如圖3所示，隧洞巖土體拱底處的豎向位移最大位于拱底處，數(shù)值為8.3mm，拱頂處豎向位移方向豎直向上，數(shù)值為1.2mm，地面的位移方向主要是豎直向下，數(shù)值為5.4mm，位于隧洞的正上方。以上的數(shù)值均不超過20mm，說明上下臺階法開挖時，隧洞巖土體的豎向位移是控制在工程允許的范圍內(nèi)的，不會對隧洞安全造成隱患。

位移<5mm的巖土體所占整個巖土體的70%，超過50%的巖土體幾乎沒有豎向位移，說明隧洞施工并不會對周圍巖土體造成過大的擾動。

如圖4所示，隧洞巖土體拱底處的總體位移最大位于拱底處，最大數(shù)值為9.3mm，拱頂處總體位移最大數(shù)值為1.3mm，地面的位移方向主要是豎直向下，數(shù)值為5.4mm，位于隧洞的正上方。依據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202-2013)可知，以上的數(shù)值均不超過20mm，說明上下臺階法開挖時，隧洞巖土體的總體位移是控制在工程允許的范圍內(nèi)的，不會對隧洞安全造成隱患。

位移<5mm的巖土體所占整個巖土體的69%，超過48%的巖土體幾乎沒有位移，說明隧洞施工并不會對周圍巖土體造成過大的擾動。

2.2.2 應(yīng)力分析

隧洞巖土體X和Z軸方向所受應(yīng)力如圖5和圖6所示。

圖5 隧洞巖土體所受X方向的應(yīng)力(單位：kN/m2)

圖6 隧洞巖土體所受Z方向的應(yīng)力(單位：kN/m2)

隧洞巖土體所受X方向的應(yīng)力如圖5所示，應(yīng)力主要集中于軟巖區(qū)域，即隧洞開挖所在的巖土體，風(fēng)化巖與軟巖交界處出現(xiàn)少量的應(yīng)力集中巖土體，此處巖土體最大應(yīng)力為4.5×10-2kN/m2，位于隧洞左右兩側(cè)，所占比例約為5%，隧洞開挖面周圍巖土體超過30%比例應(yīng)力超過2.0×10-2kN/m2，此數(shù)值不超過巖土體所受的最大塑性屈服極限，可認為隧洞開挖對巖土體X方向的應(yīng)力滿足工程要求。

風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域的應(yīng)力幾乎沒有任何變化，說明風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域施工中可以不作重點考慮。

隧洞巖土體所受Z方向的應(yīng)力如圖6所示，應(yīng)力主要集中于軟巖區(qū)域，最大應(yīng)力為8.7×10-2kN/m2，位于隧洞左右兩側(cè)，所占比例約為6%，隧洞開挖面周圍超過35%比例巖土體應(yīng)力超過2.3×10-2kN/m2，此數(shù)值不超過巖土體所受的最大塑性屈服極限，可認為隧洞開挖對巖土體Z方向的應(yīng)力滿足工程要求。

風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域所受Z方向應(yīng)力幾乎沒有任何變化，說明施工中風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域可以不作重點考慮。

2.2.3 數(shù)值模擬總結(jié)

位移方面從水平位移和總體位移進行了研究，研究結(jié)果表明：地表處水平位移和豎向位移均控制在合理的范圍內(nèi)，此位移不會對周圍巖土體造成不良的影響。

選擇了隧洞巖土體的X方向和Z方向的受力進行了研究，研究結(jié)果表明：應(yīng)力主要集中于隧洞左右兩側(cè)，同時主要集中于軟巖區(qū)域，風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域幾乎不受影響，說明隧洞防治應(yīng)力集中的重點在于軟巖區(qū)域，尤其是隧洞開挖區(qū)域，另一方面，應(yīng)力集中區(qū)域巖土體所受最大應(yīng)力均控制在合理范圍內(nèi)，同樣也不會造成不良影響。

3 結(jié) 論

文章結(jié)合MIDAS GTS數(shù)值模擬技術(shù)，還原了上下臺階法隧洞施工的全過程，研究結(jié)果表明：

1)隧洞開挖區(qū)域巖土體的位移最大處分別發(fā)生在拱頂處(位移向上)和拱底處(位移向下)，最大豎向位移為8.3mm，最大總體位移為9.3mm，此位移值均控制在合理的范圍內(nèi)，不會對周圍巖土體造成不良影響，地表處的位移值均不超過6mm，此位移也滿足隧洞工程的位移要求；

2)隧洞開挖區(qū)域所受X方向和Z方向的應(yīng)力最大值分別為4.5×10-2kN/m2和8.7×10-2kN/m2，此數(shù)值均控制在合理的范圍內(nèi)，不會對隧洞安全造成不良的影響；

3)隧洞的位移和受力沒有發(fā)生明顯的位移集中和應(yīng)力集中現(xiàn)象，說明了此地質(zhì)條件下上下臺階隧洞開挖是合理可行的，風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域幾乎沒有發(fā)生明顯的位移和應(yīng)力集中，因此可認為隧洞開挖施工防范的重點在于軟巖區(qū)域，風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域可暫不考慮。

4)此工程可供上下臺階法隧洞開挖提供參考，對于復(fù)雜的隧洞開挖工程項目，則有待進一步研究。