不同開挖工法對大斷面下穿古長城隧道的影響

李兆琦 劉 洋 張朋天 王小敬

(1.河北建筑工程學院土木工程學院，河北 張家口 075000；2.北旺建設(shè)集團有限公司，河北 承德 067000；3.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著隧道施工技術(shù)的不斷提升，我國隧道建設(shè)得到長足的發(fā)展.目前，國內(nèi)在建隧道下穿建筑物的方式多為斜穿，且以下穿現(xiàn)代建筑物為主，針對軟弱圍巖地區(qū)大斷面下穿古長城隧道的施工研究較少.為達到國家文物局對于古長城保護的要求，需嚴格控制圍巖變形與長城結(jié)構(gòu)的沉降.本文以某公路隧道下穿古長城工程項目為案例，采用有限元軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬，針對在CD法、CRD法和三臺階法三種開挖工法下測得的監(jiān)測點沉降值對上部長城的影響進行了對比分析，選擇出更為合理的開挖方案，為今后的此類工程提供出解決的范例.

許多學者所做的研究為大斷面隧道的開挖模擬提供了必要的依據(jù)，如張孟帥等[1]通過Ansys軟件建立動態(tài)施工模型分析，得到CD法和CRD法應(yīng)用于大斷面隧道時產(chǎn)生不同的力學響應(yīng)；來弘鵬等[2]對西河口大斷面隧道下穿明長城工程進行研究，通過室內(nèi)模擬實驗和現(xiàn)場監(jiān)控沉降確定其施工方案的可行性；劉誠等[3]對湖北省某條隧道使用有限元軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬，并分析多種開挖工法對隧道穩(wěn)定性的影響；孫星亮[4]對廣乘山隧道工程采用密排超前小導管注漿加固，進行有限元數(shù)值模擬，并用數(shù)值計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果證明所選預加固措施的有效性；唐思聰?shù)萚5]以人和場隧道為例，通過對比分析隧道塑性區(qū)的分布特征及開挖產(chǎn)生的擾動效應(yīng)、圍巖變形的時空效應(yīng)等，得出安全、經(jīng)濟的最佳施工方案.

1 工程概述

某公路隧道長度約為1360m，隧址區(qū)地貌單元屬侵蝕構(gòu)造低中山，地形中高側(cè)低，地勢起伏較大，坡度在10°～45°之間，平均海拔在800m左右，高差為89.02m.隧道對應(yīng)的起終點樁號為YK0+660～YK2+080.隧址區(qū)圍巖條件較差，為V級圍巖，巖體穩(wěn)定性較差，且存在多處斷裂.隧道從古長城下穿過，隧道拱頂上地層主要以黃土為主，局部地區(qū)發(fā)現(xiàn)有卵石夾層.

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

圖1 計算模型

數(shù)值模擬采用FLAC3D軟件，根據(jù)設(shè)計方案，在MIDAS軟件中建立有限元模型并劃分網(wǎng)格，將模型通過轉(zhuǎn)換軟件導入FLAC3D中.建立模型如圖1所示，由圣維南原理確定模型范圍為：y方向取100m，x方向上取100m(-50m～50m)，隧道埋深為50m[6].圍巖用實體單元來模擬，襯砌等支護結(jié)構(gòu)采用彈性材料提高材料參數(shù)來實現(xiàn).上部長城模型用長方體單元模擬，平均高度設(shè)為6m，寬度定為10m.除上邊界設(shè)定為自由邊界之外，模型的x、y方向均有法向約束約束位移.圍巖采用M-C本構(gòu)模型，控制隧道洞徑為6.5m.本文在深埋條件下，在V級圍巖地區(qū)分別采用CD法、CRD法以及三臺階法進行隧道開挖的三維數(shù)值模擬[7-8].

根據(jù)工程資料顯示，該研究區(qū)段內(nèi)地層主要以黃土為主，力學參數(shù)參見表1[9].

表1 模型的物理力學指標

2.2 開挖方式

CD法開挖模擬的步驟順序如下：首先在左側(cè)導坑開挖后進行初期支護，然后進行右側(cè)導坑開挖再施做初期支護，之后施做二次襯砌；CD法斷面如圖2所示.CRD法的開挖斷面在CD法基礎(chǔ)上設(shè)置每步增加一道臨時仰拱，CRD法斷面如圖3所示.臺階法斷面如圖4所示.

模擬三臺階法開挖的步驟順序是：按照上、中、下三層臺階依次進行開挖，在每層開挖完成后進行初期支護；三臺階法斷面如圖4所示，其中，上中下臺階的高度都為3m.

圖2 CD法斷面 圖3 CRD法斷面 圖4 臺階法斷面

3 結(jié)果分析

3.1 沉降分析

3.1.1 各工法開挖得到的最終沉降位移分析

本隧道作為大斷面下穿長城隧道，采用3種開挖工法：CD法、CRD法和三臺階法分別對該隧道開挖與支護進行數(shù)值模擬，開挖后的沉降位移云圖如圖5所示.

(a)CD法

(b)CRD法

(c)三臺階法

由圖5所示的位移云圖得到，CD法、CRD法和三臺階法三種工況下最大位移值分別是32.23mm、32.22mm和91.87mm，對比結(jié)果可知，在上述幾種開挖工法下，拱頂均會發(fā)生不同程度的沉降.由沉降位移云圖所示顏色深度的變化范圍[10]，云圖顯示隧道底部存在隆起較大的情況，應(yīng)及時施做仰拱初襯，并且控制襯砌材料參數(shù)以限制拱底的隆起程度，同時也可減小周邊圍巖的變形程度，對修建在軟弱圍巖上部的古長城能夠控制其沉降.

同時隧道開挖后，監(jiān)測點的位移值如表2所示，由于CD法是先開挖左側(cè)土體，然后開挖右側(cè)土體的順序，較其他工法來說釋放土壓力更早，故左側(cè)拱底隆起值大于拱頂沉降.CRD法相比三臺階法測得拱頂沉降量減少61.7%，比CD法拱頂沉降量減少0.8%；CRD法比三臺階法在拱肩豎向位移減少52.5%，最跨度處水平收斂減少66.6%，拱腳豎向位移減少52.9%，拱底隆起減少64.9%.各關(guān)鍵點監(jiān)測到的位移CRD法均要小于CD法，上述兩種工法相較三臺階法對圍巖變形約束的效果都更加突出.

表2 隧道最終位移監(jiān)測值 mm

3.2 各監(jiān)測點沉降值對比

3.2.1 長城沉降值對比

隧道開挖時會對圍巖及上部長城造成一定的影響[11-13]，為保證隧道上方長城的結(jié)構(gòu)安全，需嚴格控制隧道開挖時長城結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沉降值.在本文中，為研究3種工法開挖對上部長城結(jié)構(gòu)沉降值的影響，在本數(shù)值模擬中沿x軸方向在長城底部軸線上均勻布設(shè)監(jiān)測點，設(shè)置x坐標范圍為-50m～50m，測點間距為10m.據(jù)監(jiān)測點記錄的z方向位移數(shù)據(jù)表明，3種工法引起長城底部的沉降值如圖6所示.

圖6 三種開挖工法下長城沉降值與x坐標軸的關(guān)系

由圖6可知，3種開挖工法下長城沉降值與x軸坐標關(guān)系趨勢基本相同，在拱頂中心位置正上方x=0處，長城底部中心，測得該處的沉降值最大，沉降值最大為；當隨著x軸的坐標由長城底部中心向兩側(cè)移動，測得的長城基礎(chǔ)的沉降值由最大沉降值開始逐漸減小，且以x=0直線為對稱軸，x軸左右兩側(cè)長城底部沉降值呈軸對稱式分布，沉降曲線走向基本呈“v”字型.

3.2.2 拱頂監(jiān)測點沉降值

與地表變形值類似，在隧道拱頂沿y軸軸線均勻布設(shè)監(jiān)測點，控制坐標范圍為0m～100m，布設(shè)間距為10m，測得在3種工況下對應(yīng)的隧道拱頂沉降值與y軸坐標的關(guān)系，如圖7所示.

圖7 三種開挖工法下拱頂沉降值與y軸坐標的關(guān)系

由圖7所示可知，采用CRD法開挖拱頂沉降值最小，為13.93mm；其次是CD法開挖的拱頂沉降值，為14.04mm；造成拱頂沉降值最大的是臺階法，拱頂沉降值為36.37mm.

3.3 應(yīng)力分析

隧道開挖完成后隧道上初期支護上關(guān)鍵點的最大、最小主應(yīng)力值如表3所示(符號為拉為正,壓為負).由表3可知，3種工法的拱頂拉應(yīng)力均為最大拉應(yīng)力處，拱肩次之，拱腳處最大主應(yīng)力為負值,即拱腳全部承受壓應(yīng)力.

3種工法開挖在最大跨處的壓應(yīng)力要比其余關(guān)鍵點壓應(yīng)力值都大，而拱頂位置處壓應(yīng)力次之.最小壓應(yīng)力CD法和CRD法位于拱底，臺階法最小壓應(yīng)力位于拱腳.分析可知結(jié)論，CRD法在各關(guān)鍵監(jiān)測點的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力都要小于CD法、臺階法.故3種開挖工法下CRD法應(yīng)為最優(yōu)考慮.

表3 3種開挖工法下關(guān)鍵監(jiān)測點應(yīng)力值

4 結(jié) 論

通過使用有限元軟件FLAC3D，對CD法、CRD法和三臺階法3種開挖工法下隧道下穿古長城的施工過程進行數(shù)值模擬，分析不同工況下的長城沉降值以及各監(jiān)測點沉降值與隧道位置的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

1.使用CRD法進行開挖，沉降變形多發(fā)生在拱頂中心靠右的位置.左半部分開挖完成后，施做襯砌支護封閉，此時拱頂處于懸空狀態(tài)且左側(cè)圍巖位移受限，因此右側(cè)未開挖完全的圍巖就會產(chǎn)生較大位移，右側(cè)開挖累計沉降大于左側(cè)，證明CRD法的開挖工序會對圍巖變形與位移造成一定影響.故在偏壓圍巖開挖前，應(yīng)探明圍巖情況，通過模擬計算去避免不利狀況的發(fā)生.

2.長城軸線與隧道拱頂中心軸線的相交處為長城沉降最大值處，且以拱頂中心軸線為對稱軸，長城沉降值沿軸線兩側(cè)逐漸減小，呈軸對稱式分布.

3.CD法開挖的沉降與應(yīng)力值相比CRD法稍大，三臺階法最大.CRD法比三臺階法在拱肩豎向位移減少52.5%，最跨度處水平收斂減少66.6%，拱腳豎向位移減少52.9%，拱底隆起減少64.9%.根據(jù)國家文物局于2019年12月3日回復青海文物局《國家文物局辦公室關(guān)于國道227線涉及青海長城、長寧遺址和寺溝遺址保護區(qū)部分工程建設(shè)方案意見的函》提出的指導意見，長城沉降值需盡可能減小，不能超過5mm的限制.使用CRD法進行下穿施工引起的長城沉降為4.98mm，能夠滿足控制古長城沉降、保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的施工要求，故CRD法為軟弱圍巖地區(qū)隧道下穿古長城綜合效益最高的施工方法.