硅質(zhì)板巖隧道不同施工進尺圍巖形變特征分析★

趙世明,李 壯,富豐有,楊志全,王英杰,鳳小明，孫 鋒

(1.中鐵七局集團第三工程有限公司,陜西 西安 710000；2.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院云南省高校高烈度地震山區(qū)交通走廊工程地質(zhì)病害早期快速判識與防控重點實驗室，云南 昆明 650093)

硅質(zhì)板巖地層是我國西部地區(qū)一種普遍存在的復(fù)雜地質(zhì)軟巖體地層，該地層具有層理發(fā)育、層間膠結(jié)差及遇水易軟化等典型特點。隧道施工開挖過程中破壞了原始巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖通過變形重新達到應(yīng)力平衡狀態(tài)，不同開挖方式對圍巖應(yīng)力分布及形變區(qū)域的影響是不同的。由于在施工過程中既要加快施工進度，又要保證施工安全性，因此研究硅質(zhì)板巖隧道開挖進尺對圍巖及襯砌的應(yīng)力形變特征分析是具有實際指導(dǎo)意義的。

目前眾多學(xué)者對隧道開挖工法及進尺對圍巖應(yīng)力分布和形變區(qū)域進行研究。李達等[1]提出了針對近圓形隧道開挖過程的時空關(guān)系表達式并提出基于現(xiàn)場位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的參數(shù)計算方法。WANG等[2]以穿越南秦嶺破碎帶某公路隧道為研究目標。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，分析圍巖坍塌機理。雷軍等[3]針對隧道穿越地質(zhì)斷層，分析隧道圍巖的支護結(jié)構(gòu)受力及形變特征，并基于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，修正支護方案，提高隧道施工安全性。許越[4]以大潮高速黃坭權(quán)隧道為例,對施工過程中采用的三臺階七步開挖法進行數(shù)值模擬分析,評估隧道Ⅴ級圍巖開挖過程中隧道力學(xué)行為,對開挖過程中開挖進尺、核心土長度、中下臺階間距提出了合理取值。 孫兆遠等[5]通過總結(jié)柜內(nèi)大斷面隧道施工總結(jié)，論述大斷面隧道施工技術(shù)特點與開挖方法，對隧道開挖方法進行探討。莊寧等[6]對偏壓連拱隧道進行三維有限元分析，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析拱頂沉降、圍巖塑性區(qū)、初襯二襯的應(yīng)力變化規(guī)律得到最優(yōu)開挖方案。但是前人針對強～中風化硅質(zhì)板巖小凈距大斷面隧道開挖進尺選取研究較少，需依托實際案例進一步深入研究強～中風化硅質(zhì)板巖小凈距大斷面隧道施工過程中開挖進尺對于圍巖應(yīng)力分布與位移區(qū)域的影響。

本文依托舊寨隧道工程，采用FLAC3D有限差分數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模擬模型。針對臺階法開挖過程中施工段不同進尺的應(yīng)力分布特征與位移區(qū)域特征，對比實際施工過程中隧道頂拱形變檢測數(shù)據(jù)，獲取施工進尺對應(yīng)力分布及位移區(qū)域影響，為后續(xù)開挖進尺施工方案優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

舊寨隧道為國高網(wǎng)G8012彌勒至楚雄高速公路玉溪至楚雄段(SJ-02標)重要工程，位于云南省玉溪市峨山縣境內(nèi)。舊寨隧道為分離式隧道，隧道區(qū)屬構(gòu)造～剝蝕中山地貌，植被發(fā)育一般，隧道進口段山坡地形坡度約24°～26°，出口段山坡地形坡度約21°～26°，地形較陡，最大相對高差約375 m。隧道區(qū)表層基本為青灰色強風化板巖，下伏基巖主要為青灰色中風化板巖。

如圖1所示為隧道襯砌斷面圖，其中本支護方案適用于Ⅳ級圍巖，錨桿按照梅花形布置，沿徑向設(shè)置，每層14根，各層交錯排布，錨桿長3.5 m 。隧道開挖后做初期支護，控制圍巖變形預(yù)留變形量根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控結(jié)果確定，初噴混凝土厚0.25 m為C25混凝土。Ⅳ級圍巖隧道采用三臺階七步法開挖，主要施工步驟為：①上弧形導(dǎo)坑開挖;②上導(dǎo)坑拱部襯砌初期支護;③兩側(cè)中臺階開挖;④邊墻初期支護;⑤核心土開挖;⑥下部開挖;⑦仰拱初期支護。

2 數(shù)值分析模型

2.1 隧道三維網(wǎng)格模型

隧道最大埋深為375 m，考慮到網(wǎng)格尺寸及數(shù)量對數(shù)值模擬精度影響，簡化隧道頂部巖層，同時為削弱模型邊界的影響，基于圣維南原理，模型邊界取隧道近似圓3倍～5倍為宜[7]，由于考慮到Ⅳ級圍巖隧道開挖過程中實際進尺較小，掌子面每開挖后即進行噴混初襯。為更符合實際施工中隧道開挖，選取模型為長190 m、寬10 m、高90 m。開挖區(qū)域網(wǎng)格加密，隧道噴混初襯采用FLAC3D結(jié)構(gòu)單元中Shell單元構(gòu)建，錨桿采用Cable單元建立。隧道模型如圖2所示。

2.2 模型參數(shù)選取

針對FLAC3D有限差分網(wǎng)格計算需求，針對圍巖選用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型,通過現(xiàn)場巖芯取樣進行單軸壓縮試驗[8]，驗證巖石力學(xué)模擬參數(shù)，單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線對比如圖3所示，巖石破壞前應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為四段即壓密階段、彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，數(shù)值模擬曲線與實際曲線差異較小，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)具有較高準確度。

由于實驗對象為巖石與現(xiàn)場巖體具有差異，根據(jù)相關(guān)規(guī)定[9]選取修正系數(shù)0.8進行隧道圍巖模擬。C25混凝土在整個模擬過程中用于復(fù)現(xiàn)隧道掌子面開挖后初次襯砌，根據(jù)文獻[10]選取參數(shù)具體參數(shù)見表1。錨桿模擬參數(shù)根據(jù)文獻[11]并依托現(xiàn)場情況選取，具體參數(shù)見表2。

表1 圍巖及初襯模擬參數(shù)

表2 錨桿模擬計算參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測及模擬數(shù)據(jù)對比

新奧法隧道施工過程中監(jiān)測頂拱形變是重要的手段，其目的為保證開挖過程圍巖的穩(wěn)定性，并且為二襯施工提供依據(jù)。為驗證模擬準確性結(jié)合現(xiàn)場實際施工進度與模擬進行對比，基于現(xiàn)場施工進程ZK23+845(Ⅳ級圍巖)處開挖支護后拱頂隨時間沉降值，選取2020年11月28日～12月6日時間間隔為兩天與每一次模擬開挖后隧道拱頂沉降值共12步模擬進行對比分析(見圖4)。

由圖4對比可知，數(shù)值模擬前期與實際情況拱頂沉降量重合度較高，隨著隧道的開挖施工，模擬值與實際監(jiān)測值出現(xiàn)明顯差異，但隧道拱頂沉降趨勢模擬值與實際施工監(jiān)測值相同，前期快速變化，中期出現(xiàn)緩慢形變后恢復(fù)初始變化速率，后期拱頂形變趨于穩(wěn)定，拱頂沉降量模擬值與實際檢測值最大差異量為12.24%，且模擬值大于實際檢測值，因此采用FLAC3D及上述參數(shù)模擬舊寨隧道施工過程中拱頂沉降具有較高可信度，可依托FLAC3D進行不同工況下模擬開挖，用于驗證不同施工辦法在隧道施工中的可行性。

3.2 不同進尺情況下隧道拱頂沉降量分析

采用三臺階帶仰拱逐步開挖工法，在確定臺階高度情況下，為研究進尺長度對施工安全及圍巖應(yīng)力應(yīng)變的影響，建立5組計算工況進行研究，因圍巖質(zhì)量較差采用機械開挖，根據(jù)實際情況進尺設(shè)置為實際施工進尺的1 m～5 m進行對比模擬。

根據(jù)前人研究拱頂沉降量是施工圍巖穩(wěn)定性判別的關(guān)鍵因素[12]，因此對1 m進尺每次開挖拱頂中心進行布置監(jiān)測點，其他工況監(jiān)測點位置布置相同，整體隧道開挖后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行提取，處理后得到圖5為不同進尺拱頂監(jiān)測位置形變值區(qū)間。

對比可知隨著開挖進尺的增大，開挖初襯應(yīng)力釋放過程中，拱頂處沉降量增加，且最大沉降點皆位于初始處開挖拱頂中心。但隨著施工的進行，小進尺對隧道圍巖擾動較多，導(dǎo)致隧道拱頂最小形變量增加，大進尺由于破壞應(yīng)力平衡區(qū)域較大，導(dǎo)致隧道最大拱頂形變量增加，因此需根據(jù)圍巖強度情況進行選取施工進尺，通過對模擬結(jié)果分析可知將施工進尺設(shè)置為實際施工2倍時隧道拱頂沉降量較其他進尺差值較小，圍巖較為穩(wěn)定。

3.3 不同進尺情況下隧道剖面應(yīng)力分析

提取不同進尺開挖結(jié)束后最大主應(yīng)力云圖，如圖6所示。通過隧道剖面應(yīng)力云圖可知小凈距大斷面隧道在埋深且無偏應(yīng)力情況下隧道開挖后同斷面應(yīng)力分布相同。

當隧道進尺為1 m時，隧道最大主應(yīng)力分布集中隧道進口第一次開挖處，應(yīng)力集中區(qū)域邊界線呈對數(shù)曲線形態(tài)，隨著開挖進尺的加大，隧道剖面最大主應(yīng)力集中區(qū)域變厚加深且主應(yīng)力增加。當開挖進尺達到4 m后出口處最大主應(yīng)力分布區(qū)域增加。當施工進尺達到5 m時隧道最大主應(yīng)力集中區(qū)呈現(xiàn)兩端集中中部減少情況，隧道圍巖應(yīng)力分布不均，對圍巖穩(wěn)定性影響較大。因此通過隧道剖面最大主應(yīng)力分析，優(yōu)化施工方案進尺應(yīng)在4 m以下。

3.4 不同進尺情況隧道拱頂沉降區(qū)域分析

在隧道施工過程中開挖后立即進行初襯噴混支護，隨著開挖的進行初襯會隨著圍巖形變發(fā)生變形，初襯形變量可作為隧道形變量及開挖過程中圍巖穩(wěn)定情況的重要分析參數(shù)之一。如圖7所示為三維數(shù)值模型在全部按步驟以不同進尺開挖后初襯及錨桿形變云圖，分析可得隨著施工的進行，隧道初襯形變區(qū)域范圍與開挖進尺存在正相關(guān)關(guān)系。小進尺開挖隨多次開挖擾動圍巖但其最大形變區(qū)域多集中于開挖初期。大進尺情況下導(dǎo)致開挖后應(yīng)力釋放區(qū)域增大同時導(dǎo)致拱頂形變區(qū)域增加。

4 結(jié)論

本文以實際工程案例為分析研究對象，采用FLAC3D有限差分軟件對硅質(zhì)板巖小凈距隧道不同開挖進尺下5種工況進行數(shù)值模擬分析，對比不同進尺情況下拱頂沉降、圍巖應(yīng)力及襯砌形變區(qū)域得到主要結(jié)論如下：

1)小凈距大斷面隧道施工開挖過程中，進尺對拱頂沉降存在影響，當進尺較小時對圍巖擾動較多，導(dǎo)致圍巖拱頂最小沉降量增加，當進尺較大時應(yīng)力釋放區(qū)域增大，導(dǎo)致隧道拱頂最大形變量增加。選取開挖進尺需考慮圍巖情況，確定合理范圍。

2)開挖區(qū)域初襯形變區(qū)域受開挖進尺影響，進尺較小時單次應(yīng)力釋放區(qū)域較小，拱頂形變較為集中。進尺較大時單次應(yīng)力釋放區(qū)域增加，固定長度內(nèi)形變分布均勻。為保證初襯安全性開挖進尺不宜過小。

3)圍巖拱頂應(yīng)力隨開挖進尺增加增大，分布趨向無規(guī)律化。開挖進尺過大導(dǎo)致兩端應(yīng)力集中中部應(yīng)力較小，不利于圍巖穩(wěn)定。

4)綜合考慮隧道施工速率、質(zhì)量、形變、應(yīng)力場分布等因素，經(jīng)分析小凈距硅質(zhì)板巖隧道施工步距可提升，進行優(yōu)化施工，加快施工進度。