隧道開挖斷面應(yīng)力變形特性及施工工藝優(yōu)化研究

滕濟(jì)偉

(廣西桂商實(shí)業(yè)投資有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

隨著我國基建設(shè)施的不斷拓展與完善，較多的山區(qū)隧道項(xiàng)目逐漸開工建設(shè)。隧道圍巖穩(wěn)定性關(guān)乎隧道安全施工與長期運(yùn)營，而隧道穩(wěn)定性與圍巖應(yīng)力變形狀態(tài)息息相關(guān)，由隧道圍巖應(yīng)力變形特性分析確定最優(yōu)施工方案或工序是當(dāng)前隧道設(shè)計(jì)的一種重要技術(shù)方法。隧道作為人工開挖結(jié)構(gòu)，在施工過程中需要格外注意圍巖應(yīng)力變形特性，圍巖應(yīng)力變形特性與時間[1]、圍巖級別[2]、圍巖強(qiáng)度參數(shù)[3]等均有一定的聯(lián)系。隧道圍巖穩(wěn)定性分析中，胡夢濤、劉佳等[4-5]采用理論推導(dǎo)方式，計(jì)算獲得隧道應(yīng)力與變形參數(shù)變化特征，為分析隧道開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)、襯砌方式等提供重要依據(jù)。當(dāng)然，相比之下數(shù)值仿真計(jì)算更能夠?yàn)楦咝Ы鉀Q不同施工方案、不同荷載工況等多類型工程提供應(yīng)力變形分析，采用如ANSYS[6]、FLAC 3D[7]等計(jì)算平臺，研究隧道斷面應(yīng)力與變形的發(fā)展趨勢，為工程建設(shè)提供重要參考。本文基于隧道圍巖應(yīng)力變形理論計(jì)算與仿真分析，探討施工工藝優(yōu)化，為工程設(shè)計(jì)提高施工效率及安全穩(wěn)定提供計(jì)算佐證。

1 工程概況

本工程項(xiàng)目位于廣西百色“橫5”高速公路樂業(yè)段，該隧道全長850 m，采用雙洞口進(jìn)出形式，左右進(jìn)出洞口半弧圓點(diǎn)之間的距離為15.2 m，與大地水準(zhǔn)面高程相比，入口設(shè)計(jì)絕對高程達(dá)1 705.25 m，洞口寬度設(shè)計(jì)為17.2 m，洞口高達(dá)4.8 m，隧道支撐錨桿最深處可達(dá)105 m，采用新奧法施工開挖隧道。新奧法施工設(shè)備見圖1。隧道公路出口設(shè)計(jì)為拱跨式，出口高度與入口高度相差不大，絕對高程達(dá)1 704.68 m，內(nèi)部公路設(shè)計(jì)為六車道，按一級高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。隧道開挖采用臺階法施工，超前支護(hù)采用砂漿錨桿，選用φ25 mm錨桿材料，錨桿間距為0.8 m，其鋼筋網(wǎng)架鋪設(shè)φ10 mm鋼筋，間距為0.7 m；隧道開挖設(shè)計(jì)為二級防水，圍巖鋪蓋柔性材料，上、下臺階開挖時確保錨桿預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求[8]。初期支護(hù)要求錨桿具備40%設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力。洞室開挖過程中設(shè)置有注漿導(dǎo)管，鉆孔厚度為3 mm，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

圖1 新奧法施工設(shè)備斷面圖(mm)

該隧道上部為第四紀(jì)季覆蓋土層，并混有中等風(fēng)化程度的砂礫石，隧道開挖下部基巖為石炭系統(tǒng)的含炭灰?guī)r，巖體整體強(qiáng)度普遍較高，承載能力較強(qiáng)，但下伏基巖受開挖爆破影響，巖體含有較多節(jié)理構(gòu)造，部分巖體出現(xiàn)破碎，影響巖體整體強(qiáng)度。隧道流徑內(nèi)主要分布有地下水，存在于基巖上覆土層及基巖孔隙中，地下水位為25.3 m。季節(jié)降水明顯，枯水季節(jié)土層中水分蒸發(fā)散盡；雨水季節(jié)，受大氣降水影響，在含炭灰?guī)r破碎帶及地質(zhì)構(gòu)造帶處會出現(xiàn)較少量的富水區(qū)段。隧道整體受地下水影響較弱。

2 隧道圍巖應(yīng)力變形特征

2.1 應(yīng)力特征

隧道在開挖建設(shè)過程中，造成原有巖體應(yīng)力擾動，在巖石內(nèi)部孔隙重分布作用下達(dá)到平衡后，內(nèi)部應(yīng)力分布稱之為隧道圍巖應(yīng)力。圍巖應(yīng)力一方面受巖體外部荷載及環(huán)境影響，另一方面與巖體自身構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、巖體礦物成分等內(nèi)在因素有關(guān)。計(jì)算圍巖應(yīng)力的方法較多，本文將采用謝家烋理論公式開展本工程項(xiàng)目隧道圍巖應(yīng)力計(jì)算分析。

(a)隧道斷面幾何剖面

(b)計(jì)算模型圖2 謝家烋理論公式簡化模型圖

圖2為謝家烋理論公式的隧道簡化模型。以洞室上端EFGH巖土層理想下滑為前提[9]，但由于圍巖體并不是一個理想的摩擦角滑動，需要根據(jù)具體圍巖分級確定摩擦角θ。同樣，此時巖土層也會受到抗摩擦力T′，阻礙EFGH的下滑，因此在洞口上端HG方向上受到的豎直壓力可認(rèn)為是圍巖豎向壓力。由巖土層理想平衡狀態(tài)建立表達(dá)式，其中豎向壓力為：

G=W-2T′=W-2Tsinθ

(1)

式中：W——BtγH；

Bt——隧道跨徑長。

下滑阻力T與DB條巖土體有關(guān)，DB條巖土體自重可采用式(2)計(jì)算:

(2)

式中：h——計(jì)算巖土體的高度；

β——巖土材料破裂面水平向夾角。

故而得到下滑阻力T計(jì)算式為：

(3)

式中：θ——圍巖體摩擦角；

φ——洞口上部巖體摩擦角。

因而，可獲得巖體在滑移極限平衡狀態(tài)下下滑阻力T的極大值為:

(4)

進(jìn)而獲得圍巖豎向壓力為：

G=W-γh2λtanθ

(5)

其中巖土體高度在隧道開挖過程中可近似認(rèn)為與圍巖頂端巖土層高度一致，故而h≈H，聯(lián)立式(1)～(5)進(jìn)而得到圍巖豎向壓力為：

G=γHBt-γλH2tanθ

(6)

最后，求得圍巖體豎直應(yīng)力為：

(7)

謝家烋理論公式計(jì)算模型中，水平向應(yīng)力計(jì)算較為簡便，采用土體力學(xué)中擋土墻壓力計(jì)算理論可知：

σe=γHλ

(8)

根據(jù)地質(zhì)勘察表明，本工程項(xiàng)目開挖隧道巖體重度為22 kN/m3，洞口寬度設(shè)計(jì)為17.2 m，隧道高度為11.33 m，隧道圍巖為Ⅴ級，巖土材料參數(shù)φ=28°。當(dāng)隧道圍巖體為Ⅵ級時，圍巖體摩擦角θ為9.8°，參照謝家烋理論公式計(jì)算模型，獲得豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力分別為510.387 kPa、257.28 kPa。為驗(yàn)證所計(jì)算的極限應(yīng)力特征值的正確性，采用ABAQUS軟件建立隧道圍巖計(jì)算模型，共獲得網(wǎng)格單元62 582個，節(jié)點(diǎn)數(shù)46 328個，按照隧道洞室特征面分為拱頂、上基準(zhǔn)線斷面與下基準(zhǔn)線斷面。在前述巖土體參數(shù)基礎(chǔ)上，計(jì)算獲得隧道圍巖體豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力，如圖3所示。

(a)豎向應(yīng)力

(b)水平應(yīng)力圖3 豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力仿真計(jì)算數(shù)值解云圖

從圖3可看出，該隧道圍巖體豎向應(yīng)力最大值為509.37 kPa，水平應(yīng)力最大值為258.32 kPa，兩者結(jié)果與理論模型結(jié)果近乎一致，最大誤差均維持在1 kPa左右，表明“橫5”樂業(yè)段隧道工程圍巖應(yīng)力分析可采用ABAQUS數(shù)值仿真解分析。

另一方面，分析圖3中應(yīng)力分布特征可知，隧道圍巖洞室下端應(yīng)力分布區(qū)域弱于上部，隧洞下部水平應(yīng)力分布為34～133 kPa，上部應(yīng)力分布與之有60.5%～90.5%的差距；而豎向應(yīng)力在上、下部差幅可達(dá)82.3%～1.52%倍，表明隧洞圍巖豎向上應(yīng)力分布受上、下工程擾動影響更大?；趪鷰r承載穩(wěn)定性考慮，在施工過程中，圍巖自身具有一定的承載強(qiáng)度，因而開挖過程中，可在一定程度上利用圍巖洞室的自我承載力進(jìn)行施工支護(hù)，節(jié)省施工錨桿的工期。

2.2 變形特征

在施工過程中設(shè)置圍巖變形監(jiān)測計(jì)，采集圍巖變形特征值。該隧道工程開挖時間從2015-02-01開始，至2015年4月底結(jié)束第一階段開挖。本文為分析方便，以圍巖2015-02-08至2015-04-04的監(jiān)測數(shù)據(jù)為分析對象。且由于變形監(jiān)測計(jì)分布在隧道圍巖各個區(qū)域，本文以隧道圍巖斷面中部變形監(jiān)測計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4為采用三臺階七步法開挖施工過程中危險(xiǎn)斷面處拱頂沉降累積曲線與沉降速率曲線。從圖4可看出，隨著時間推移，拱頂沉降速率逐漸降低，2月13日拱頂變形速率為1.5 mm/d，而在3月5日變形速率僅為0.48 mm/d，整體上變形速率在減小。從變形速率的變化趨勢來看，其經(jīng)歷了“三降”過程，分別發(fā)生于初始開挖、2月23日、3月10日這三個時間節(jié)點(diǎn)，與三臺階施工進(jìn)度相一致，這表明每一次臺階開挖都會導(dǎo)致拱頂變形速率下降。自3月20日以后，即施工40 d后，拱頂沉降速率逐漸降低至0 mm/d，沉降量累計(jì)值也逐漸達(dá)到飽和值154 mm，全過程變形分布為20～154 mm，在開挖30 d之后，沉降量累計(jì)值已達(dá)到150 mm，占最終沉降量飽和值的90.3%，表明該隧道圍巖拱頂沉降變形主要集中在施工前1個月內(nèi)?；谧钚《朔〝M合出拱頂沉降量累計(jì)曲線與時間的冪函數(shù)關(guān)系，其表達(dá)式如下：

y=170.47-187.18×0.75x

(9)

式中：y——累計(jì)變形；

x——施工時間。

(a)累計(jì)變形

(b)變形速率圖4 拱頂沉降累計(jì)值曲線與沉降速率曲線圖

圖5為隧道圍巖斷面中部處上、下基準(zhǔn)線變形收斂曲線。從圖中隧道圍巖上基準(zhǔn)線收斂變形曲線可看出，上基準(zhǔn)線收斂速率可分為三個階段：在施工開挖前10 d，基準(zhǔn)線收斂速率逐漸降低至0.2 mm/d，基準(zhǔn)線收斂值逐漸增加，增加量達(dá)6 mm，該階段內(nèi)收斂變形值占整個上基準(zhǔn)線總變形的47.7%；在施工開挖第10～35 d，基準(zhǔn)線收斂速率產(chǎn)生較大波動性，最大和最小變形速率差距可達(dá)0.75 mm/d，該階段內(nèi)基準(zhǔn)線收斂累計(jì)值上升趨勢也較為緩慢，該過程維持25 d，但收斂值僅增長了6 mm；施工第35 d后，上基準(zhǔn)線收斂值逐漸趨于穩(wěn)定，收斂速率也趨近于零。綜合分析可知，斷面上基準(zhǔn)線變形速率在第二臺階開挖時會出現(xiàn)局部速率波動式振幅變化，但其變形速率處于可控狀態(tài)，累計(jì)變形并未超過安全允許值。

(a)上基準(zhǔn)線

(b)下基準(zhǔn)線圖5 上、下基準(zhǔn)線收斂變形及變形速率曲線圖

從圖5隧道圍巖下基準(zhǔn)線收斂速率曲線可看出，從施工開挖至3月5日，收斂速率呈波動性，但整體速率放緩，收斂累計(jì)值達(dá)8 mm，該過程累計(jì)值占總下基準(zhǔn)線飽和收斂變形值的98%。在此之后，下基準(zhǔn)線收斂變形呈飽和狀態(tài)，收斂速率趨于零。對比上、下基準(zhǔn)線斷面上的收斂累計(jì)變形差異可知，在三臺階施工全周期內(nèi)，下基準(zhǔn)線累計(jì)收斂變形分布為1～8.35 mm，累計(jì)最大收斂變形值較上基準(zhǔn)線處最大變形值減少了35.8%，且在三臺階施工各階段中收斂變形值均低于上基準(zhǔn)線斷面。相比之下，下基準(zhǔn)線上收斂變形速率與上基準(zhǔn)線基本一致，表明隧道斷面基準(zhǔn)線上的變形速率與方向一致，不受上、下基準(zhǔn)線影響，但由于上、下基準(zhǔn)線處圍巖變形差異，導(dǎo)致兩者差異體現(xiàn)在變形累計(jì)值。

圖6為典型斷面處拱頂、上基準(zhǔn)線、下基準(zhǔn)線在特征時間點(diǎn)時的變形量占比。在同一特征時間點(diǎn)下，拱頂變形累計(jì)量占比最低，而下基準(zhǔn)線收斂變形累計(jì)占比高于上基準(zhǔn)線。施工第10 d時，下基準(zhǔn)線收斂變形占比已達(dá)到其總變形的60%，而拱頂、上基準(zhǔn)線的收斂變形還未過半，表明同一斷面處不同部位的收斂變形具有階段性變化差異。在施工開挖20～25 d時，下基準(zhǔn)線處收斂累計(jì)變形達(dá)到飽和狀態(tài)，而拱頂、上基準(zhǔn)線分別在第40 d、35 d左右才達(dá)到飽和狀態(tài)，由此表明在施工開挖過程中，拱頂面及上、下基準(zhǔn)線施工工序可以此作為優(yōu)化。

圖6 典型斷面不同區(qū)域變形累計(jì)量占比曲線圖

3 隧道施工工藝優(yōu)化探討

根據(jù)該隧道圍巖應(yīng)力與變形特征值，考慮采用三臺階八步法施工工藝[10]。其中，根據(jù)前文應(yīng)力與變形特征分析知，開挖過程中需要注意臺階寬度與拱頂變形值，因而設(shè)計(jì)施工工藝流程如圖7所示。

圖7 隧道施工優(yōu)化工序流程圖

為此，采用ABAQUS仿真平臺對三臺階八步法施工工藝優(yōu)化后的隧道斷面收斂累計(jì)變形值進(jìn)行計(jì)算，以斷面拱頂處變形為分析對象，如圖8所示。

從圖8(b)中可知，由于施工工藝仍是三臺階法施工，因而拱頂上收斂變形速率仍呈“三階段”變化特征，但各階段變形速率持續(xù)時間有所縮短；另一方面，收斂累計(jì)變形值與時間參數(shù)仍具有冪函數(shù)關(guān)系。第一階段中變形速率下降最快，持續(xù)6 d，該階段最終變形速率為0.5 mm/d，收斂累計(jì)變形達(dá)26 mm，占拱頂全施工周期內(nèi)變形量的27.6%。相比之下，第二階段中收斂變形速率較小，為0.5～2.2 mm/d，持續(xù)時間為7 d，累計(jì)變形增長量為62 mm，該階段內(nèi)所達(dá)到的收斂累計(jì)變形占總體變形量的66%。第三階段中變形速率較穩(wěn)定，最大變形速率為1.33 mm/d，累計(jì)收斂變形基本達(dá)到最大值，處于較“飽和”狀態(tài)。相比七步法施工，八步法施工工藝下拱頂上收斂累計(jì)最大變形值為94 mm，較前者減少了41.4%。且該施工工藝下各個臺階工法施工后，拱頂變形具有穩(wěn)定期，有利于洞室支護(hù)施工；另一方面，變形速率波動幅度較小，收斂累計(jì)變形在第20～25 d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對臺階法工期控制具有正面作用。

(a)累計(jì)變形

(b)變形速率圖8 拱頂累計(jì)變形與變形速率曲線圖(三臺階八步法)

4 結(jié)語

(1)本文基于理論模型計(jì)算與數(shù)值模擬兩種手段，獲得隧道圍巖理論模型與數(shù)值模擬結(jié)果的應(yīng)力特征值基本一致，圍巖豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力最大分別為509.37 kPa、258.32 kPa，且洞室下部應(yīng)力弱于上部。

(2)三臺階七步法施工工藝下，拱頂變形集中在1個月內(nèi)，變形速率為遞減；下基準(zhǔn)線變形累計(jì)值低于上基準(zhǔn)線，但收斂變形速率與上基準(zhǔn)線基本一致；同一特征時間點(diǎn)，拱頂變形累計(jì)量占比最低。

(3)三臺階八步法施工工藝優(yōu)化后，拱頂變形穩(wěn)定性較好，在第20～25 d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，收斂變形累計(jì)最大值較七步法減少了41.4%，有利于控制隧道斷面變形與施工周期。