隧洞施工誘發(fā)沉降的數(shù)值模擬分析

沈立群，史小詩，熊峻巍

(1. 湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430070； 2. 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072)

鄂北地區(qū)水資源配置工程是以城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水和唐東地區(qū)農(nóng)業(yè)供水為主的一項大型水資源配置工程，可解決鄂北地區(qū)水資源短缺問題，滿足鄂北受水區(qū)生活、生產(chǎn)以及生態(tài)用水需求，是促進(jìn)鄂北地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程。該工程自丹江口水庫清泉溝取水，自西北向東南橫穿鄂北崗地，途徑襄陽、隨州等地，止于孝感王家沖水庫。

隨岳隧洞是鄂北地區(qū)水資源配置工程的眾多隧洞之一，隧洞長0.20 km，進(jìn)口上接張家灣明渠，出口接封江水庫。隧洞沿線地面高程125.09～153.68 m，圍巖為青白口系～震旦系絹云鈉長石英片巖，主要屬V類圍巖，無斷層和破碎帶。隧洞斷面設(shè)計為馬蹄形，斷面凈尺寸為5.8 m×5.8 m。隧洞自西向東下穿隨岳高速公路，其開挖頂部高程距隨岳高速最小距離約為13.0 m。

隨岳高速是按最高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的高速公路，采用上柔下剛復(fù)合式瀝青混凝土路面，在隨岳隧洞施工期無交通斷流條件，而在開挖過程中，由于開挖擾動的影響，可能導(dǎo)致高速公路路面會出現(xiàn)較大沉降，影響交通安全，甚至出現(xiàn)重大安全事故。因此，為確保隧洞施工及高速公路運行安全，有必要研究隧洞施工過程中的地面沉降規(guī)律。本文基于ABAQUS有限元軟件，采用數(shù)值模擬的方法研究了隧洞施工誘發(fā)沉降的相關(guān)問題，對指導(dǎo)類似工程的安全生產(chǎn)有重要意義。

1 數(shù)值分析模型與參數(shù)

1.1 模擬方法

采取CAD/CAE集成分析方法，根據(jù)工程施工圖在CAD軟件中建立整體三維模型，并選取Hypermesh有限元前處理平臺進(jìn)行模型處理和網(wǎng)格劃分，模型完成剖分后導(dǎo)入ABAQUS軟件平臺進(jìn)行模擬分析[1]。

1.2 數(shù)值模型

根據(jù)1.1節(jié)所述方法，建立隨岳隧洞段施工區(qū)域三維有限元模型如圖1所示，隧洞三維支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中覆蓋層、圍巖、噴混、襯砌、公路采用實體單元模擬，鋼筋網(wǎng)、錨桿采用桿單元模擬，鋼拱架采用梁單元模擬，并賦予不同的材料參數(shù)。

模型基礎(chǔ)沿洞軸線方向和垂直洞軸向方向均長90 m，基礎(chǔ)下表面進(jìn)行全約束，四周各面采用法向約束，頂部自由。

圖1 隨岳隧洞段施工區(qū)域三維有限元模型圖

圖2 隨岳隧洞三維支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

計算過程中考慮初始地應(yīng)力平衡過程，為了進(jìn)行開挖施工過程的動態(tài)模擬，利用生死單元法分步移除和添加不同的單元。每一個開挖和支護(hù)循環(huán)為一個計算步，其中襯砌施工步滯后于開挖與支護(hù)施工步，隨岳隧洞施工區(qū)域共分210個計算步。圖3為某開挖支護(hù)循環(huán)的過程示意圖，其他的施工步與該循環(huán)過程相同。

圖3 某開挖支護(hù)循環(huán)的施工過程模擬圖

1.3 計算參數(shù)與工況

本次計算模型均采用線彈性本構(gòu)模型。根據(jù)隨岳隧洞區(qū)域地質(zhì)資料及施工資料，計算中噴混、襯砌和公路采用混凝土材料，鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和錨桿采用鋼筋材料，計算區(qū)域的圍巖均屬于Ⅴ類圍巖。參考背景資料和相似工程[2-5]，圍巖、公路以及噴混、襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)的各項計算參數(shù)如表1所示。

在數(shù)值計算中，為研究隧洞開挖誘發(fā)的地面沉降規(guī)律，計算工況針對施工期的各種情況，考慮襯砌距掌子面距離、開挖進(jìn)尺、斷面開挖方案、拱頂注漿和車輛荷載多種因素的影響，具體工況見表2。

表1 模型計算參數(shù)表

表2 數(shù)值計算工況列表 m

2 隧洞開挖施工期的沉降規(guī)律

以開挖掌子面到達(dá)隨岳高速軸線正下方的第42開挖步作為典型分析步進(jìn)行施工期沉降分析。圖4為施工期隧洞頂拱監(jiān)測點布置示意圖，圖5為路面監(jiān)測點布置示意圖。

2.1 開挖進(jìn)尺的影響

以額定車輛荷載作用、襯砌距掌子面間距為20 m、存在頂拱注漿的全斷面開挖為典型情況，計算開挖進(jìn)尺分別為1、2 m下的沉降量，得到隧洞拱頂各監(jiān)測點、路面監(jiān)測點沉降量受開挖進(jìn)尺的影響曲線，其中1 m開挖進(jìn)尺結(jié)果如圖6所示。

圖4 隧洞頂拱監(jiān)測點布置示意圖

圖5 路面監(jiān)測點布置示意圖

圖6 1 m進(jìn)尺下隧洞頂拱及路面各監(jiān)測點沉降曲線圖

數(shù)值模擬結(jié)果表明，不同開挖進(jìn)尺下的拱頂變形監(jiān)測點、路面變形監(jiān)測點的沉降變化規(guī)律相同：①當(dāng)掌子面尚未到達(dá)監(jiān)測點正下方時，相鄰開挖步之間的沉降量之差較小；當(dāng)掌子面接近路面監(jiān)測點正下方時，相鄰開挖步之間的沉降量之差明顯增大，且在掌子面到達(dá)頂拱監(jiān)測點正下方時，相鄰開挖步之間的沉降量之差會發(fā)生突變。拱頂變形突變是由于開挖荷載引起的，而路面沉降位移突變是開挖和車輛荷載共同作用的結(jié)果；②拱頂和路面不同監(jiān)測點的最終沉降量存在一定差別，前者是由地層不均勻性造成的，后者是因為各監(jiān)測點距隧洞對稱線距離不同導(dǎo)致的，H監(jiān)測點距離對稱線最近，故沉降量最大。

模擬結(jié)果表明當(dāng)施工開挖進(jìn)尺從1 m增加至2 m后，隧洞頂拱測點和路面測點的最終沉降量均有明顯增加。監(jiān)測點A最終沉降量在1 m的開挖進(jìn)尺下為7.70 mm，在2 m的開挖進(jìn)尺下為14.03 mm；監(jiān)測點H最終沉降量在1 m的開挖進(jìn)尺下為4.55 mm，在2 m的開挖進(jìn)尺下為5.83 mm。

2.2 襯砌距掌子面距離的影響

以額定車輛荷載作用、1 m施工進(jìn)尺、考慮頂拱注漿的全斷面開挖為典型情況，計算襯砌距掌子面距離分別為20、10、5 m和無襯砌情況下的施工誘發(fā)沉降，得到隧洞拱頂監(jiān)測點和路面監(jiān)測點沉降曲線，其中路面監(jiān)測點H沉降過程如圖7所示。

圖7 不同襯砌距掌子面距離下路面監(jiān)測點H沉降量

模擬結(jié)果表明隧洞頂拱監(jiān)測點和路面監(jiān)測點的沉降對襯砌距掌子面距離的敏感度相近，兩者受襯砌距掌子面的距離的影響很小，且無襯砌時的沉降值稍大于襯砌距掌子面距離為5、10、20 m的沉降值。隧洞頂拱監(jiān)測點A最終沉降值在7～8 mm浮動；路面監(jiān)測點H的最終沉降值穩(wěn)定在4～5 mm間。

2.3 斷面開挖方案的影響

以額定車輛荷載作用、1 m開挖進(jìn)尺、襯砌距掌子面間距為20 m同時考慮頂拱注漿為典型情況，研究不同斷面開挖方案的影響，包括全斷面開挖和斷面分部開挖。提取隧洞拱頂監(jiān)測點A和路面監(jiān)測點H沉降曲線分別如圖8、圖9所示。

圖8 不同開挖方案下頂拱監(jiān)測點A沉降量

圖9 不同開挖方案下路面監(jiān)測點H沉降量

分析不同開挖方案下各監(jiān)測點的沉降量，研究發(fā)現(xiàn)斷面分部開挖時的沉降變化規(guī)律與全斷面開挖時相同，而最終沉降量小于后者。如圖8和圖9所示，頂拱監(jiān)測A點的最終沉降量在全斷面開挖下為7.70 mm，在斷面分部開挖下減小為5.52 mm；路面監(jiān)測H點的最終沉降量在全斷面開挖下為4.55 mm，在斷面分部開挖下降至3.02 mm。

2.4 拱頂注漿的影響

以額定車輛荷載作用、1 m開挖進(jìn)尺、襯砌距掌子面間距為20 m及全斷面開挖為典型情況，研究拱頂注漿與否對沉降規(guī)律的影響。提取隧洞拱頂監(jiān)測點A和路面監(jiān)測點H受拱頂注漿影響的沉降曲線分別如圖10、圖11所示。

數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)頂拱注漿與否對監(jiān)測點的沉降變化規(guī)律影響較小，但最終沉降量表現(xiàn)出差異。如圖10和圖11所示，拱頂監(jiān)測點A在有頂拱注漿下的最終沉降量為7.70 mm，在無頂拱注漿下為9.68 mm；路面監(jiān)測點H在有頂拱注漿下的最終沉降量為4.55 mm，在無頂拱注漿下為5.60 mm。

圖10 不同拱頂注漿條件下監(jiān)測點A沉降量

圖11 不同拱頂注漿條件下路面監(jiān)測點H沉降量

2.5 車輛荷載的影響

以1 m施工進(jìn)尺、襯砌距掌子面間距為20 m、同時考慮頂拱注漿的全斷面開挖為典型情況，研究車輛荷載對監(jiān)測點沉降量的影響，得到了在不施加荷載、施加額定載重的等效車輛荷載、施加超載100%的等效車輛荷載和施加超載200%的等效車輛荷載4種工況下的隧洞拱頂監(jiān)測點A和路面監(jiān)測點H沉降規(guī)律，分別如圖12、圖13所示。

由圖12和圖13可知：在未施加車輛荷載時，各開挖步的沉降量相同、且隧洞頂拱監(jiān)測點和路面監(jiān)測點的沉降對車輛荷載超載情況的敏感度不同。對于隧洞頂拱監(jiān)測點，其沉降曲線受車輛荷載超載的影響不大，最終沉降值分別為7.41、7.69、7.89 mm和8.08 mm；而對于路面監(jiān)測點，由于車輛荷載直接作用在路面上，其沉降曲線受車輛超載的影響較大，無超載、超載100%和超載200%引起的路面監(jiān)測點沉降突變值分別為1.0、1.6 mm和2.2 mm，最終沉降值分別為3.59、5.16 mm和5.78 mm。

圖12 不同車輛荷載下頂拱監(jiān)測點A沉降量

圖13 不同車輛荷載下路面監(jiān)測點H沉降量

3 隨岳隧洞施工誘發(fā)沉降的影響評價

3.1 沉降變形標(biāo)準(zhǔn)

隨岳隧洞直接下穿隨岳高速公路，為保證高速公路安全穩(wěn)定運行，需嚴(yán)格控制路面沉降量。目前，水利工程施工中尚無隧洞施工誘發(fā)地面沉降量控制方面的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。參考國內(nèi)外有關(guān)隧洞施工引起的地面沉降及洞內(nèi)變形管理標(biāo)準(zhǔn)[6]如表3所示，國內(nèi)現(xiàn)有的城市地鐵施工引起的地面沉降允許值如表4所示。

表3 國內(nèi)外地鐵工程施工量測數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)

表4 地鐵盾構(gòu)施工地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)警值

在地面上沒有建構(gòu)筑物的地段，地面沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一采用國家統(tǒng)一規(guī)定+10～-30 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，參考類似工程并結(jié)合下穿隧洞施工部位隨岳高速公路的重要性，本工程地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)建議取為15 mm。

3.2 沉降變形的影響

選擇隨岳高速為地面沉降變形的主要控制對象。其沉降關(guān)鍵控制點布置在公路軸線與隧洞軸線交點處，即圖5所示路面監(jiān)測點H處。結(jié)合第3節(jié)計算成果整理各工況下關(guān)鍵控制點沉降量如表5所示。研究表明：在施工期各工況下，沉降控制點H的沉降量最大值為5.83 mm，均滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，可以保證路面的安全運行。

表5 不同工況下公路控制點沉降量

目前，隨岳隧洞已建成并安全運行近1年，施工期高速路面實際沉降量與預(yù)測量基本一致，說明本文的模擬分析結(jié)果比較可靠。

4 結(jié) 語

基于隧洞開挖過程的數(shù)值模擬，進(jìn)行了隨岳隧洞開挖誘發(fā)的地面沉降規(guī)律分析，根據(jù)相關(guān)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并參考類似工程經(jīng)驗，對隨岳隧洞下穿隨岳高速的施工開挖影響進(jìn)行綜合評價。主要得到如下結(jié)論：

1)施工期隧洞開挖誘發(fā)沉降量主要可以通過減小開挖進(jìn)尺和襯砌距掌子面距離、采用斷面分部開挖、拱頂灌漿等方案進(jìn)行控制，另外車輛荷載對路面沉降量也產(chǎn)生影響。

2)參考國內(nèi)外有關(guān)隧洞施工引起的地面沉降標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，認(rèn)為各工況下隨岳隧洞施工開挖誘發(fā)的隨岳高速路面沉降均滿足地面沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以保證高速公路的安全穩(wěn)定運行。