不同擴(kuò)挖工法對隧道初期支護(hù)安全性的影響分析

向武松

(保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510620)

0 引言

交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展和我國相關(guān)土地、交通及環(huán)保等規(guī)劃政策的要求，對已有小斷面隧道的運(yùn)輸能力提出了新課題。小斷面隧道提升自我運(yùn)輸能力，通常一是在附近新建隧道；二是采用擴(kuò)大斷面的方法[1]。擴(kuò)挖工法的優(yōu)點(diǎn)在于可有效快速利用已有的地質(zhì)資料，節(jié)約人力物力；缺點(diǎn)是擴(kuò)挖圍巖將會受到多次擾動，使得隧道圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)安全性能降低[2]。

現(xiàn)有隧道增大交通運(yùn)輸量的科研內(nèi)容多數(shù)集中于擴(kuò)挖方式及圍巖穩(wěn)定性的研究，擴(kuò)挖方式包括周圍擴(kuò)挖、單側(cè)擴(kuò)挖與雙側(cè)擴(kuò)挖等，圍巖穩(wěn)定性方面主要研究埋深、圍巖等級與不良地質(zhì)等對擴(kuò)挖隧道穩(wěn)定性的影響。梁文輝[3]采取礦山法對土質(zhì)隧道進(jìn)行擴(kuò)建，得出相關(guān)土質(zhì)隧道擴(kuò)挖工藝。趙虎生[4]利用有限元分析法計(jì)算擴(kuò)挖隧道周邊收斂及拱頂下沉位移并且得出合理的設(shè)計(jì)方案。倪迪等[5]研究雙側(cè)壁導(dǎo)坑與臺階法兩種爆破方案，得出采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑擴(kuò)挖更為合理與安全。祝巖[6]對比新建隧道與擴(kuò)挖隧道施工的難易程度，得出已有隧道擴(kuò)挖施工更合理。黃俊等[7]將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出考慮松動圈后的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征變化明顯。李海光[8]研究了既有公路隧道擴(kuò)挖時圍巖與初期支護(hù)間的相互作用規(guī)律。

擴(kuò)挖隧道由于地質(zhì)與水文條件等不同，需要動態(tài)調(diào)整施工方法，一般擴(kuò)挖工法采用全斷面擴(kuò)挖(較好圍巖)與臺階法擴(kuò)挖(較差圍巖)；隧道結(jié)構(gòu)方面的研究一般包括圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。

本文工程背景為某小斷面隧道擴(kuò)挖成大斷面隧道，利用有限元差分軟件FLAC建立全斷面擴(kuò)挖與兩臺階擴(kuò)挖數(shù)值模型，針對不同擴(kuò)挖工法的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力與變形分析，采用混凝土設(shè)計(jì)原理相關(guān)知識與容許應(yīng)力法計(jì)算得出安全系數(shù)，評價(jià)不同擴(kuò)挖工法的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，為小斷面隧道擴(kuò)挖成大斷面相關(guān)工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性提供參考。

1 工程概況

某小斷面隧道擴(kuò)挖成大斷面隧道工程，其隧道埋深為50m，原有圓形隧道洞直徑為4.5m，擴(kuò)挖變?yōu)楦?.6m、寬10.0m的隧道。據(jù)相關(guān)的工程資料，圍巖等級為IV級。

全斷面擴(kuò)挖工藝為：整體拆除舊支護(hù)→全斷面擴(kuò)挖一次成型→整體初支施作。兩臺階擴(kuò)挖工藝為(上臺階高度4.0m)：拆除上臺階舊支護(hù)→上臺階擴(kuò)挖→上臺階初支施作→拆除下臺階舊支護(hù)→下臺階擴(kuò)挖→下臺階初支施作。

圍巖由頁巖與石灰?guī)r組成，巖體較為完整，頁巖為強(qiáng)風(fēng)化，石灰?guī)r為中風(fēng)化。隧道擴(kuò)挖過程中設(shè)置控制點(diǎn),對隧道相應(yīng)部位的初期支護(hù)受力以及位移進(jìn)行監(jiān)測，在模擬過程中主動調(diào)整施工方法，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工安全性。

2 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

國內(nèi)外部分學(xué)者認(rèn)為圍巖與初期支護(hù)作為一個整體，共同承受圍巖壓力，而將二次支護(hù)作為安全儲備。本文主要研究對象為施工階段的初期支護(hù)，故模型中未設(shè)置二次支護(hù)。

數(shù)值模擬設(shè)置厚度為32cm的C25噴射混凝土作為初期支護(hù)，基于圣維南原理與平面應(yīng)變問題，隧道影響范圍取3～5倍洞直徑，建立數(shù)值模型為長100m×寬100m×縱1m，隧道埋深50m。圍巖采用理想彈塑性實(shí)體單元，初支采用彈性殼單元，隧道上部邊界自由，左右前后與下部均為法向位移約束，通過提高圍巖參數(shù)采用實(shí)體單元設(shè)置圍巖加固圈，相關(guān)的物理參數(shù)取值見表1。模擬原有隧道舊支護(hù)一次性拆除(1m的舊支護(hù))；全斷面擴(kuò)挖一次爆破成型，兩臺階采取上臺階與下臺階法；施工過程為拆除舊支護(hù)，全斷面擴(kuò)挖與上下臺階擴(kuò)挖。

表1 圍巖與初期支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)取值

3 隧道初期支護(hù)安全性分析

隧道數(shù)值模型設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)為拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與拱底，小斷面隧道與大斷面隧道均為對稱布置，可取左或右部分進(jìn)行分析。隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與拱底部位的圍巖與初期支護(hù)共同變形、共同承擔(dān)荷載，初期支護(hù)的變形與受力可從側(cè)面反映隧道圍巖的實(shí)際受力與變形情況，所以本文主要從初期支護(hù)的內(nèi)力、最大壓應(yīng)力與變形三個方面分析不同擴(kuò)挖工法對隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的影響。

初期支護(hù)為殼單元，可將其視為梁進(jìn)行彈性力學(xué)計(jì)算，彎矩與軸力可利用混凝土設(shè)計(jì)原理相關(guān)公式計(jì)算初期支護(hù)安全系數(shù)；初期支護(hù)最大壓應(yīng)力可利用容許應(yīng)力法計(jì)算初期支護(hù)安全系數(shù)；圍巖與初期支護(hù)共同變形，兩者協(xié)同變形，初期支護(hù)變形大小就可以得出圍巖的實(shí)際情況，初期支護(hù)位移表現(xiàn)為水平擠入、頂部沉降與底部隆起。

通過查閱國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究文獻(xiàn)，了解到隧道采取不同擴(kuò)挖工法將導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性存在差異。本文利用安全系數(shù)與允許變形兩指標(biāo)對施工階段初期支護(hù)的安全性進(jìn)行評價(jià)。

3.1 不同擴(kuò)挖工法下初支的內(nèi)力

隨著隧道擴(kuò)挖施工的進(jìn)行，初期支護(hù)受力特性也在發(fā)生相應(yīng)變化，本文選取拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與拱底等部位進(jìn)行分析。圖1(a)(b)分別為不同擴(kuò)挖工法的初支軸力與彎矩模擬結(jié)果(初支結(jié)構(gòu)左半邊Nx為軸力，單位為N；右半邊Mx為彎矩，單位為N·m)。

圖1 初支軸力與彎矩模擬結(jié)果

表2 不同擴(kuò)挖工法的監(jiān)測點(diǎn)軸力與彎矩

分析不同工法下襯砌的軸力與彎矩，得出：

(1)不同擴(kuò)挖工法的初支軸力均為壓力，軸力峰值均出現(xiàn)于拱腰處，而拱底軸力最?。粌膳_階法擴(kuò)挖的各部位軸力相較于全斷面愈??；不同擴(kuò)挖工法的初支彎矩峰值均出現(xiàn)于拱腳處，兩臺階法擴(kuò)挖的彎矩峰值小于全斷面擴(kuò)挖。

(2)軸力均為壓力說明初支整體受壓，主要破壞形式也表現(xiàn)為受壓破壞，可利用材料抗壓性能對初期支護(hù)是否受壓破壞進(jìn)行判定；初支彎矩峰值出現(xiàn)于拱腳處，是因?yàn)楣澳_處剪應(yīng)力最大且作用力方向反向，表明初支在拱腳處易發(fā)生剪切破壞，可利用材料抗剪性能對初期支護(hù)是否受剪破壞進(jìn)行判定。

(3)對比兩臺階法擴(kuò)挖，全斷面的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與拱底初支軸力分別增大81%、30%、16%、12%與76%；兩臺階法擴(kuò)挖的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與拱底初支彎矩分別為全斷面的11%、83%、67%、94%與555%。

3.2 不同擴(kuò)挖工法下初支的最大壓應(yīng)力

由于初支整體受壓，可對拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與拱底等部位的最大壓應(yīng)力進(jìn)行分析，模擬數(shù)值結(jié)果云圖如圖2所示。

分析不同擴(kuò)挖工法的初支最大壓應(yīng)力得出：

(1)不同擴(kuò)挖工法的最大壓應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在拱腰處，最大壓應(yīng)力的最小值均出現(xiàn)于拱底。整個初支結(jié)構(gòu)主要受壓應(yīng)力作用，對其進(jìn)行施工階段安全評估主要從抗壓性能進(jìn)行評價(jià)，可能出現(xiàn)抗壓破壞。如出現(xiàn)拉應(yīng)力，由于混凝土基本不受拉非常容易受拉破壞，應(yīng)盡可能調(diào)整支護(hù)措施，讓圍巖與初支共同受壓。

(2)兩臺階法擴(kuò)挖的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與拱底初支最大壓應(yīng)力為2.77 MPa、5.50MPa、11.20 MPa、9.98 MPa與2.16 MPa；而全斷面擴(kuò)挖相應(yīng)部位最大壓應(yīng)力為5.03 MPa、7.27 MPa、12.97 MPa、11.12 MPa與3.80 MPa?？梢?，全斷面擴(kuò)挖初支各部位最大壓應(yīng)力明顯大于兩臺階法，原因在于全斷面一次成形，圍巖承擔(dān)較小荷載，施工期間的初支承擔(dān)荷載變大，符合復(fù)合型襯砌支護(hù)的要求。

3.3 不同擴(kuò)挖工法下初支的安全系數(shù)

初支結(jié)構(gòu)安全系數(shù)按兩種方法進(jìn)行計(jì)算：一是將初支按混凝土偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算(規(guī)范法)，二是采用容許應(yīng)力法進(jìn)行求解。由于初支受壓控制，本文以抗壓安全系數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。

圖3為不同擴(kuò)挖工法的初支安全系數(shù)(規(guī)范法與容許應(yīng)力法)。

圖3 不同擴(kuò)挖工法的初支安全系數(shù)

由圖3可知：

(1)從抗壓安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總體分析，拱腰與拱腳的安全系數(shù)較低，最低值均出現(xiàn)于拱腰位置處。若以安全系數(shù)2為臨界值，利用容許應(yīng)力法得出全斷面擴(kuò)挖時拱腰安全系數(shù)為1.93，初支結(jié)構(gòu)可能不滿足安全要求，應(yīng)動態(tài)調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，確保施工階段隧道的安全性。

(2)對比規(guī)范法與容許應(yīng)力法計(jì)算所得的安全系數(shù)結(jié)果，不管是全斷面擴(kuò)挖或兩臺階擴(kuò)挖法，利用規(guī)范法計(jì)算所得的安全系數(shù)均大于容許應(yīng)力法。結(jié)合隧道安全問題，可將容許應(yīng)力法計(jì)算抗壓安全系數(shù)作為主要參考，規(guī)范法作為輔助參考，共同評價(jià)隧道初支結(jié)構(gòu)的安全性。

(3)對比兩臺階法與全斷面擴(kuò)挖的初支抗壓安全系數(shù)，無論是規(guī)范法或容許應(yīng)力法，兩臺階法擴(kuò)挖對應(yīng)各部位的安全系數(shù)均高于全斷面擴(kuò)挖法，是由于全斷面一次成形，圍巖變形不充分導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力增大，使得安全系數(shù)降低。

3.4 不同擴(kuò)挖工法下初支的總變形

由于隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同受力、共同變形，那么初支結(jié)構(gòu)的變形量可以較為直觀地反映圍巖的實(shí)際變形，通過初支的總變形也可以判斷隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

圖4 隧道初支總變形(單位：m)

分析不同擴(kuò)挖工法的隧道初期支護(hù)總變形量可知：

(1)兩種擴(kuò)挖工法的總變形峰值均位于拱底位置處，全斷面擴(kuò)挖的拱底總變形為5.4mm，兩臺階法擴(kuò)挖的拱底總變形為4.4mm。從最大變形量角度分析，兩臺階法擴(kuò)挖優(yōu)于全斷面擴(kuò)挖。

(2)分析兩臺階法擴(kuò)挖與全斷面擴(kuò)挖各部位的總變形，全斷面擴(kuò)挖各部位的總變形量明顯高于兩臺階法擴(kuò)挖，最大總變形均發(fā)生于拱底處，最小總變形均發(fā)生于拱腳處。拱底總變形過大易導(dǎo)致底部隆起破壞，在擴(kuò)挖期間須注意仰拱施工的動態(tài)調(diào)整。

3.5 工程應(yīng)用

針對某大斷面擴(kuò)挖隧道進(jìn)行布點(diǎn)測量。隧道施工方法采用兩臺階法進(jìn)行擴(kuò)挖修建，監(jiān)測項(xiàng)目主要包括初期支護(hù)對應(yīng)位置接觸應(yīng)力與收斂變形，其中初期支護(hù)與圍巖之間布設(shè)預(yù)埋土壓力計(jì)與收斂計(jì)，分別進(jìn)行應(yīng)力與收斂變形的測量。通過相應(yīng)的規(guī)范公式對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出初期支護(hù)應(yīng)力與變形。實(shí)際與模擬結(jié)果見表3與表4。

表3 初支應(yīng)力與變形實(shí)際監(jiān)測結(jié)果

表4 初支應(yīng)力與變形數(shù)值模擬結(jié)果

將實(shí)際監(jiān)控測量數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，誤差在5%～15%誤差范圍即可視為滿足數(shù)值模擬可靠性的要求。對比分析如圖5所示。

圖5 應(yīng)力與變形誤差分析

通過實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果(壓應(yīng)力與收斂變形)對比分析可知：

(1)無論是壓應(yīng)力還是收斂變形，初期支護(hù)對應(yīng)部位的實(shí)際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)結(jié)果均大于模擬結(jié)果，主要是由于實(shí)際工程地形地質(zhì)條件復(fù)雜多變，數(shù)值模擬中并未將未知情況全部考慮，實(shí)際工況一般比模擬工況復(fù)雜，使得實(shí)際數(shù)據(jù)對比模擬結(jié)果更差。但可以通過模擬結(jié)果的變形趨勢得出初期支護(hù)的危險(xiǎn)點(diǎn)，模擬結(jié)果的變化趨勢與實(shí)際結(jié)果的變化趨勢同步。

(2)通過圖5誤差對比分析可見，壓應(yīng)力與收斂變形的誤差均在5%～15%誤差范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的可靠性。

4 結(jié)語

在小斷面擴(kuò)挖成大斷面隧道的背景下，本文通過數(shù)值模擬探究了不同擴(kuò)挖工法對初支安全性的影響，分析初支內(nèi)力、最大壓應(yīng)力、總變形結(jié)果，評價(jià)全斷面擴(kuò)挖和兩臺階法擴(kuò)挖下隧道初支結(jié)構(gòu)的安全性差異，并且分析了實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的差異。主要結(jié)論：

(1)初支軸力峰值均出現(xiàn)于拱腰處，彎矩峰值均出現(xiàn)于拱腳處，兩臺階法擴(kuò)挖的軸力較于全斷面擴(kuò)挖愈小，拱腳處易發(fā)生剪切破壞；最大壓應(yīng)力峰值均出現(xiàn)于拱腰處，全斷面擴(kuò)挖的各部位最大壓應(yīng)力明顯大于兩臺階法擴(kuò)挖；從內(nèi)力與最大壓應(yīng)力角度綜合分析，兩臺階法擴(kuò)挖優(yōu)于全斷面擴(kuò)挖。

(2)拱腰抗壓安全系數(shù)最低，全斷面擴(kuò)挖的拱腰安全系數(shù)小于臨界值(容許應(yīng)力法)，初支不滿足安全要求，應(yīng)動態(tài)調(diào)整，以確保隧道的安全性；從抗壓安全系數(shù)角度分析，兩臺階法擴(kuò)挖優(yōu)于全斷面擴(kuò)挖。

(3)總變形峰值均位于拱底處，全斷面擴(kuò)挖各部位的總變形高于兩臺階法擴(kuò)挖，從總變形角度分析，兩臺階法擴(kuò)挖優(yōu)于全斷面擴(kuò)挖。

(4)對比實(shí)際值，數(shù)值模擬結(jié)果(壓應(yīng)力與收斂變形)具有一定的可靠性。

(收稿日期：2022-06-10)

AnalysisonInfluenceofDifferentExcavationMethodsonSafetyofTunnelInitialSupport

XIANGWusong

(Poly Changda Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510620，Guangdong， China)

Abstract:The numerical model of a small-section tunnel excavated into a large-section tunnel by the full-section and step method has been established by finite difference software, and three aspects of initial support internal force, maximum compressive stress and total deformation have been selected to explore. By means of normative method and the allowable stress, the safety factor of the initial support has been calculated, and the safety difference of the initial support of the tunnel has been studied from the perspectives of internal force, maximum compressive stress, compressive safety factor, total deformation, and actual data comparison. The results have shown that the excavation of the step method is generally better than the excavation of the full section; the initial support of the arch waist, the arch foot and the arch bottom is less secure.

Keywords:tunnel excavation; numerical simulation; initial support; safety factor