基于流固耦合理論下不同開(kāi)挖方式的位移影響分析——以阿嘎下隧道為例*

曹彬 劉海明 郭偉 張延杰 楊志華

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.云南建投基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司 昆明 650500;3.保(山)施(甸)高速公路投資開(kāi)發(fā)有限公司 云南保山 678200)

0 引言

在山區(qū)地質(zhì)較為復(fù)雜的區(qū)域，不可避免地會(huì)出現(xiàn)塌方、突水等一系列問(wèn)題，導(dǎo)致隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中存在較大風(fēng)險(xiǎn)，因此研究不良地質(zhì)隧道的開(kāi)挖方法，對(duì)是否能合理保證隧道的施工進(jìn)度、質(zhì)量以及安全竣工具有重要意義[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道開(kāi)挖方式對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)進(jìn)行了大量研究。徐東強(qiáng)等[3]對(duì)比不同開(kāi)挖方法對(duì)隧道圍巖位移與應(yīng)力的影響，得出雙側(cè)壁導(dǎo)洞法最優(yōu)、預(yù)留核心土法次優(yōu)的結(jié)論；管新邦[4]對(duì)比不同開(kāi)挖方法，結(jié)果表明采用預(yù)留核心土法和臺(tái)階法進(jìn)行施工時(shí)有利于圍巖穩(wěn)定；朱澤兵等[5]利用有限元軟件對(duì)比地表沉降值，分析各方法的優(yōu)劣；朱寶合等[6]利用有限元軟件分析不同開(kāi)挖方法下隧道圍巖位移及應(yīng)力變化，得出最優(yōu)施工方法；張浩等[7]通過(guò)進(jìn)行模擬試驗(yàn)討論了不同開(kāi)挖方式對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)情況?，F(xiàn)有文獻(xiàn)多為針對(duì)不同開(kāi)挖方式對(duì)隧道周?chē)馏w擾動(dòng)的研究，但基于流固耦合理論針對(duì)不同開(kāi)挖方式的圍巖位移變化情況及最優(yōu)施工工況的研究較少。

本文依托阿嘎下隧道，采用有限元midas GTS NX分別模擬CRD開(kāi)挖法、三臺(tái)階開(kāi)挖法、環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法在左右線同步開(kāi)挖并考慮流固耦合工況下圍巖位移的變化情況，通過(guò)控制變量法分別模擬開(kāi)挖間距為1d～5d(d為隧道凈寬)時(shí)不同注漿圈厚度下地表沉降量，確定開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性影響相對(duì)較小且開(kāi)挖方式經(jīng)濟(jì)的選擇，得出最佳開(kāi)挖間距和注漿圈厚度，旨在為其他類(lèi)似隧道施工開(kāi)挖方式的選取提供參考。

1 模型的建立

本文依托阿嘎下隧道的工程概況，模擬隧道(K19+160)～(K19+300)段，經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化后通過(guò)midas GTS NX建立三維模型，模型圍巖等級(jí)為V級(jí)強(qiáng)風(fēng)化糜棱巖。針對(duì)裂隙水發(fā)育及巖體破碎V級(jí)圍巖，本文分別采用CRD開(kāi)挖法、三臺(tái)階開(kāi)挖法、環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法對(duì)阿嘎下隧道進(jìn)行模擬開(kāi)挖。

模型計(jì)算區(qū)域：隧道平均埋深取35 m，地下水位線高度取95～105 m，為消除邊界條件的影響，從隧道開(kāi)挖區(qū)域向兩側(cè)各取略大于5倍的洞徑，向下取略大于5倍的洞高，向上至地表，模型尺寸橫向長(zhǎng)為240 m，豎向高為116～126 m，縱向沿隧道軸線方向長(zhǎng)為140 m。環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法劃分為359 534個(gè)單元和242 059個(gè)節(jié)點(diǎn)，三臺(tái)階開(kāi)挖法劃分為313 824個(gè)單元和217 210個(gè)節(jié)點(diǎn)，CRD開(kāi)挖法劃分為343 189個(gè)單元和236 369個(gè)節(jié)點(diǎn)。在提取模型數(shù)據(jù)時(shí)，為消除隧道軸線方向邊界影響，提取模型軸向區(qū)間80～100 m段(即模型中心區(qū)間20 m)結(jié)果作為研究依據(jù)，計(jì)算模型如圖1所示，圍巖及隧道襯砌相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。建立的模型為3D，重力方向?yàn)閦軸方向，重力加速度為9.8 m/s2，水的容重取9.8 kN/m3。邊界約束：考慮流固耦合時(shí)[8]，在施加靜力約束的同時(shí)，根據(jù)勘探水位條件，在模型兩側(cè)施加總結(jié)點(diǎn)水頭95～105 m。

圖1 隧道模型網(wǎng)格

表1 阿嘎下隧道物理參數(shù)

阿嘎下隧道在施工過(guò)程中，不可避免地會(huì)造成周?chē)馏w的擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致周?chē)馏w變形。因此，在CRD開(kāi)挖法、三臺(tái)階開(kāi)挖法及環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法3種方式開(kāi)挖過(guò)程中，要加強(qiáng)對(duì)隧道周?chē)_(kāi)挖土體的監(jiān)測(cè)，通過(guò)進(jìn)行開(kāi)挖隧道地表位移監(jiān)測(cè)從而掌握圍巖變形的關(guān)鍵參數(shù)。布置在距兩隧道中心左右各80 m(每2 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))的地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置示意如圖2所示。

2 不同開(kāi)挖方式模擬開(kāi)挖主要步驟

(1)環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法：開(kāi)挖進(jìn)尺為0.6 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為8 m，開(kāi)挖示意如圖3所示。

圖2 地表位移監(jiān)測(cè)示意

(2)CRD開(kāi)挖法：拱部超前支護(hù)→左側(cè)上部開(kāi)挖→左側(cè)上部初期支護(hù)→左側(cè)下部開(kāi)挖→左側(cè)下部初期支護(hù)→右側(cè)上部開(kāi)挖→右側(cè)上部初期支護(hù)→右側(cè)下部開(kāi)挖→右側(cè)下部初期支護(hù)→分段拆除臨時(shí)支護(hù)→仰拱及回填施工→(重復(fù)前述步驟，直到開(kāi)挖結(jié)束)[9]。開(kāi)挖進(jìn)尺為0.6 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為8 m，開(kāi)挖示意如圖4所示。

1—超前支護(hù)；2—上臺(tái)階弧形開(kāi)挖；3—上臺(tái)階初期支護(hù)；4—上臺(tái)階核心土開(kāi)挖；5—中臺(tái)階側(cè)部開(kāi)挖；6—中臺(tái)階初期支護(hù)；7—中臺(tái)階核心土開(kāi)挖；8—下臺(tái)階側(cè)部開(kāi)挖；9—下臺(tái)階初期支護(hù)；10—下臺(tái)階核心土及仰拱開(kāi)挖；11—仰拱初期支護(hù)。圖3 環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法示意

(3)三臺(tái)階開(kāi)挖法：拱部超前支護(hù)→上弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖→上導(dǎo)坑拱部初期支護(hù)→中部開(kāi)挖→邊墻初期支護(hù)→下部開(kāi)挖→下導(dǎo)坑邊墻初期支護(hù)→仰拱及回填施工→邊墻二襯施工→(重復(fù)前述步驟，直到開(kāi)挖結(jié)束)[10-11]。開(kāi)挖進(jìn)尺為0.6 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為8 m，開(kāi)挖示意如圖5所示。

3 考慮流固耦合下阿嘎下隧道圍巖位移影響分析

3.1 CRD開(kāi)挖法地表位移

采用CRD開(kāi)挖法，開(kāi)挖間距分別為1d、2d、3d、4d、5d時(shí)，隧道不同注漿圈左線與右線同步開(kāi)挖地表沉降量如圖6～圖10所示。

1—左側(cè)上部開(kāi)挖；2—左側(cè)下部開(kāi)挖；3—右側(cè)上部開(kāi)挖；4—右側(cè)下部開(kāi)挖。圖4 CRD開(kāi)挖法示意

圖5 三臺(tái)階開(kāi)挖法示意

圖6 CRD法開(kāi)挖間距1d地表沉降量 圖7 CRD法開(kāi)挖間距2d地表沉降量 圖8 CRD法開(kāi)挖間距3d地表沉降量

圖9 CRD法開(kāi)挖間距4d地表沉降量 圖10 CRD法開(kāi)挖間距5d地表沉降量

在考慮流固耦合情況下，對(duì)CRD開(kāi)挖法分析如下：

(1)對(duì)圖6～圖10分析發(fā)現(xiàn)：若開(kāi)挖間距保持不變，0.1d注漿圈引起地表沉降量最大，0.5d注漿圈引起地表沉降量最小，沉降量隨注漿圈的增大而減??；0.3d～0.5d注漿圈的沉降量曲線相差不大，且相對(duì)于0.1d～0.2d注漿圈的沉降量較小，但從低耗能、環(huán)保經(jīng)濟(jì)角度考慮，注漿圈厚度越小越好。綜合考慮，CRD開(kāi)挖法在流固耦合工況下，建議注漿圈范圍在0.3d～0.4d較為適宜。

(2)分析表明：開(kāi)挖間距為1d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-23.5 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-20.2 mm，沉降差為3.3 mm；開(kāi)挖間距為5d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-16.3 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-15.3 mm，沉降差為1 mm。在流固耦合作用下，明顯可以看到隨著開(kāi)挖間距的增加，沉降差從3.3 mm減小至1 mm，充分表明控制好開(kāi)挖間距能減小開(kāi)挖引起的沉降。

3.2 三臺(tái)階開(kāi)挖法地表位移

采用三臺(tái)階開(kāi)挖法，開(kāi)挖間距分別為1d、2d、3d、4d、5d時(shí)，隧道不同注漿圈左線與右線同步開(kāi)挖地表沉降量如圖11～圖15所示。

圖11 三臺(tái)階法開(kāi)挖間距1d地表沉降量 圖12 三臺(tái)階法開(kāi)挖間距2d地表沉降量 圖13 三臺(tái)階法開(kāi)挖間距3d地表沉降量

圖14 三臺(tái)階法開(kāi)挖間距4d地表沉降量 圖15 三臺(tái)階法開(kāi)挖間距5d地表沉降量

在考慮流固耦合情況下，對(duì)三臺(tái)階開(kāi)挖法分析如下：

(1)對(duì)圖11～圖15分析表明：開(kāi)挖間距為1d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-42.8 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-32.4 mm，沉降差為10.4 mm；開(kāi)挖間距為2d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-38.3 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-29.6 mm，沉降差為8.7 mm；開(kāi)挖間距為3d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-33.7 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-26.7 mm，沉降差為7 mm；開(kāi)挖間距為4d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-30 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-24 mm，沉降差為6 mm；開(kāi)挖間距為5d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-29.6 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-22.9 mm，沉降差為6.7 mm。

(2)在流固耦合工況下，三臺(tái)階開(kāi)挖引起地表沉降較大，但是通過(guò)增加開(kāi)挖間距和注漿圈厚度，地表沉降量從0.1d注漿圈、1d開(kāi)挖間距的-42.8 mm，減小到0.3d注漿圈、3d開(kāi)挖間距的-28.8 mm(減小近32.7%)，減小到0.3d注漿圈、4d開(kāi)挖間距的-25.8 mm(減小近39.7%)，減小到0.5d注漿圈、5d開(kāi)挖間距的-22.9 mm(減小近46.5%)，表明增加開(kāi)挖間距能有效控制地表沉降。

3.3 環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法地表位移

采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，開(kāi)挖間距分別為1d、2d、3d、4d、5d時(shí)，隧道不同注漿圈左線與右線同步開(kāi)挖地表沉降量如圖16～圖20所示。

在考慮流固耦合情況下，對(duì)環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法分析如下：

(1)對(duì)圖16～圖20分析表明：開(kāi)挖間距為1d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-48.2 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-34.4 mm，沉降差為13.8 mm；開(kāi)挖間距為2d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-43 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-31.5 mm，沉降差為11.5 mm；開(kāi)挖間距為3d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-37.5 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-28.3 mm，沉降差為9.2 mm；開(kāi)挖間距為4d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-33.4 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-25.4 mm，沉降差為8 mm；開(kāi)挖間距為5d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-32.7 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-25.1 mm，沉降差為7.6 mm。

圖16 核心土法開(kāi)挖間距1d地表沉降量 圖17 核心土法開(kāi)挖間距2d地表沉降量 圖18 核心土法開(kāi)挖間距3d地表沉降量

圖19 核心土法開(kāi)挖間距4d地表沉降量 圖20 核心土法開(kāi)挖間距5d地表沉降量

(2)在流固耦合工況下，環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法引起地表沉降較大，但是通過(guò)增加開(kāi)挖間距和注漿圈厚度，地表沉降量從0.1d注漿圈、1d開(kāi)挖間距的-48.2 mm，減小到0.3d注漿圈、3d開(kāi)挖間距的-31.1 mm(減小近35.5%)，再減小到0.3d注漿圈、4d開(kāi)挖間距的-27.8 mm(減小近42.3%)，最后減小到0.5d注漿圈、5d開(kāi)挖間距的-25.1 mm(減小近48%)，表明增加開(kāi)挖間距能有效控制地表沉降。

3.4 不同開(kāi)挖法地表位移對(duì)比

在流固耦合下，通過(guò)對(duì)CRD法、三臺(tái)階法、環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法3種開(kāi)挖方式在不同開(kāi)挖間距工況下的研究發(fā)現(xiàn)，每種開(kāi)挖法在3d～4d開(kāi)挖間距、0.3d注漿圈較為適宜，下面主要對(duì)3種開(kāi)挖法在3d～4d開(kāi)挖間距、0.3d注漿圈時(shí)的地表沉降量進(jìn)行分析，如圖21、圖22及表2所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于0.3d注漿圈、3d～4d開(kāi)挖間距，CRD法地表沉降量最小，環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法沉降量最大，這是由于CRD開(kāi)挖法有中隔墻支撐，導(dǎo)致沉降量減小，但從施工角度看，CRD法施工過(guò)程較為復(fù)雜，工期較長(zhǎng)，造價(jià)高，除非地質(zhì)條件極差，一般建議不采用CRD法施工。本模擬CRD法開(kāi)挖136步，三臺(tái)階法開(kāi)挖112步，環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法開(kāi)挖140步，環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法開(kāi)挖比三臺(tái)階法、CRD法開(kāi)挖所需步時(shí)長(zhǎng)，最終監(jiān)測(cè)結(jié)果是以步時(shí)結(jié)束為止，導(dǎo)致環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法地表沉降量比三臺(tái)階法在開(kāi)挖間距為3d時(shí)大7.4%、4d時(shí)大7.2%，同時(shí)表明圍巖開(kāi)挖完成后，地應(yīng)力荷載未完全釋放，預(yù)留的核心土能有效支撐開(kāi)挖面的穩(wěn)定。為保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定，采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，符合實(shí)際需求。

圖21 不同開(kāi)挖法開(kāi)挖間距3d、注漿圈0.3d地表沉降量

圖22 不同開(kāi)挖法開(kāi)挖間距4d、注漿圈0.3d地表沉降量

表2 不同開(kāi)挖法開(kāi)挖間距3d～4d、注漿圈0.3d地表最大沉降量 mm

4 結(jié)論

(1)研究3種不同開(kāi)挖方式下圍巖地表沉降規(guī)律，結(jié)果表明，隨著注漿圈從0.1d增加至0.5d，3種開(kāi)挖方式地表沉降量均呈減小趨勢(shì)。

(2)在考慮流固耦合工況下，開(kāi)挖間距的增加會(huì)使地表沉降量變小，因此合理增加開(kāi)挖間距能減小地表沉降。

(3)在考慮流固耦合工況下，分析滲流作用對(duì)圍巖地表沉降的影響，建議類(lèi)似阿嘎下隧道工程采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，開(kāi)挖間距為3d、注漿圈為0.3d為宜。

(4)對(duì)于0.3d注漿圈、3d～4d開(kāi)挖間距，CRD開(kāi)挖法引起的地表沉降量最小，環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法引起的沉降量最大。