不同開挖法對某隧道開挖的圍巖穩(wěn)定性分析

彭?xiàng)钣校?陶 偉， 央金卓瑪， 張 根， 代超強(qiáng)， 張 甫

(西藏大學(xué) 工學(xué)院， 拉薩 850013)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，西藏的發(fā)展也迎來新的機(jī)遇，公路與鐵路的建設(shè)規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，隧道的建設(shè)數(shù)量也在不斷增加。但是在建設(shè)過程中，其地理環(huán)境特殊、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大、深埋隧道在開挖過程中圍巖的變形也更加嚴(yán)重。因此對深埋隧道開挖的變形及圍巖穩(wěn)定性的研究成為西藏隧道開挖重點(diǎn)研究的問題。

深埋隧道的圍巖變形是地下工程開挖過程中經(jīng)常遇到的工程地質(zhì)問題，具體表現(xiàn)為拱頂、仰拱、側(cè)墻變形等，可能帶來的工程問題將會(huì)威脅施工人員安全和財(cái)產(chǎn)損失[1]。在隧道施工過程中，根據(jù)環(huán)境的不同選擇合適的施工開挖方法是很重要的[2]，提前掌握在應(yīng)力場影響下圍巖變形、應(yīng)力變化的規(guī)律，可以判斷圍巖的穩(wěn)定性[3]，能為合理選擇施工方案具有重要意義。數(shù)值計(jì)算是分析隧道穩(wěn)定性的重要手段，代樹林等、楊劍、楊招等用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析隧道開挖圍巖受力變形特征，塑性區(qū)開展情況以及地表沉降的變化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，并對其進(jìn)行了優(yōu)化后的數(shù)值模擬分析[4-6]；朱慶賢、嚴(yán)濤等用ANSYS建立三維有限元模型模擬了全斷面開挖法和上下臺(tái)階開挖法拱頂?shù)某两岛蛧鷰r應(yīng)力變化規(guī)律以及襯砌縱向穩(wěn)定性[7-8]；耿招等、周亞東等、王宇皓等采用 FLAC3D進(jìn)行隧道開挖過程模擬計(jì)算，對圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)展進(jìn)行了對比分析，在既定支護(hù)條件下圍巖的塑性區(qū)變化，豎向位移和橫向位移以及在不同工況隧道開挖對高地應(yīng)力下硬巖應(yīng)力、應(yīng)變和位移的擾動(dòng)進(jìn)行了分析[9-11]。王潤鈺等、候豐等運(yùn)用有限元分析軟件 Plaxis對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道的施工過程開展數(shù)值模擬，分析其隧道圍巖襯砌開挖位移變化[12-13]。前人在隧道開挖過程中的穩(wěn)定性分析方面進(jìn)行了一定的研究，其計(jì)算結(jié)果在隧道施工中發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用。

兩臺(tái)階分步開挖法，在某些圍巖條件下，控制變形是較為有利的。三臺(tái)階開挖法的最大特點(diǎn)在于其取得綜合進(jìn)尺的工效更高，是中國在兩臺(tái)階開挖法的基礎(chǔ)上研究提出。全斷面開挖法進(jìn)尺快，并且有利于圍巖的穩(wěn)定。上述3種方法均在中國不同條件下的工程建設(shè)中起到了積極的作用。

以川藏鐵路色季拉山隧道為研究對象，利用Geo-Studio中的SIGMA/W模塊對鉆孔SJLSZ-1位置處的掌子面分別進(jìn)行三臺(tái)階開挖法、兩臺(tái)階開挖法、全斷面開挖法的數(shù)值模擬，并分析其位置掌子面開挖的應(yīng)力變化及變形情況，從而得出不同開挖法對隧道開挖的圍巖穩(wěn)定性影響。

1 工程概況

色季拉山隧道長37 965 m，位于林芝市巴宜區(qū)境內(nèi)，里程樁號為CK1215+950～CK1255+760。平均海拔3 000 m，最高海拔為山頂5 300 m，最低海拔2 000 m。山體各時(shí)代地層發(fā)育，巖石類型分布龐雜，變質(zhì)巖、沉積巖、巖漿巖在區(qū)內(nèi)均有出露，主要有泥盆系、三疊系的板巖、片巖、片麻巖、大理巖以及侏羅紀(jì)的泥巖等。隧道洞身主要巖層為喜山期花崗巖及閃長巖、加里東期花崗巖，其隧道地區(qū)的地貌主要為構(gòu)造地貌，南部屬于喜馬拉雅山，北部為念青唐古拉山，東部為橫斷山脈，西北部尚存岡底斯山余脈。上覆的第四系覆蓋層主要有冰水沉積、洪坡積和崩塌坡積塊石、碎石、粉質(zhì)黏土、粉砂、沖、洪積粉砂、卵石層，隧道整體主要以III級圍巖為主。色季拉山隧道地質(zhì)如圖1所示。選取鉆孔位置SJLSZ-1圍巖為III級圍巖，圍巖條件較好。

圖1 色季拉山隧道地質(zhì)圖

在鉆孔位置SJLSZ-1進(jìn)行巖性樣品的采集，以便后期進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，確定巖性樣品的參數(shù)，如泊松比、重度等，更好地進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果分析。鉆孔深度巖性分布見表1。

表1 SJLSZ-1鉆孔巖性分布

2 數(shù)值模擬

在建模的過程中，簡化模型和只考慮主要的建模參數(shù)可以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，因此做如下假設(shè)：①不考慮地下水影響，巖體為各項(xiàng)同性介質(zhì)，隧道及圍巖的受力和變形是平面問題；②距設(shè)計(jì)隧道上方最近的巖性主要為閃長巖，此鉆孔位置為達(dá)到隧道開挖的位置，以閃長巖為整個(gè)模型的巖性設(shè)置；③不考慮模型的側(cè)壓系數(shù)。

2.1 模型建立

由圣維南理論[14]可知，隧道洞室與四周圍巖存在一定的擾動(dòng)關(guān)系，即開挖圍巖離隧道洞室越遠(yuǎn)，受影響越小，反之受影響越大。模型橫向考慮5倍洞徑，豎向考慮7倍洞徑。并用Geo-Studio中的SIGMA/W模塊，選用Mohr-Coulomb模型，設(shè)置的數(shù)值模型為52 m×43 m，洞室設(shè)置為圓形，半徑為3.5 m。為了更好地監(jiān)測隧道圍巖在開挖后圍巖的應(yīng)力變化及變形情況，設(shè)置了7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，選定位置隧道開挖的掌子面模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬示意圖及監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

2.2 計(jì)算工況和邊界條件

為了更好地了解不同開挖方法在開挖過程中引起的隧道圍巖應(yīng)力變化并選出較為合適的開挖方法，選取三臺(tái)階開挖法、兩臺(tái)階開挖法、全斷面進(jìn)行數(shù)值模擬分析。開挖順序：均是沿著隧道的中線，由隧道的拱頂向下開挖的距離，每一步開挖后均施加襯砌。全斷面開挖法即一次性全部開挖，并施加襯砌。3種方法開挖工況設(shè)計(jì)見表2。

表2 隧道開挖工況設(shè)計(jì) 單位：m

模型的左邊界和右邊界以及下邊界均設(shè)置為固定XY邊界，模型的上部應(yīng)力條件為巖體的自重產(chǎn)生。

2.3 參數(shù)選取

在鉆孔位置處取得巖性之后，通過距離開挖隧道最近圍巖的閃長巖進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測試試驗(yàn)，并查閱錨桿和混凝土參數(shù)的相關(guān)資料，獲取相關(guān)參數(shù)。其數(shù)值計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力特征分析

為了能更好地分析三臺(tái)階開挖法、兩臺(tái)階開挖法、全斷面開挖法的分步開挖模擬后應(yīng)力的分布情況及影響，得到3種開挖方法完成后隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)分布圖，3種方法開挖后圍巖的最大主應(yīng)力分布狀態(tài)如圖3所示。

圖3 最大主應(yīng)力云圖

3種方法開挖后，隧道圍巖的最大主應(yīng)力主要關(guān)于隧道中線對稱分布，并且最大主應(yīng)力主要分布在隧道的左拱腰以及右拱腰，拱頂以及仰拱的最大主應(yīng)力相對較小，仰拱的主應(yīng)力向下延伸的距離相對隧道拱頂延伸的較短，拱頂?shù)膽?yīng)力延伸到了模型的上部。在分析應(yīng)力主要集中區(qū)的數(shù)值后，繪制成表，見表4。

表4 3種方法開挖后圍巖應(yīng)力集中 部位的應(yīng)力值 單位：kPa

通過分析3種開挖法的應(yīng)力集中區(qū)域數(shù)值，兩臺(tái)階開挖法的應(yīng)力值最大，全斷面開挖法的應(yīng)力值最小。

3.2 位移分析

為了更好地分析圍巖開挖變形情況，除應(yīng)力特征分析，其位移分析也能較好地體現(xiàn)出圍巖變形情況。3種方法開挖后的位移云圖如圖4所示，隧道圍巖的XY位移量近乎呈對稱分布，XY位移量主要集中在隧道的拱頂及仰拱，且仰拱的XY位移量均大于拱頂?shù)腦Y位移量，拱頂位移量均大于24 mm，仰拱位移量均大于28 mm；隧道圍巖左右兩部分的XY位移量是最小的，均小于10 mm。三臺(tái)階法和兩臺(tái)階法拱頂和仰拱的XY位移量均大于全斷面法拱頂和仰拱的XY位移量。

圖4 XY位移云圖

在位移分析中，圍巖開挖XY位移量主要集中在隧道的拱頂及仰拱，其各方法開挖集中位移處的位移量統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 3種方法開挖后圍巖位移集中 部位的位移量 單位：mm

通過分析3種開挖法的XY位移集中區(qū)域數(shù)值，兩臺(tái)階開挖法的位移量數(shù)值最大，全斷面開挖法的XY位移量數(shù)值最小。

3.3 監(jiān)測點(diǎn)分析

對相同的斷面隧道采用三臺(tái)階開挖法、兩臺(tái)階開挖法、全斷面方法對開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，不同開挖法的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖5所示。

圖5 3種方法監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)折線圖

在同一圍巖條件下，3種方法開挖后，7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的最大主應(yīng)力主要集中在左拱腰和右拱腰，兩臺(tái)階開挖法左拱腰為759.83 kPa，右拱腰為829.20 kPa；三臺(tái)階開挖法左拱腰為735.41 kPa，右拱腰為767.72 kPa；全斷面法左拱腰為690.30 kPa，右拱腰為721.17 kPa。對比7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的XY位移量主要集中在隧道左拱腳和右拱腳，其中三臺(tái)階開挖法左拱腳的位移量為30.3 mm，右拱腳的位移量為29.0 mm；兩臺(tái)階開挖法的左拱腳位移量為30.5 mm，右拱腳位移量為29.3 mm；全斷面開挖法的左拱腳位移量為29.9 mm，右拱腳位移量為28.3 mm。

通過監(jiān)測點(diǎn)對比發(fā)現(xiàn)，三臺(tái)階開挖法和兩臺(tái)階開挖法的最大主應(yīng)力數(shù)值均大于全斷面開挖法，且兩臺(tái)階開挖法最大主應(yīng)力數(shù)值大于三臺(tái)階法；三臺(tái)階開挖法和兩臺(tái)階開挖法的最大XY位移量均大于全斷面開挖法，兩臺(tái)階開挖法的最大XY位移量大于三臺(tái)階開挖法。綜合分析對比，在選取圍巖條件下，全斷面開挖法為最優(yōu)，三臺(tái)階開挖法次之，兩臺(tái)階開挖法最差。

4 結(jié)論

以川藏鐵路色季拉山隧道為研究對象，利用Geo-Studio中的SIGMA/W模塊對鉆孔SJLSZ-1位置處的掌子面分別進(jìn)行了三臺(tái)階開挖法、兩臺(tái)階開挖法、全斷面開挖法的數(shù)值模擬，并分析其位置掌子面開挖的應(yīng)力變化及變形情況，從而得出不同開挖法對隧道開挖的圍巖穩(wěn)定性的影響。得到如下結(jié)論：

1)3種方法開挖后，圍巖的最大主應(yīng)力均關(guān)于隧道中線對稱，且分布于隧道的左右拱腰部分，圍巖的XY位移均關(guān)于隧道軸線對稱，且分布于隧道的拱頂和仰拱部分。

2)全斷面開挖法主要集中位置的最大主應(yīng)力和XY位移量相對三臺(tái)階開挖法和兩臺(tái)階開挖法最小，左拱腰為690.30 kPa，右拱腰為721.17 kPa；左拱腳位移量為29.9 mm，右拱腳位移量為28.3 mm。因此，全斷面開挖法對隧道圍巖穩(wěn)定性影響相對三臺(tái)階開挖法和兩臺(tái)階開挖法最小。

3)綜合監(jiān)測點(diǎn)的最大總應(yīng)力與XY位移量，研究位置處隧道開挖方式的選擇順序：全斷面開挖法為最優(yōu)，其次是三臺(tái)階開挖法，最后是兩臺(tái)階開發(fā)法。