特大跨隧道在雙側壁島坑法施工下的數(shù)值模擬

李海鵬，彭 輝

（1.長沙市市政工程有限責任公司，湖南 長沙 410000；2.中鐵第六勘察設計集團有限公司，廣東 廣州 510030）

1 工程概況

深圳市葵涌環(huán)城西路，道路等級為城市快速路，設計速度80 km/h，道路標準寬度24 m，雙向六車道。在比亞迪小區(qū)西側設置連拱隧道穿越山體，隧道全長753 m。暗挖隧道淺埋偏壓，隧址區(qū)洞口段穿越砂性粘質土、全風化花崗巖，洞身段主要穿越全風化、強風化花崗巖層，圍巖等級為V 級，開挖跨度達分別達到20 m，屬特大跨度隧道。

對K2+040～K2+210 段Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段，襯砌采用二層初期支護+二次襯砌結構。初支系統(tǒng)錨桿采用D25 中空注漿錨桿，L=4.5 m，縱、環(huán)向間距50 cm×100 cm 梅花型布置；第一層采用C25 噴射混凝土厚30 cm、I25a 工字鋼，縱向間距50 cm，第二層采用C25 噴射混凝土厚20 cm、φ25 格柵鋼架，縱向間距50 cm。二次襯砌采用70 cm 厚C35 防水鋼筋混凝土。隧道內(nèi)輪廓見圖1。

圖1 隧道內(nèi)輪廓（單位：cm）

2 數(shù)值模擬

2.1 模型及邊界條件

巖土本構模型：Mohr-Coulomb。

數(shù)值模型范圍選取為：上部取至地表，下部取至隧道仰拱以下20 m。左右沿左右輔路隧道開挖邊界向兩側擴展30 m，模型縱向計算范圍30 m 的典型區(qū)間。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，上表面為自由面，前方和后方均有垂直其面的約束[1-2]。

計算中，采用4 面體實體單元模擬圍巖，用shell單元模擬初期支護、二次襯砌支護。計算模型中實體單元總數(shù)為48 311，總節(jié)點數(shù)為3 994 個；結構單元總數(shù)為4 360 個，總節(jié)點數(shù)為2 715 個。隧道數(shù)值整體模型見圖2，襯砌結構模型見圖3。

圖2 隧道整體數(shù)值模型

圖3 襯砌結構模型

2.2 開挖模擬

由于本項目二次襯砌主要是作為安全儲備作用[3]，本次重點分析右洞分步開挖對左洞初期支護的影響規(guī)律，以及右洞開挖對地面沉降的影響規(guī)律。

（1）左洞先行施工模擬

隧道整體模型中，左洞先行施工，采用開挖后對模型整體位移清零進行模擬[4]。

（2）右洞淺埋暗挖模擬

對于特大跨的開挖方式及支護工藝，多采用雙側壁導坑法開挖。本次設計吸取雙側壁導坑法成功經(jīng)驗，隧道采用導坑分6 步開挖，左右側導坑先行，而后開挖中部導坑上臺階，最后開挖中部導坑下臺階，初期支護及時封閉、落底[5]。

雙側壁導坑法用于V 級圍巖右線隧道施工，描述如下：一個全斷面中分6 個臺階分步開挖，循環(huán)開挖進尺按3 m 進行，初期支護緊跟掌子面施工，循環(huán)進尺按3 m 進行。左下臺階滯后左上臺階3 m 開挖，右上臺階滯后左下臺階3 m 開挖，右下臺階滯后右上臺階3 m 開挖，中上臺階滯后右下臺階3 m 開挖，中上、中下臺階依次滯后上一臺階3 m 開挖，之后以3 m的循環(huán)進尺依次跟進施工，開挖順序見圖4。

圖4 雙側壁導坑法開挖順序

2.3 初支軸力及位移分析

隨著隧道施工推進，隧道初期支護軸向應力經(jīng)歷了一個先增大，而后增大幅度逐漸減小，最后軸力趨于穩(wěn)定的一個變化過程。由于土體偏壓作用，暗挖隧道拱頂靠近高填土方一側的數(shù)值較大，左隧道拱頂應力在第最后一步開挖后達到最大值10.6 MPa。左洞初期支護軸向應力云圖，見圖5～圖7。

圖5 第1 步開挖支護最大主應力

圖6 第8 步開挖支護最大主應力

圖7 最后一步開挖支護最大主應力

右洞完成分布開挖后，對左洞周圍既有應力會產(chǎn)生二次影響，計算表明左洞隧道拱頂靠近高土方一側的數(shù)值較大，拱頂初期支護最大軸向應力值為10.6 MPa 位于拱頂，最小軸向應力值為5.2 MPa 位于拱腰。

右洞分布開挖完成后，左洞襯砌位移以拱腰處最大為3.57 cm，本隧道考慮了5 cm 的開挖預留變形量，因此說明設計預的留變形量是可以滿足要求的。經(jīng)對左洞初期支護模擬計算，分析整理后得到左洞初期支護計算結果見表1。

表1 計算結果表

2.4 地表沉降及塑性區(qū)分析

由于左洞已完成施工，地面主固結沉降已經(jīng)完成。現(xiàn)模擬右洞，在雙側壁島坑法下對地表沉降的影響。典型的圍巖位移場計算云圖見圖8～圖10。

圖8 第1 步開挖土體位移

圖9 第5 步開挖土體位移

圖10 第12 步開挖土體位移

在模型中設置11 個監(jiān)測點（以隧道右洞中心線為軸心監(jiān)測點，兩邊每隔3 m 各設置一個監(jiān)測點）。右側1 號導坑開挖后，在圍巖自然坍落拱效應下沉降未傳遞到地面。右側2 號導坑開挖后地面沉降基本符合Peck 沉降理論。但是當左側3 號導坑開挖后+6 m、+9 m 處的沉降反而減小，說明左側3 號導坑的開挖對1、2 號導坑地面的沉降有卸載回彈效應。3、4 號導坑的開挖并沒有在上方圍巖產(chǎn)生明顯沉降，一方面是由于左洞完全開挖后的地面沉降漏斗內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過一次固結，其次是由于地面偏壓效應下，開挖產(chǎn)生的應力釋放在偏壓側顯現(xiàn)更顯著。5 號導坑開挖后，基本呈現(xiàn)雙Peck 沉降曲線疊加的曲線圖。6 號導坑的開挖加劇了雙Peck 沉降曲線。當全斷面挖開后，再開挖雙Peck 沉降曲線又會逐漸形成標準的Peck 沉降，如從第8 步開挖道第12 步開挖（最終挖通一個模擬段）。隧道施工完畢后，地表土體最大位移1.35 cm 出現(xiàn)于右洞正上方，根據(jù)沉降云圖變形規(guī)律符合Peck 沉降曲線，緊貼拱頂上覆土體最大位移1.7 cm。雙側壁導坑法開挖對地表圍巖沉降的影響見圖11。

圖11 右洞分步開挖地面沉降圖

開挖后，隧道邊一定范圍內(nèi)的圍巖均會出現(xiàn)塑性區(qū)，見圖12。圖12 中藍色表示圍巖沒有進入塑性屈服狀態(tài)，其它非藍色區(qū)域表示圍巖在隧道開挖過程前后曾經(jīng)或者正在進行塑性屈服狀態(tài)。在隧道施工過程中，選取全斷面初支封閉的第6 步開挖，分析可知各個臺階的掌子面前方2～3 m 范圍內(nèi)將出現(xiàn)塑性區(qū)。

圖12 土體縱向塑性開展分析圖

由于FLAC3D 塑性區(qū)是按照分割單元顯示，我們只需要關注開挖周邊的塑性區(qū)范圍。由監(jiān)測結果可知，隧道周邊圍巖塑性區(qū)范圍基本在3.6～4.6 m 左右，而設計的錨桿長度為4.5 m，可見錨桿能充分發(fā)揮作用，錨桿長度設置合理。

3 計算結果分析

本文對大跨徑隧洞進行數(shù)值模擬（基于FLAC3D），直觀而真實地表現(xiàn)了隧道開挖時所產(chǎn)生的初支應力、初支位移、圍巖地表位移變化情況，并有以下結論：

對于右洞開挖在左洞初期支護上產(chǎn)生的支護軸向應力規(guī)律，雙側壁導坑法和全斷面開挖理論規(guī)律基本一致。根據(jù)有限元模擬的初支總位移可以有效的驗證設計預的留變形量留的是否足夠。

右洞在雙側壁導坑工法下，地表沉降會出現(xiàn)下導坑較上導坑對地表沉降影響更大的規(guī)律。在偏壓工況下，開挖對于地面沉降量在大偏壓側較小偏壓側更明顯。導坑法對地面沉降會產(chǎn)生peck 曲線的疊加效應，但最終沉降曲線滿足peck 沉降理論。通過模擬的塑性區(qū)開展范圍可以有效驗證初支錨桿設計長度是否合理。