特大跨隧道在雙側(cè)壁島坑法施工下的數(shù)值模擬

李海鵬，彭 輝

（1.長(zhǎng)沙市市政工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)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(jí)為城市快速路，設(shè)計(jì)速度80 km/h，道路標(biāo)準(zhǔn)寬度24 m，雙向六車道。在比亞迪小區(qū)西側(cè)設(shè)置連拱隧道穿越山體，隧道全長(zhǎng)753 m。暗挖隧道淺埋偏壓，隧址區(qū)洞口段穿越砂性粘質(zhì)土、全風(fēng)化花崗巖，洞身段主要穿越全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，圍巖等級(jí)為V 級(jí)，開(kāi)挖跨度達(dá)分別達(dá)到20 m，屬特大跨度隧道。

對(duì)K2+040～K2+210 段Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段，襯砌采用二層初期支護(hù)+二次襯砌結(jié)構(gòu)。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(jiàn)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(gòu)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(kāi)挖邊界向兩側(cè)擴(kuò)展30 m，模型縱向計(jì)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(jì)算中，采用4 面體實(shí)體單元模擬圍巖，用shell單元模擬初期支護(hù)、二次襯砌支護(hù)。計(jì)算模型中實(shí)體單元總數(shù)為48 311，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 994 個(gè)；結(jié)構(gòu)單元總數(shù)為4 360 個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 715 個(gè)。隧道數(shù)值整體模型見(jiàn)圖2，襯砌結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖3。

圖2 隧道整體數(shù)值模型

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)模型

2.2 開(kāi)挖模擬

由于本項(xiàng)目二次襯砌主要是作為安全儲(chǔ)備作用[3]，本次重點(diǎn)分析右洞分步開(kāi)挖對(duì)左洞初期支護(hù)的影響規(guī)律，以及右洞開(kāi)挖對(duì)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(kāi)挖后對(duì)模型整體位移清零進(jìn)行模擬[4]。

（2）右洞淺埋暗挖模擬

對(duì)于特大跨的開(kāi)挖方式及支護(hù)工藝，多采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖。本次設(shè)計(jì)吸取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法成功經(jīng)驗(yàn)，隧道采用導(dǎo)坑分6 步開(kāi)挖，左右側(cè)導(dǎo)坑先行，而后開(kāi)挖中部導(dǎo)坑上臺(tái)階，最后開(kāi)挖中部導(dǎo)坑下臺(tái)階，初期支護(hù)及時(shí)封閉、落底[5]。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法用于V 級(jí)圍巖右線隧道施工，描述如下：一個(gè)全斷面中分6 個(gè)臺(tái)階分步開(kāi)挖，循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺按3 m 進(jìn)行，初期支護(hù)緊跟掌子面施工，循環(huán)進(jìn)尺按3 m 進(jìn)行。左下臺(tái)階滯后左上臺(tái)階3 m 開(kāi)挖，右上臺(tái)階滯后左下臺(tái)階3 m 開(kāi)挖，右下臺(tái)階滯后右上臺(tái)階3 m 開(kāi)挖，中上臺(tái)階滯后右下臺(tái)階3 m 開(kāi)挖，中上、中下臺(tái)階依次滯后上一臺(tái)階3 m 開(kāi)挖，之后以3 m的循環(huán)進(jìn)尺依次跟進(jìn)施工，開(kāi)挖順序見(jiàn)圖4。

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖順序

2.3 初支軸力及位移分析

隨著隧道施工推進(jìn)，隧道初期支護(hù)軸向應(yīng)力經(jīng)歷了一個(gè)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(gè)變化過(guò)程。由于土體偏壓作用，暗挖隧道拱頂靠近高填土方一側(cè)的數(shù)值較大，左隧道拱頂應(yīng)力在第最后一步開(kāi)挖后達(dá)到最大值10.6 MPa。左洞初期支護(hù)軸向應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 第1 步開(kāi)挖支護(hù)最大主應(yīng)力

圖6 第8 步開(kāi)挖支護(hù)最大主應(yīng)力

圖7 最后一步開(kāi)挖支護(hù)最大主應(yīng)力

右洞完成分布開(kāi)挖后，對(duì)左洞周圍既有應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生二次影響，計(jì)算表明左洞隧道拱頂靠近高土方一側(cè)的數(shù)值較大，拱頂初期支護(hù)最大軸向應(yīng)力值為10.6 MPa 位于拱頂，最小軸向應(yīng)力值為5.2 MPa 位于拱腰。

右洞分布開(kāi)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(kāi)挖預(yù)留變形量，因此說(shuō)明設(shè)計(jì)預(yù)的留變形量是可以滿足要求的。經(jīng)對(duì)左洞初期支護(hù)模擬計(jì)算，分析整理后得到左洞初期支護(hù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算結(jié)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(jié)沉降已經(jīng)完成?，F(xiàn)模擬右洞，在雙側(cè)壁島坑法下對(duì)地表沉降的影響。典型的圍巖位移場(chǎng)計(jì)算云圖見(jiàn)圖8～圖10。

圖8 第1 步開(kāi)挖土體位移

圖9 第5 步開(kāi)挖土體位移

圖10 第12 步開(kāi)挖土體位移

在模型中設(shè)置11 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（以隧道右洞中心線為軸心監(jiān)測(cè)點(diǎn)，兩邊每隔3 m 各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）。右側(cè)1 號(hào)導(dǎo)坑開(kāi)挖后，在圍巖自然坍落拱效應(yīng)下沉降未傳遞到地面。右側(cè)2 號(hào)導(dǎo)坑開(kāi)挖后地面沉降基本符合Peck 沉降理論。但是當(dāng)左側(cè)3 號(hào)導(dǎo)坑開(kāi)挖后+6 m、+9 m 處的沉降反而減小，說(shuō)明左側(cè)3 號(hào)導(dǎo)坑的開(kāi)挖對(duì)1、2 號(hào)導(dǎo)坑地面的沉降有卸載回彈效應(yīng)。3、4 號(hào)導(dǎo)坑的開(kāi)挖并沒(méi)有在上方圍巖產(chǎn)生明顯沉降，一方面是由于左洞完全開(kāi)挖后的地面沉降漏斗內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過(guò)一次固結(jié)，其次是由于地面偏壓效應(yīng)下，開(kāi)挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放在偏壓側(cè)顯現(xiàn)更顯著。5 號(hào)導(dǎo)坑開(kāi)挖后，基本呈現(xiàn)雙Peck 沉降曲線疊加的曲線圖。6 號(hào)導(dǎo)坑的開(kāi)挖加劇了雙Peck 沉降曲線。當(dāng)全斷面挖開(kāi)后，再開(kāi)挖雙Peck 沉降曲線又會(huì)逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)的Peck 沉降，如從第8 步開(kāi)挖道第12 步開(kāi)挖（最終挖通一個(gè)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(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖對(duì)地表圍巖沉降的影響見(jiàn)圖11。

圖11 右洞分步開(kāi)挖地面沉降圖

開(kāi)挖后，隧道邊一定范圍內(nèi)的圍巖均會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū)，見(jiàn)圖12。圖12 中藍(lán)色表示圍巖沒(méi)有進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，其它非藍(lán)色區(qū)域表示圍巖在隧道開(kāi)挖過(guò)程前后曾經(jīng)或者正在進(jìn)行塑性屈服狀態(tài)。在隧道施工過(guò)程中，選取全斷面初支封閉的第6 步開(kāi)挖，分析可知各個(gè)臺(tái)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(kāi)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(guān)注開(kāi)挖周邊的塑性區(qū)范圍。由監(jiān)測(cè)結(jié)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(shè)計(jì)的錨桿長(zhǎng)度為4.5 m，可見(jiàn)錨桿能充分發(fā)揮作用，錨桿長(zhǎng)度設(shè)置合理。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本文對(duì)大跨徑隧洞進(jìn)行數(shù)值模擬（基于FLAC3D），直觀而真實(shí)地表現(xiàn)了隧道開(kāi)挖時(shí)所產(chǎn)生的初支應(yīng)力、初支位移、圍巖地表位移變化情況，并有以下結(jié)論：

對(duì)于右洞開(kāi)挖在左洞初期支護(hù)上產(chǎn)生的支護(hù)軸向應(yīng)力規(guī)律，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和全斷面開(kāi)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(yàn)證設(shè)計(jì)預(yù)的留變形量留的是否足夠。

右洞在雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法下，地表沉降會(huì)出現(xiàn)下導(dǎo)坑較上導(dǎo)坑對(duì)地表沉降影響更大的規(guī)律。在偏壓工況下，開(kāi)挖對(duì)于地面沉降量在大偏壓側(cè)較小偏壓側(cè)更明顯。導(dǎo)坑法對(duì)地面沉降會(huì)產(chǎn)生peck 曲線的疊加效應(yīng)，但最終沉降曲線滿足peck 沉降理論。通過(guò)模擬的塑性區(qū)開(kāi)展范圍可以有效驗(yàn)證初支錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度是否合理。