不同混凝土厚度對(duì)軟弱圍巖隧道的影響數(shù)值模擬研究

基金項(xiàng)目：廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院橫向課題“巖溶地區(qū)大跨徑公路隧道安全耐久關(guān)鍵技術(shù)服務(wù)”［編號(hào)：X-GL-SHZGS（S）-GUX-TB-05-JS-013］;2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“巖溶缺陷對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響及處治技術(shù)研究”（編號(hào)：2023KY1171）;2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“白云質(zhì)灰?guī)r隧道洞渣在混凝土中的應(yīng)用研究”（編號(hào)：2022KY1120）

作者簡(jiǎn)介：楊 康（1998—），助理工程師，研究方向：橋隧施工技術(shù)研究及管理。

摘要：文章以廣西河池鳳山縣軟弱圍巖隧道為研究對(duì)象，采用有限軟數(shù)值模擬軟件研究Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖在開挖過程中改變初期支護(hù)混凝土厚度時(shí)，隧道拱頂和仰拱的豎向位移變化規(guī)律。結(jié)果表明：隧道的豎向位移與開挖進(jìn)尺呈正相關(guān)關(guān)系，開挖進(jìn)尺越長(zhǎng)，隧道的豎向位移越大；圍巖彈性模量和混凝土厚度均與隧道拱頂和仰拱豎向位移呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，圍巖彈性模量增大和混凝土厚度增加，拱頂和仰拱的豎向位移均減小。

關(guān)鍵詞：軟巖隧道；數(shù)值模擬；有限元；臺(tái)階法；圍巖變形

中圖分類號(hào)：U456.3⁺1

0 引言

在隧道開挖過程中，圍巖本身強(qiáng)度和穩(wěn)定性決定了隧道的開挖方法和施工工藝，控制隧道圍巖沉降變形一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。郝士華等^［1］用Abaqus軟件模擬隧道開挖地表沉降、拱頂沉降和凈空收斂位移場(chǎng)的變化規(guī)律，并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Tie約束與分析步結(jié)合所得數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，可為類似模擬提供參考。彭?xiàng)钣械?sup>［2^］對(duì)比分析兩臺(tái)階開挖法、三臺(tái)階開挖法和全斷面開挖法對(duì)色季拉山隧道開挖的圍巖應(yīng)力何變形的影響。結(jié)果表明：最大主應(yīng)力主要集中在隧道的左拱腰以及右拱腰，全斷面開挖法為此隧道的最優(yōu)開挖方法。李靜等^［3］以廣州火車站-流花路站區(qū)間隧道工程為依托，研究小凈距、大斷面雙洞雙線盾構(gòu)隧道的開挖方法與施工工藝，研究發(fā)現(xiàn)隧道施工步序是施工的重點(diǎn)，合理控制小凈距隧道雙洞的開挖、支護(hù)的步距及順序，盡量減小小凈距隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)及變形，才能保障隧道施工安全。高云等^［4］運(yùn)用有限元方法模擬采用臺(tái)階法、CD法和CRD法等組合開挖，分析不同工法組合開挖對(duì)圍巖的影響。結(jié)果表明：不同工法組合開挖對(duì)隧道沉降影響較大，對(duì)于復(fù)雜的雙線變斷面隧道施工，應(yīng)合理布局工法組合模式，并制定合理的施工開挖順序。袁浩^［5］利用有限元軟件COMSOL研究多隧道開挖過程山體變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)圍巖變形以豎向地表沉降為主，主要在隧道上方和左右兩側(cè)，隧道軸線對(duì)稱兩側(cè)水平與豎直方向的變形規(guī)律相同。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)如何控制圍巖沉降變形做了大量研究，但仍需繼續(xù)深入。本文采用數(shù)值模擬研究隧道圍巖變形與初期支護(hù)混凝土厚度的關(guān)系。

1 工程概況

該隧道位于廣西河池鳳山縣天峨至北海公路段，起點(diǎn)樁號(hào)為ZK76＋165，終點(diǎn)樁號(hào)為ZK79＋542。隧道穿越的地質(zhì)主要以中風(fēng)化巖為主，厚層狀構(gòu)造，巖石較為堅(jiān)硬，節(jié)理裂縫發(fā)育，全長(zhǎng)3 377 m。隧道穿越地段的圍巖等級(jí)為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，采用的主要施工方法為臺(tái)階法。

2 模型尺寸及參數(shù)設(shè)定

本模型采用PLAXIS3D有限元軟件對(duì)廣西河池鳳山縣天峨至北海公路段隧道典型區(qū)段進(jìn)行模擬分析。由彈性力學(xué)的圣維南原理可知，數(shù)值計(jì)算模型的尺寸一般取3～8倍洞跨距離即可消除邊界效應(yīng)^［6-7］。所以本模型建模尺寸選取為60×60×60（x×y×z）m，x為水平方向，y為隧道軸線方向，z為豎直方向，從y軸的正向進(jìn)行開挖。數(shù)值模型如圖1所示。

3 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

圍巖和噴射混凝土的結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表1所示：

4 開挖模擬方案

根據(jù)廣西某公路隧道圍巖段的地勘及設(shè)計(jì)資料，擬定圍巖隧道采用臺(tái)階法進(jìn)行開挖。開挖的計(jì)算模型尺寸、邊界條件和混凝土的力學(xué)參數(shù)相同。為使數(shù)值計(jì)算模型分析簡(jiǎn)化，圍巖材料本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系，模擬圍巖單元采用實(shí)體單元，噴射混凝土采用殼單元進(jìn)行模擬。模型隧道開挖60 m，開挖進(jìn)尺控制為每3 m一個(gè)循環(huán)，開挖后立即初噴混凝土進(jìn)行封閉，對(duì)比分析Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖在初噴混凝土厚度分別為0.2 m、0.25 m和0.3 m時(shí)，隧道開挖過程中拱頂和仰拱的位移變化規(guī)律，并通過專業(yè)繪圖軟件origin繪制出拱頂和仰拱的位移變化規(guī)律圖，研究隧道開挖過程中混凝土厚度和圍巖等級(jí)改變對(duì)隧道拱頂和仰拱的影響。

5 計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

隧道采用臺(tái)階法進(jìn)行開挖，開挖后的豎向位移云圖如圖2所示。從圖2可以看出，隧道的最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂，且呈對(duì)稱性分布，為進(jìn)一步分析隧道開挖進(jìn)尺和混凝土厚度對(duì)隧道沉降的影響，取x＝0 m，y＝0 m，z＝-26 m處拱頂斷面節(jié)點(diǎn)的豎向位移計(jì)算結(jié)果，分別繪制在噴射混凝土為0.2 m時(shí)累積開挖進(jìn)尺與不同圍巖等級(jí)的曲線圖，如圖3所示；以及混凝土厚度與不同圍巖等級(jí)的曲線圖，如圖4所示；取0 m，y＝0 m，z＝-35 m初仰拱斷面節(jié)點(diǎn)的豎向位移計(jì)算結(jié)果繪制混凝土厚度與不同圍巖等級(jí)的曲線圖，如圖5所示。

5.1 不同圍巖等級(jí)和開挖進(jìn)尺對(duì)隧道拱頂豎向位移的影響

從圖3可以看出，在相同圍巖等級(jí)條件下進(jìn)行開挖時(shí)，開挖進(jìn)尺越長(zhǎng)，隧道拱頂?shù)呢Q向位移越大。當(dāng)開挖進(jìn)尺達(dá)到60 m時(shí)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的拱頂豎向位移均達(dá)到最大值，分別為1.182 mm、2.934 mm、3.529 mm。數(shù)據(jù)表明，在相同條件下，圍巖的彈性模量和拱頂?shù)呢Q向位移呈負(fù)相關(guān)，圍巖彈性模量越大，拱頂沉降量越低。且Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖在累積開挖進(jìn)尺分別達(dá)到42 m、48 m、54 m時(shí)，拱頂?shù)呢Q向位移增速逐漸趨于平緩。由此可知，在相同力學(xué)參數(shù)條件下，圍巖彈性模量越大，隧道的拱頂豎向位移收斂越快。

5.2 不同圍巖等級(jí)和混凝土厚度對(duì)隧道拱頂豎向位移的影響

從圖4可以看出，在相同圍巖等級(jí)條件下進(jìn)行開挖時(shí)，混凝土厚度越大，拱頂?shù)呢Q向位移越小。將混凝土厚度從0.2 m提升到0.3 m，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖拱頂?shù)呢Q向位移分別從1.182 mm、2.934 mm、3.529 mm降到1.178 mm、2.924 mm、3.462 mm，降幅分別為0.338%、0.375%、1.90%。從數(shù)據(jù)可以看出，圍巖彈性模量越小，拱頂?shù)呢Q向位移的降低速率也越明顯。從工程實(shí)際和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，該模擬工況條件下的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖地段的混凝土厚度分別宜取0.2 m、0.25 m、0.3 m。

5.3 不同圍巖等級(jí)和混凝土厚度對(duì)隧道仰拱豎向位移的影響

從圖5可以看出，拱頂?shù)呢Q向位移是向下，而仰拱的豎向位移則是向上隆起。圖5中的數(shù)據(jù)表明仰拱的隆起高度隨彈性模量的增大而減小，在混凝土厚度為0.2 m時(shí)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖仰拱的隆起高度分別為1.223 mm、3.042 mm、3.469 mm。而隨著混凝土厚度的增大，仰拱隆起和拱頂沉降規(guī)律相似，隨混凝土厚度的增大，仰拱的隆起高度降低，降幅也越明顯，將混凝土厚度從0.2 m提升到0.3 m，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖仰拱的豎向位移分別從1.223 mm、3.042 mm、3.469 mm降到1.204 mm、2.992 mm、3.386 mm，降幅分別為1.55%、1.64%、2.39%。

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用PLAXIS3D有限元軟件數(shù)值模擬方法，研究了0.2 m、0.25 m和0.3 m三種不同噴射混凝土厚度在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下對(duì)隧道圍巖拱頂和仰拱位移變化的影響，主要結(jié)論如下：

（1）在相同圍巖等級(jí)條件下進(jìn)行開挖時(shí)，隧道的拱頂豎向位移與開挖進(jìn)尺呈正相關(guān)關(guān)系，開挖進(jìn)尺越長(zhǎng)，隧道拱頂?shù)呢Q向位移越大。

（2）在相同條件下，圍巖彈性模量和混凝土厚度均與隧道拱頂和仰拱豎向位移呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，圍巖彈性模量越大和混凝土厚度增加，隧道拱頂和仰拱的豎向位移均減小。混凝土厚度增加，拱頂和仰拱的豎向位移降低幅度也越小。

（3）Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖隨初期支護(hù)混凝土厚度的增加，隧道的拱頂和仰拱的位移變化不明顯，而Ⅴ級(jí)圍巖的拱頂和仰拱位移變化相對(duì)較大。在考慮實(shí)際工程和經(jīng)濟(jì)條件下，本工況條件下的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖地段初期支護(hù)混凝土厚度分別宜為0.2 m、0.25 m、0.3 m。

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收稿日期：2023-04-10