基于數(shù)值模擬的水工隧洞開挖穩(wěn)定性研究

王慶勇，杜 猛，劉揚(yáng)揚(yáng)

（1. 新疆水利發(fā)展投資（集團(tuán)）有限公司,新疆 烏魯木齊 830000；2.南京南瑞水利水電科技有限公司,江蘇南京 210000；3.新疆水利發(fā)展投資（集團(tuán)）有限公司,新疆 烏魯木齊 830000 ）

1 引言

隨著我國工程建設(shè)的快速發(fā)展,隧洞規(guī)模和里程越來越長,隧洞形狀、地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜。其中在山嶺隧洞由于地質(zhì)環(huán)境比較薄弱,是一種極易變形和開裂的隧洞,也是目前國內(nèi)外研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

呂璽琳等[1]基于物理模型試驗(yàn)研究了飽和砂層盾構(gòu)隧洞開挖面穩(wěn)定性。結(jié)果表明,支護(hù)壓力隨開挖面的增大先增大后減小。開挖面的破壞形態(tài)主要是滑動(dòng)和楔形破壞。壽平山[2]基于顆粒流研究了含軟弱夾層邊坡隧洞開挖圍巖穩(wěn)定性。結(jié)果表明,隧洞圍巖的裂隙會(huì)導(dǎo)致軟弱層發(fā)生局部破壞,且拱頂?shù)奈灰骑@著大于拱腳。龔禮岳等[3]基于光滑粒子流研究了隧洞開挖面支護(hù)結(jié)構(gòu)坍塌規(guī)律。結(jié)果表明,其他條件相同時(shí),土體大變形的范圍隨覆蓋層厚度增大而增大,在相同的覆土深度下,大變形的土體范圍和倒灌入隧洞的土體體積隨內(nèi)摩擦角的增大而減小。許有俊等[4]基于數(shù)值模擬和理論方法研究了大斷面矩形頂管隧洞開挖面土體穩(wěn)定性,結(jié)果表明,開挖面前方土體塑性區(qū)的發(fā)展隨支護(hù)應(yīng)力比的增大而擴(kuò)展,當(dāng)開挖面塑性區(qū)延伸至地表時(shí),土體發(fā)生主動(dòng)破壞。張興偉和王超[5]基于三維數(shù)值模擬研究了軟弱隧洞圍巖穩(wěn)定性及地表沉降。結(jié)果表明,拱頂沉降隨曲率增大而減小,在曲率為0.5時(shí)趨于穩(wěn)定。此外,當(dāng)土層界限越過拱底時(shí),圍巖變形和地表沉降影響較大。

本文基于數(shù)值模擬對(duì)比分析采用全斷面法、CD 法和上下臺(tái)階法三種不同開挖方式對(duì)隧洞穩(wěn)定性的影響。

2 工程概況及數(shù)值模型

2.1 工程概況

研究區(qū)地處剝蝕中低山區(qū),隧洞高程介于200 m～800 m,自然坡度為25°。隧洞全長5.4 km,高度約為12.5 m。根據(jù)鉆孔資料揭示,隧洞巖層由上至下主要為第四系坡殘積粉土,崩坡積角礫土。下覆基巖主要為灰?guī)r和砂巖。隧洞圍巖類型為IV 和V 類。實(shí)際工程中,隧洞初襯主為噴射0.3 m 厚度的C30 混凝土,二襯采用厚度為0.4 m 的C40 筑?；炷翆?。

2.2 數(shù)值模型

本文采用FLAC3D 進(jìn)行建模與分析。為減小應(yīng)力波在邊界處的反射對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響,適當(dāng)擴(kuò)大建模范圍,其中模型長度取120 m,高度取80 m,寬度為70 m。最終建立的數(shù)值計(jì)算模型見圖1。

圖1 隧洞模型圖

2.3 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值模擬所采用的計(jì)算參數(shù)主要根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)和既有研究選取。其中巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算,混凝土襯砌采用各向同性線彈性本構(gòu)模型計(jì)算。開挖采用null 空模型,支護(hù)采用殼單元模擬。計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)按照圍巖類型進(jìn)行取值,最終結(jié)果匯總見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證本文數(shù)值模擬的可靠性,首先對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖2 為數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明,數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合,拱頂沉降變形隨開挖時(shí)間的增大而先增大后減小。在開挖時(shí)間小于8 d 時(shí),拱頂沉降保持增大趨勢(shì),當(dāng)開挖時(shí)間大于8 d 時(shí),拱頂位移趨于穩(wěn)定。其中穩(wěn)定后的拱頂沉降值,數(shù)值模擬為10.5 mm,而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值為9.4 mm,模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在20%以內(nèi)。結(jié)果證明本文數(shù)值模擬是合理的。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值對(duì)比

3.2 圍巖位移

為研究開挖方式對(duì)隧洞變形的影響,模擬了不同開挖方式對(duì)隧洞變形的影響見圖3 和圖4。圖3 結(jié)果表明,三種開挖方式得到的隧洞水平位移趨勢(shì)基本相同。其中在拱腰位置產(chǎn)生的位移最大。其中全斷面法和臺(tái)階法得到的水平位移左右對(duì)稱,而CD 法由于開挖從左至右,因此水平位移左側(cè)大于右側(cè)。圖4 為三種不同開挖方式得到的隧洞豎向位移云圖。結(jié)果表明,豎向沉降變形呈對(duì)稱分布,且三種開挖方式得到豎向變形規(guī)律基本一致。但CD 法拱頂和拱頂處的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯小于其他兩種方法。實(shí)際工程中應(yīng)優(yōu)先考慮CD 法開挖。

圖3 隧洞水平位移云圖

圖4 隧洞豎向位移云圖

此外,三種方法得到的隧洞豎向變形最大值均在拱頂處,實(shí)際工程中需著重考慮拱頂變形導(dǎo)致的掉塊。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,采用全斷面開挖拱頂最大沉降和水平位移分別為12.9 mm 和6.3 mm,采用上下臺(tái)階法得到的拱頂最大沉降值和水平位移分別為11.3 mm 和5.7 mm,采用CD 法得到的拱頂最大沉降和水平位移分別為9.8 mm 和5.1 mm?？傮w來看,受開挖方式的影響,隧洞的水平變形和沉降有所不同,CD 法采用左右開挖,可以有效阻止圍巖發(fā)生沉降變形。

圖5 匯總得到不同開挖方式對(duì)拱頂沉降的影響。結(jié)果表明,三種開挖方式對(duì)拱頂沉降的影響規(guī)律一致,均為隨開挖時(shí)間增大而先增大后穩(wěn)定。在開挖時(shí)間為8 d 以內(nèi),拱頂沉降變形速率較大,隨后變形速率減小最終趨于穩(wěn)定。其中初始開挖導(dǎo)致的拱頂沉降占總沉降的70%以上。其他開挖時(shí)段僅占總沉降的30%。采用全斷面法得到的拱頂最終沉降值為12.9 mm,上下臺(tái)階法得到的拱頂最終沉降值11.3 mm,CD 法得到的拱頂最終沉降值為9.8 mm。

圖5 拱頂沉降隨開挖時(shí)間變化

圖6 匯總得到不同開挖方式對(duì)隧洞水平變形的影響。結(jié)果表明,三種開挖方式對(duì)拱頂沉降的影響規(guī)律一致,均為隨開挖時(shí)間增大而先增大后穩(wěn)定。其中初始開挖導(dǎo)致的拱頂沉降占總沉降的70%以上。其他開挖時(shí)段僅占總沉降的30%。

圖6 水平變形隨開挖時(shí)間變化

總而言之,根據(jù)三種開挖方式對(duì)隧洞的水平變形和拱頂沉降影響來看,采用CD 法可以有效減小隧洞變形。因此CD 開挖方式最優(yōu),其次為上下臺(tái)階法,最差的是全斷面開挖法。

3.3 塑性變形

塑性發(fā)展區(qū)是判斷圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。圖7 表明,不同的開挖方式導(dǎo)致的拱底和拱頂均出現(xiàn)不同程度的塑性破壞區(qū)。其中CD 法產(chǎn)生的塑性區(qū)面積最小而全斷面法導(dǎo)致的塑性發(fā)展面積最大。

圖7 開挖方式對(duì)隧洞塑性區(qū)的影響

4 結(jié)論

本文基于FLAC3D 數(shù)值模擬,分別計(jì)算了采用全斷面法、上下臺(tái)階法和CD 法三種不同的開挖方式對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響。得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）拱頂沉降變形隨開挖時(shí)間的增大而先增大后減小。在開挖時(shí)間小于8 d 時(shí),拱頂沉降保持增大趨勢(shì),當(dāng)開挖時(shí)間大于8 d 時(shí),拱頂位移趨于穩(wěn)定。其中穩(wěn)定后的拱頂沉降值,數(shù)值模擬為10.5 mm,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值為9.4 mm,模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在20%以內(nèi)。證明本文數(shù)值模擬是合理的。

（2）用全斷面開挖拱頂最大沉降和水平位移分別為12.9 mm 和6.3 mm,采用上下臺(tái)階法得到的拱頂最大沉降值和水平位移分別為11.3 mm 和5.7 mm,采用CD 法得到的拱頂最大沉降和水平位移分別為9.8 mm 和5.1 mm。根據(jù)隧洞變形,隧洞采用CD 法開挖最優(yōu)。

（3）不同的開挖方式導(dǎo)致拱底和拱頂均出現(xiàn)了不同程度的塑性破壞區(qū)。其中CD 法產(chǎn)生的塑性區(qū)面積最小,全斷面法導(dǎo)致的塑性發(fā)展區(qū)面積最大。