德勝隧道進(jìn)口段軟弱圍巖施工方案的數(shù)值模擬優(yōu)化

摘要 文章針對(duì)德勝隧道進(jìn)口段軟弱圍巖施工問題，進(jìn)行了數(shù)值模擬的優(yōu)化研究。通過建立合適的數(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了軟弱圍巖的力學(xué)性質(zhì)和變形特點(diǎn)，提出了一種施工方案的數(shù)值模擬優(yōu)化方法。研究結(jié)果表明，該方案能夠有效減小施工風(fēng)險(xiǎn)，提高了工程施工效率，可為類似隧道工程的設(shè)計(jì)和施工提供有益參考。

關(guān)鍵詞 德勝隧道；軟弱圍巖；數(shù)值模擬；優(yōu)化；施工方案

中圖分類號(hào) U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）17-0161-04

0 引言

德勝隧道進(jìn)口段的軟弱圍巖分布廣泛，給施工帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為指導(dǎo)工程建設(shè)，該研究通過建立數(shù)值模型分析軟弱圍巖的力學(xué)響應(yīng)，在比較不同施工方案的基礎(chǔ)上，提出了一整套效果更優(yōu)的施工策略。該策略充分考慮了軟弱圍巖的特性，采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)與開挖控制，可有效減小變形風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全。

1 背景和問題描述

1.1 德勝隧道項(xiàng)目概況

德勝隧道原名云屯堡隧道，位于成蘭鐵路鎮(zhèn)江關(guān)至松潘區(qū)間，該標(biāo)段自松潘縣岷江鄉(xiāng)岷江村起，至安宏鄉(xiāng)德勝堡村止。隧道位于岷江斷裂右側(cè)，總體由南向北進(jìn)行布置。

德勝隧道全長(zhǎng)22 923.419m，為雙線合修隧道，進(jìn)口鄰近岷江村岷江雙線特大橋，距橋臺(tái)臺(tái)尾3.92 m，隧道最大埋深約750 m。隧區(qū)位于四川盆地與青藏高原東側(cè)的地形急變帶，地質(zhì)構(gòu)造分屬由NE的龍門山褶皺斷裂帶，NW—近EW向S凸出的西秦嶺褶皺斷裂帶和近SN向的岷江斷裂帶等組成的川西北“A”字形構(gòu)造。三條斷裂帶均為區(qū)域活動(dòng)斷裂，均具有強(qiáng)震發(fā)震歷史，是我國(guó)青藏高原東部地區(qū)重要的活動(dòng)斷裂帶，亦為控制高原邊界的斷裂帶。

德勝隧道包括巖層的巖性、產(chǎn)狀、厚度等，為隧道工程提供了寶貴的地質(zhì)參考信息。隧道穿越了多個(gè)地質(zhì)時(shí)代的巖層，涉及不同巖性，如砂巖、頁(yè)巖、石灰?guī)r等。巖層的傾角和厚度變化較大，反映了地層經(jīng)歷過強(qiáng)烈的構(gòu)造變動(dòng)。其中，紅色線條標(biāo)示的斷層，揭示此處地殼曾發(fā)生過斷裂錯(cuò)動(dòng)。隧道線路與斷層多處交匯，區(qū)域內(nèi)往往是地質(zhì)條件最復(fù)雜、施工風(fēng)險(xiǎn)最高的路段。巖層破碎帶、高地下水壓力、巖爆、坍塌等都可能給隧道建設(shè)帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，在這些路段施工時(shí)須采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、加固支護(hù)等措施，以確保施工安全和工程質(zhì)量。除斷層外，德勝隧道巖體的物理力學(xué)性質(zhì)與周圍巖層差異較大，在隧道開挖時(shí)可能誘發(fā)局部應(yīng)力集中，引起圍巖變形破壞，需要工程師予以重視。

1.2 軟弱圍巖對(duì)施工的影響

軟弱圍巖具有較低的抗壓強(qiáng)度和剛度，容易受到外部荷載的影響而發(fā)生變形。在隧道施工過程中，地下開挖和支護(hù)工程均會(huì)導(dǎo)致周圍土壤和巖體的變形，可能引發(fā)地表沉降和塌陷，對(duì)周邊建筑和交通造成不利影響。軟弱圍巖的強(qiáng)度差和變形性質(zhì)，使得隧道施工中面臨著隧道坍塌、頂板下沉等風(fēng)險(xiǎn)[1]。這不僅對(duì)施工人員的安全構(gòu)成威脅，還會(huì)導(dǎo)致工程進(jìn)度延誤和額外成本增加。軟弱圍巖需要采取更加復(fù)雜和耗時(shí)的支護(hù)措施，以確保施工的安全進(jìn)行，這可能包括鋼架支撐、注漿固化等技術(shù)，但會(huì)相應(yīng)增加施工的復(fù)雜性和成本。

2 方法和模型建立

2.1 軟弱圍巖力學(xué)性質(zhì)分析

在進(jìn)行軟弱圍巖力學(xué)性質(zhì)分析時(shí)，該文進(jìn)行了野外巖芯采集和室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試了不同巖層的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。野外巖芯采集包括采集不同深度的巖芯樣本，以代表軟弱圍巖的不同層位。室內(nèi)試驗(yàn)則包括巖石抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。同時(shí)，還進(jìn)行了軟弱圍巖的巖石分類和地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，以確定不同巖性和地質(zhì)層位的性質(zhì)差異，這有助于理解軟弱圍巖的變異性和異質(zhì)性[2]。

德勝隧道最大埋深約750 m，隧道圍巖主要為板巖和千枚巖組成。根據(jù)野外勘察，軟弱圍巖廣泛分布于DK220+000至DK224+500區(qū)間，該軟弱圍巖區(qū)平均埋深420 m，延伸長(zhǎng)度約4.5 km。軟弱圍巖的抗壓強(qiáng)度普遍低于25 MPa。

2.2 數(shù)值模擬方法選擇

在該研究中，采用有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）方法，以模擬軟弱圍巖的變形和應(yīng)力分布。

有限元分析是一種廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的數(shù)值模擬方法，它通過將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或材料劃分成小的有限元單元，然后通過數(shù)學(xué)方法模擬每個(gè)單元的行為，從而得出整體系統(tǒng)的行為。對(duì)于軟弱圍巖的研究，有限元分析可用于模擬各種地質(zhì)材料的力學(xué)行為，包括軟弱圍巖等，適用于復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件。

有限元分析可以提供高精度的應(yīng)力和變形分布數(shù)據(jù)，有助于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)軟弱圍巖的響應(yīng)。通過調(diào)整有限元模型的網(wǎng)格密度和材料參數(shù)，可以靈活地適應(yīng)不同情況的軟弱圍巖和施工條件[3]。有限元分析還可以用于模擬不同的支護(hù)方案對(duì)軟弱圍巖的影響，從而幫助優(yōu)化施工方案。

根據(jù)大變形的危害情況，將德勝隧道的軟巖大變形分為輕微、中等及嚴(yán)重三個(gè)等級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2所示：

2.3 模型參數(shù)校準(zhǔn)

進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)收集和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，以獲取軟弱圍巖的物理和力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，包括抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等，這些數(shù)據(jù)是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。通過試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)值模型中的材料參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，包括定義軟弱圍巖的材料模型，如彈塑性模型、本構(gòu)模型等，以及相應(yīng)的參數(shù)。參數(shù)校準(zhǔn)的目標(biāo)是使模型能夠準(zhǔn)確地反映軟弱圍巖的力學(xué)行為。

校準(zhǔn)過程通常涉及試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較，然后根據(jù)差異調(diào)整模型參數(shù)，直到模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符合。這是一個(gè)反復(fù)迭代的過程，需要綜合考慮多個(gè)參數(shù)的影響。一旦模型參數(shù)校準(zhǔn)完成，就可以進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模擬可以包括軟弱圍巖的變形、應(yīng)力分布、支護(hù)結(jié)構(gòu)的效果等，以評(píng)估不同施工方案的效果，并提供相應(yīng)的優(yōu)化建議。

3 數(shù)值模擬優(yōu)化方案

3.1 施工方案設(shè)計(jì)

進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，獲取軟弱圍巖的地質(zhì)信息，包括巖性、斷層分布、地下水情況等。此外，還需收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括軟弱圍巖的力學(xué)參數(shù)和變形性質(zhì)。根據(jù)隧道工程的整體計(jì)劃，將施工過程劃分為不同的階段。考慮軟弱圍巖的特性，需要合理劃分施工的步驟和順序，以最小化地表沉降和隧道變形風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)，包括錨桿、襯砌、注漿等，以確保軟弱圍巖在施工過程中的穩(wěn)定性[4]。支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇和布置應(yīng)基于數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際條件。根據(jù)施工階段和支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選擇合適的施工方法，這可能包括盾構(gòu)施工、鉆孔爆破法、隧道掘進(jìn)機(jī)等，具體選擇應(yīng)充分考慮軟弱圍巖的特性和工程要求。制訂安全預(yù)警和監(jiān)測(cè)計(jì)劃，以監(jiān)測(cè)軟弱圍巖的變形和地表沉降情況，以便及時(shí)采取措施確保施工的安全性和及時(shí)性。

3.2 模擬分析和結(jié)果

模擬顯示，在軟弱圍巖條件下，隧道開挖過程中軟弱圍巖會(huì)發(fā)生較大的變形，表現(xiàn)為巖體擠壓、位移等現(xiàn)象。這些變形特性對(duì)隧道施工的穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)。數(shù)值模擬還揭示了軟弱圍巖中的應(yīng)力分布情況。在開挖過程中，軟弱圍巖會(huì)受到較大的應(yīng)力集中，尤其在隧道的頂部和側(cè)壁。這些應(yīng)力集中區(qū)域可能會(huì)導(dǎo)致巖體的開裂和塌方。

模擬分析包括了不同類型和布置的支護(hù)結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，合理設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效減小軟弱圍巖的變形和應(yīng)力集中，提高了隧道施工的穩(wěn)定性和安全性。模擬還考慮了不同施工進(jìn)度對(duì)軟弱圍巖的影響，較慢的施工進(jìn)度可能會(huì)減小軟弱圍巖的應(yīng)力集中和變形，但也可能導(dǎo)致工程進(jìn)度的延誤。

3.3 優(yōu)化方案提出

在軟弱圍巖區(qū)段，應(yīng)采用合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)，例如錨桿支護(hù)、噴射混凝土、鋼架支撐等。支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮軟弱圍巖的力學(xué)性質(zhì)，以減小變形和應(yīng)力集中。在軟弱圍巖區(qū)段，應(yīng)控制開挖速度，避免過快開挖，以減小軟弱圍巖的應(yīng)力集中和變形。在必要的地方可以采用逐段開挖的方式，以確保施工安全。

在施工過程中，應(yīng)定期監(jiān)測(cè)軟弱圍巖的變形和應(yīng)力情況，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整施工策略。同時(shí)，還應(yīng)及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)潛在問題，確保施工安全。對(duì)于軟弱圍巖區(qū)段的爆破設(shè)計(jì)，應(yīng)進(jìn)行精確的計(jì)算和模擬，以減小爆破對(duì)周圍巖體的影響，降低地表沉降和塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。此外，還應(yīng)合理規(guī)劃施工進(jìn)度，確保施工的穩(wěn)步推進(jìn)，同時(shí)考慮軟弱圍巖的特性，以避免過快施工導(dǎo)致出現(xiàn)其他問題[5]。

針對(duì)正洞大變形段，該文優(yōu)化設(shè)計(jì)了爆破參數(shù)，詳見表3所示。該爆破參數(shù)綜合考慮了大變形圍巖的力學(xué)特性，通過采用減小裝藥量、擴(kuò)大炮眼間距等方式調(diào)整，目的是減輕爆破震動(dòng)，以降低對(duì)軟弱圍巖的擾動(dòng)，防止地表沉降塌陷。

4 結(jié)果與討論

4.1 優(yōu)化方案aGHXazCQSlfhL5ULtgh+GkXCBVKK+FTZzm7dpCIvMVs=的有效性驗(yàn)證

在軟弱圍巖區(qū)段，采用了優(yōu)化的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括錨桿支護(hù)和噴射混凝土。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，這些支護(hù)結(jié)構(gòu)顯著減小了軟弱圍巖的變形和應(yīng)力集中。相對(duì)于傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，軟弱圍巖的變形降低了30%以上，應(yīng)力集中區(qū)域面積減小了20%。

在施工過程中嚴(yán)格控制了開挖速度，并采用了逐段開挖的策略。實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，軟弱圍巖的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中情況，這表明控制開挖速度的策略取得了顯著效果。

采用了精確計(jì)算和模擬的爆破方案，以減小爆破對(duì)周圍巖體的影響。實(shí)際爆破后的地表沉降和塌陷情況與模擬結(jié)果高度一致，表明爆破方案的優(yōu)化在減小地表沉降風(fēng)險(xiǎn)方面取得了成功。通過合理規(guī)劃施工進(jìn)度，按計(jì)劃推進(jìn)工程，未發(fā)生重大的施工延誤。軟弱圍巖條件下的施工進(jìn)展相對(duì)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大的工程風(fēng)險(xiǎn)。

表4顯示了軟弱圍巖區(qū)段在采用優(yōu)化支護(hù)前后變形量的監(jiān)測(cè)結(jié)果。監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)了不同時(shí)間階段的圍巖積累變形量、變形速率參數(shù)。

表4 軟弱圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表

監(jiān)測(cè)參數(shù) 優(yōu)化前 優(yōu)化后

累積最大變形量/mm 35.2 13.1

最大變形速率/（mm/d） 2.8 1.0

變形量減小比例 — 63%

變形速率減小比例 — 64%

從結(jié)果可以看出，新支護(hù)結(jié)構(gòu)使最大變形量由35.2 mm降低至13.1 mm，最大變形速率由2.8 mm/d降低至1.0 mm/d，變形量和變形速率較優(yōu)化前分別減小了63%和64%，變形抑制效果明顯，表明優(yōu)化方案達(dá)到了顯著效果。

4.2 施工風(fēng)險(xiǎn)降低效果

采用錨桿支護(hù)和噴射混凝土等支護(hù)措施，顯著提高了軟弱圍巖的穩(wěn)定性，降低了巖體崩塌的風(fēng)險(xiǎn)，減少了可能對(duì)工程和人員造成的危險(xiǎn)。通過精確計(jì)算和模擬的爆破方案，有效控制了爆破對(duì)地表的影響，減小了地表沉降和塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)于保護(hù)附近建筑物和交通設(shè)施至關(guān)重要。

合理規(guī)劃施工進(jìn)度和控制開挖速度有助于避免施工中的延誤。軟弱圍巖條件下的施工進(jìn)展相對(duì)平穩(wěn)，未出現(xiàn)重大工程停滯，降低了工程推遲的風(fēng)險(xiǎn)。通過減小軟弱圍巖的變形和應(yīng)力集中，改善了工程施工環(huán)境，提高了施工人員的安全性，這對(duì)于保障工程團(tuán)隊(duì)的工作條件至關(guān)重要。

4.3 工程效率提高分析

通過控制施工速度和優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，降低了軟弱圍巖引起的施工延誤風(fēng)險(xiǎn)，縮短了工程的整體施工周期，從而提高了工程效率。合理規(guī)劃施工進(jìn)度，避免了不必要的停工和等待時(shí)間。軟弱圍巖區(qū)段的施工相對(duì)平穩(wěn)，未出現(xiàn)大規(guī)模的停工情況，確保了工程的連續(xù)進(jìn)行。

優(yōu)化方案的實(shí)施使得施工資源更加高效地利用。支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和施工速度的控制減少了資源浪費(fèi)，有助于降低工程成本。通過減小軟弱圍巖的變形和應(yīng)力集中，改善了施工環(huán)境，提高了施工人員的工作效率和舒適度，有助于施工隊(duì)伍保持高效的工作狀態(tài)。

5 存在的局限性和未來研究方向

該研究雖然取得了一定的成果，但仍然存在一些局限性。該研究基于特定項(xiàng)目的數(shù)據(jù)和條件進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果可能不具備普適性。未來研究可以擴(kuò)大研究范圍，考慮更多的地質(zhì)和巖石類型，以增加研究的普適性。

該研究在數(shù)值模擬中采用了一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化，可能未考慮所有可能的復(fù)雜因素。未來研究可以進(jìn)一步細(xì)化模型，考慮更多的影響因素，以提高模擬的精度。該研究主要關(guān)注軟弱圍巖對(duì)施工的影響，未來研究可以深入探討軟弱圍巖的工程治理和加固技術(shù)，以應(yīng)對(duì)軟弱圍巖問題。

6 結(jié)語(yǔ)

該文通過對(duì)德勝隧道進(jìn)口段軟弱圍巖施工問題的數(shù)值模擬進(jìn)行優(yōu)化研究，提出了一種有效的施工方案，該方案在減小施工風(fēng)險(xiǎn)、提高工程效率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著隧道工程的不斷發(fā)展，該研究提出的方法和方案將為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供有益的經(jīng)驗(yàn)和參考，對(duì)于促進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有積極意義。然而，該研究中仍存在一些局限性，未來的研究工作將繼續(xù)深入探討，以進(jìn)一步完善這一領(lǐng)域的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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