軟巖隧道受力變形及其穩(wěn)定性受工況影響研究

以中南地區(qū)某在建隧道為研究對(duì)象，應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件，建立了兩種不同工況下的數(shù)值模型，模擬計(jì)算分析了該雙洞隧道在不同施工工況下的穩(wěn)定情況。通過(guò)比較圍巖最大位移、不同截面處塑性區(qū)范圍以及二次襯砌最小安全系數(shù)分析得出，工況一中采用的施工方法與措施對(duì)該隧道的穩(wěn)定性有明顯的良好影響，可見在遵循規(guī)范的前提下，改變調(diào)整施工與開挖方式，可以作為改善隧道穩(wěn)定性情況的有效方法，可供同類型工程建設(shè)參考。

隧道； 開挖方式 ； 塑性區(qū)； 安全系數(shù)； 數(shù)值模擬

U451.+2A

［定稿日期］2023-04-18

［作者簡(jiǎn)介］葉志凌（1991—），男，碩士，工程師，從事隧道工程工作。

［通信作者］賴詩(shī)琪（1998—），女，碩士，從事隧道工程工作。

0 引言

在隧道建設(shè)過(guò)程中，不同的開挖方式與施工措施將會(huì)對(duì)隧道的受力變形以及穩(wěn)定性造成很大的影響［1-2］，所以需要探究在不同的工況下隧道的受力變形及穩(wěn)定情況，來(lái)選擇更優(yōu)的設(shè)計(jì)方法與施工措施。對(duì)工程最后達(dá)到的效果進(jìn)行分析或預(yù)測(cè)，除了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)外，理論分析與數(shù)值模擬都是非常重要的方法，閆春嶺等［3］利用FLAC3D分析了鐵坪山隧道的圍巖穩(wěn)定性，并證明了該方法的有效性。同樣，重慶大學(xué)的姜兆華［4］利用FLAC3D深入分析了基坑開挖對(duì)鄰近隧道和周圍環(huán)境的影響。在研究工程穩(wěn)定性方面，數(shù)值計(jì)算方法往往是比較有效的手段。

本文以中南地區(qū)某在建隧道為背景，采用大型有限差分軟件FLAC3D建立了兩種符合圍巖特征以及施工規(guī)范的工況的數(shù)值模型，將隧道圍巖最大位移、不同截面處塑性區(qū)范圍以及二次襯砌最小安全系數(shù)［5］進(jìn)行比較，對(duì)其受力特征與穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 工程概況

該在建隧道根據(jù)勘察，本標(biāo)段圍巖等級(jí)為V級(jí)。該隧道出口里程為Y9K73+856，地層巖性主要為出洞口段侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組地層泥巖，以軟巖為主，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化帶較厚，層間結(jié)合一般，巖土體較為連續(xù)，如圖1所示。

2 施工工況

隧道的開挖施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、不爆破、快封閉、勤量測(cè)”的原則。對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖而言，其每循環(huán)開挖進(jìn)尺不得大于1榀鋼架間距；Ⅴ級(jí)圍巖段仰拱每循環(huán)開挖進(jìn)尺不得大于3 m，且不得進(jìn)行分幅施作。在遵循規(guī)范原則［6-9］的前提下，本文提出兩種工況進(jìn)行受力情況與穩(wěn)定性的計(jì)算分析比較。

本文隧道為雙洞隧道，涉及的“左”“右”都以面向隧道入口處的左右方向?yàn)闇?zhǔn)。

2.1 工況一

采用地表注漿，在初始地形下進(jìn)行開挖，開挖工法：當(dāng)左洞（先行洞）的開挖開挖進(jìn)尺為0～30 m段，采用預(yù)留核心土臺(tái)階法開挖，而開挖進(jìn)尺為30～50 m段，則采用臺(tái)階法開挖，右洞（后行洞）待左洞開挖至30 m后再進(jìn)行開挖，右洞開挖工法全部采用CRD法開挖。

2.2 工況二

地表不注漿，在實(shí)際地形下進(jìn)行開挖，開挖工法：當(dāng)左洞（先行洞）的開挖進(jìn)尺為0～30 m段，采用預(yù)留核心土臺(tái)階法開挖，而開挖進(jìn)尺為30～50 m段，則采用臺(tái)階法開挖，右洞（后行洞）待左洞開挖至30 m后再進(jìn)行開挖，右洞開挖工法全部采用預(yù)留核心土臺(tái)階法開挖（圖2～圖4）。

3 模型計(jì)算

3.1 建立模型

本文隧道所處地層較為連續(xù)，由于有限差分軟件對(duì)連續(xù)地層的計(jì)算更為準(zhǔn)確、合理，同時(shí)計(jì)算運(yùn)行速度更快，節(jié)省時(shí)間，故而本次數(shù)值計(jì)算將采用有限差分軟件進(jìn)行計(jì)算，選用大型有限差分軟件FLAC3D，計(jì)算求解過(guò)程如圖5所示。

模型水平方向取76 m（x方向），縱向取50 m（y方向），垂直向取60 m（z方向）。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，在模型頂部施加應(yīng)力模擬隧道模型上部土體自重。模型共342 205個(gè)單元，251 512個(gè)節(jié)點(diǎn)。兩種工況圖6、圖7均選取地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行模擬，計(jì)算過(guò)程中采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，初支采用實(shí)體單元模擬，二次襯砌結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，超前支護(hù)加固區(qū)域根據(jù)管棚間距選取等效彈性模量對(duì)土體進(jìn)行二次賦值強(qiáng)化，模型前后左右邊界均為水平向固定，底面采用豎向約束，模型底部為自由面。整個(gè)數(shù)值模擬隧道模型的初始地應(yīng)力狀態(tài)在設(shè)置模型邊界條件之后，通過(guò)solve命令進(jìn)行初始應(yīng)力平衡計(jì)算，生成模型初始應(yīng)力，后續(xù)開挖模擬嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)工法。

圖6、圖7中最上層土體為含碎石的粉質(zhì)黏土，中間土層為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖，最下層土層為中風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖。兩圖中地層模型的建立以及各土層的傾斜坡度等均參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

在建模的同時(shí)，考慮到實(shí)際情況，兩種工況下均選取三個(gè)地形具有代表性的A、B、C截面，其中A截面位于距洞口8 m處，B截面位于距洞口13 m處，C截面位于距洞口23 m處如圖8所示，輸出其土體位移云圖、土體塑性區(qū)圖和整個(gè)隧道的位移云圖等結(jié)果，分析開挖過(guò)程中隧道與地層的變形情況。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取隧道界面上幾個(gè)典型特征點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)，分別位于隧道截面的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與仰拱處，特征點(diǎn)的分布如圖9、圖10所示。

3.2 計(jì)算參數(shù)

據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)地勘資料與施工規(guī)范［6-9］，兩種工況下的圍巖、襯砌主要物理力學(xué)參數(shù)，如表1～表3所示。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

本次計(jì)算的襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算均按照承載能力極限狀態(tài)考慮，以綜合安全系數(shù)法進(jìn)行驗(yàn)算，監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖位移值與截面塑性區(qū)云圖由FLAC3D導(dǎo)出整理得到，二次襯砌安全系數(shù)根據(jù)規(guī)范公式由計(jì)算得出。

4.1 圍巖位移

兩種工況下，各截面所設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖最大位移情況如圖11所示。

4.2 塑性區(qū)云圖

在兩種不同工況下圍巖開挖后，觀察各自A、B、C三截面的塑性區(qū)云圖如圖12～圖17所示。

4.3 最小安全系數(shù)

根據(jù)規(guī)范公式可得兩種工況下各截面二次襯砌的最小安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所列。

4.4 對(duì)比分析

對(duì)比分析可知：

（1）兩種工況下圍巖最大位移在洞口處較大，然后逐漸減小，隨著隧道開挖進(jìn)尺的增加又逐漸呈現(xiàn)增大的現(xiàn)象。工況二最大位移對(duì)比工況一存在偏大現(xiàn)象，說(shuō)明工況二施工條件下隧道更易產(chǎn)生變形。

（2）工況二下隧道截面塑性區(qū)范圍更大，且在便道開挖位置處也出現(xiàn)了少量的分布。

（3）工況二下隧道二次襯砌安全系數(shù)相較于工況一有明顯下降。

5 結(jié)論

本文以中南地區(qū)某在建隧道為研究對(duì)象，采用FLAC3D有限差分軟件分析了兩種不同工況對(duì)隧道的穩(wěn)定性的影響。通過(guò)隧道圍巖位移大小，塑性區(qū)分布范圍，二襯安全系數(shù)等三個(gè)方面綜合對(duì)比工況一和工況二兩種情況可知：

（1）工況二的情況下確實(shí)對(duì)隧道穩(wěn)定性有不良影響，其各項(xiàng)指標(biāo)相較工況一都有增大。

（2）本文隧道從隧道穩(wěn)定性角度出發(fā)，工況一更適合作為實(shí)際施工方案。

（3）在遵循規(guī)范的前提下，改變調(diào)整施工與開挖方式，都是改善隧道穩(wěn)定性情況的有效方法。

參考文獻(xiàn)

［1］ 李術(shù)才，朱維申，陳衛(wèi)忠，等. 彈塑性大位移有限元方法在軟巖隧道變形預(yù)估系統(tǒng)研究中的應(yīng)用［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2002（4）： 466-470.

［2］ 王清標(biāo)，蔣金泉，路林海，等. 不同開挖方式對(duì)近距離交疊隧道影響模擬研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2013， 32（10）： 2079-2087.

［3］ 閆春嶺，丁德馨，崔振東，等. FLAC在鐵山坪隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2006（3）： 499-503.

［4］ 姜兆華. 基坑開挖時(shí)鄰近既有隧道的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律研究［D］. 重慶： 重慶大學(xué)， 2013.

［5］ 李樹忱，李術(shù)才，徐幫樹. 隧道圍巖穩(wěn)定分析的最小安全系數(shù)法［J］. 巖土力學(xué)， 2007（3）： 549-554.

［6］ 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則： JTG /T D70-2010［S］. 北京：人民交通出版社， 2010.

［7］ 廖朝華，郭小紅. 公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京： 人民交通出版社， 2010.

［8］ 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3370.1-2018 ［S］. 北京：人民交通出版社， 2018.

［9］ 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50010-2015［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.