隧道施工圍巖力學(xué)行為數(shù)值分析

【摘要】以四川省劍閣縣境內(nèi)老土地隧道為例，運(yùn)用真實(shí)工程參數(shù)修正后的數(shù)值模型探究了臺階開挖法對軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性的影響。通過設(shè)計(jì)不同的臺階長度和循環(huán)進(jìn)尺對開挖后隧道圍巖的變形和應(yīng)力分布進(jìn)行研究，并與相應(yīng)規(guī)范比較。結(jié)果表明：（1）基于場地參數(shù)和巖石物理力學(xué)參數(shù)修正的ABAQUS模型可以較好地模擬隧道開挖造成的圍巖變形和應(yīng)力重分布；（2）隨著臺階長度的增加，拱頂?shù)某两怠⒐暗椎穆∑鸷凸把氖諗恐稻黾?，但是拱頂?shù)某两禐橹饕挠绊?；?）相對于變形量，臺階和進(jìn)尺參數(shù)對圍巖的應(yīng)力影響相對較?。唬?）臺階法施工中，錨噴支護(hù)緊跟且拱底襯砌及時(shí)封閉的施工方法能夠有效控制拱頂沉降，并小于規(guī)范規(guī)定的允許變形量；（5）在保證支護(hù)結(jié)構(gòu)安全和工作面穩(wěn)定的前提下，臺階和進(jìn)尺參數(shù)應(yīng)綜合考慮施工條件的可能性、安全性和經(jīng)濟(jì)效率。

【關(guān)鍵詞】隧洞施工； 臺階開挖法； 數(shù)值分析； 拱頂沉降

【中圖分類號】U456.3+1A

0 引言

眾所周知，隧道施工中安全性取決于隧道圍巖和工作面的穩(wěn)定性［1-3］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，隧道施工的數(shù)值模擬的已獲得廣泛應(yīng)用［4］。宋站平等［5］通過數(shù)值方法優(yōu)化了大斷面隧道的施工方案。徐前衛(wèi)等［6］研究了斷層隧道施工過程中圍巖的破壞過程，陳立漢等［7］通過數(shù)值方法分析了各種開挖方式引起的圍巖應(yīng)力分布。邢軍等［8］研究了松多隧道連續(xù)降雨施工條件下圍巖的變形和破碎過程，張征亮等［9］通過數(shù)值方法分析了兩套工況下的圍巖變形和隧道襯砌的應(yīng)力。郭子紅等［10-11］通過數(shù)值方法分析了淺埋隧道的斷裂面分布，提出了淺埋隧道的穩(wěn)定性評價(jià)方法。劉波等［12］根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提出了隧道變形的控制措施。牛永宏等［13］利用有限元模擬了各種淺埋隧道的開挖方法。李康等［14］通過數(shù)值方法進(jìn)行了系統(tǒng)全面的現(xiàn)場圍巖壓力及圍巖監(jiān)測新華隧道巖層位移。

本文依托老土地隧道，通過數(shù)值模擬探究了臺階法施工的IV級圍巖隧道的穩(wěn)定性問題，主要從不同循環(huán)進(jìn)尺和不同臺階長度進(jìn)行對比分析，進(jìn)而得出IV級圍巖段內(nèi)最為適宜的循環(huán)進(jìn)尺和臺階長度，為今后相似的工程項(xiàng)目提供參考和借鑒。

1 工程概況

老土地隧道位于四川省劍閣縣境內(nèi)，起止里程為K69+417～K70+580，設(shè)計(jì)總長度為1163 m，最大埋深約190 m。隧道開挖位于軟硬相間碎屑巖低山區(qū)。根據(jù)本標(biāo)段隧道洞身圍巖的特點(diǎn)，周圍的巖石等級為Ⅳ～Ⅴ級?？紤]到開挖過程的復(fù)雜性和邊坡的穩(wěn)定性，采取邊開挖邊初期支護(hù)。隧道的初次襯砌采用錨桿+噴射C25噴射混凝土（28 cm）柔性支護(hù)，且內(nèi)設(shè)鋼架。二次襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C35。

2 計(jì)算模型

本隧道標(biāo)段根據(jù)規(guī)范JTG/T 3660-2020和工程地質(zhì)調(diào)查，基于理想彈塑性模型對Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖在采用臺階法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，得到在不同的循環(huán)進(jìn)尺和臺階參數(shù)下圍巖的位移變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。本模型采用Moore-Coulomb判據(jù)作為破壞條件。

2.1 參數(shù)選擇

擬建隧道巖性復(fù)雜，建立了簡化模型（K70+120～K70+160），本段無不良地質(zhì)帶。而且這個(gè)模型忽略了地下水的影響，該隧道圍巖的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)可取表1值。

2.2 模型建立

根據(jù)圣維南原理，開挖會引起應(yīng)力重新分布，在隧道半徑的3倍以內(nèi)的圍巖影響較大。因此本文隧道模型長40 m，寬度方向左右各取5倍隧道洞徑，隧道底部與模型底部的距離為17.5 m，模型中隧道的深度以實(shí)際高程數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。如圖1所示，采用大型通用計(jì)算軟件ABAQUS建立的三維實(shí)體模型單元總計(jì)188 675個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)196 746個(gè)。通過ABAQUS對隧道網(wǎng)格進(jìn)行鈍化或激活模擬隧道開挖過程。底部邊界施加豎向約束，上部為自由邊界，左右兩端邊界約束水平位移。

2.3 工況擬定

根據(jù)工程地質(zhì)條件及施工方案，Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖在采用臺階法施工。通過如表 2所示不同的循環(huán)進(jìn)尺和臺階長度進(jìn)行研究分析，得到在不同工況下圍巖的位移變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。

3 隧道開挖分析

隧道開挖時(shí)，圍巖的天然應(yīng)力重新分布。本文將對隧道圍巖應(yīng)力和位移進(jìn)行分析。

3.1 Ⅳ級圍巖隧道施工力學(xué)行為研究

3.1.1 循環(huán)進(jìn)尺1.2 m時(shí)不同臺階長度

圖2給出循環(huán)進(jìn)尺為1.2 m，臺階長度取6 m、12 m、18 m三種情況下，目標(biāo)圍巖截面的豎向位移、水平位移及剪應(yīng)力分布。

隧道的拱頂沉降是評價(jià)圍巖穩(wěn)定性的重要參數(shù)。如圖2所示，圍巖的豎向收斂位移較小。當(dāng)臺階長度分別為6.0 m、12.0 m和18.0 m時(shí)，拱頂最大沉降量分別9.5 mm、1.08 mm和11.75 mm。而仰拱隆起基本為5.5 mm左右，位移均在圍巖規(guī)范允許的變形范圍內(nèi)?？梢姡嗤呐_階長度時(shí)，拱頂?shù)某两滴灰埔黠@大于拱底的隆起位移。水平位移的影響規(guī)律與豎向位移基本一致。當(dāng)臺階長度分別為6.0 m、12.0 m和18.0 m時(shí)，拱腰處的水平位移最大，水平位移分別收斂于2.06 mm、2.35 mm和2.57 mm，且均向隧道內(nèi)側(cè)收斂。可見，水平位移也會很小的。圍巖的剪應(yīng)力基本為反對稱分布。由剪力云圖分析可知，最大剪應(yīng)力集中在拱肩和拱腳處。當(dāng)臺階長度分別為6.0 m、12.0 m和18.0 m時(shí)，其最大剪應(yīng)力值分別為0.29 MPa，0.30 MPa，0.29 MPa?？梢?，當(dāng)進(jìn)尺長度為1.2 m時(shí)，臺階長度對剪應(yīng)力的影響并不敏感，剪應(yīng)力的大小基本不變。

3.1.2 循環(huán)進(jìn)尺1.6 m時(shí)不同臺階長度

循環(huán)進(jìn)尺為1.6 m，臺階長度取6 m、12 m、18 m三種情況下，目標(biāo)圍巖截面計(jì)算分析結(jié)果如圖3所示。

由豎向變形位移圖可知，在進(jìn)尺為1.6 m且臺階長度為6 m，12 m，18 m，拱頂沉降分別為12.0 mm，12.0 mm，12.8 mm，仰拱隆起5.7 mm，位移均在規(guī)范允許的變形范圍內(nèi)。同樣，由水平位移變形圖可知，在臺階長度為6 m，12 m，18 m水平位移基本在為2.4 mm上下，均向隧道內(nèi)側(cè)收斂，說明表明開挖后適時(shí)支護(hù)可對圍巖拱頂?shù)淖冃纹鸬胶芎玫目刂菩ЧＳ杉袅υ茍D看出，無論臺階長度為多少，最大剪應(yīng)力集中在拱肩和拱腳處。隨著隧道的開挖，圍巖壓力發(fā)生明顯變化。當(dāng)臺階長度的從6.0 m增大到18.0 m，其剪應(yīng)力最大值從0.287 MPa增加到0.482 MPa。說明采用臺階法開挖，臺階長度越大，隧道局部最大剪應(yīng)力會增大，易對初次襯砌結(jié)構(gòu)形成剪切裂縫。

3.1.3 循環(huán)進(jìn)尺2 m時(shí)不同臺階長度

在研究不同臺階長度情況下工對隧道圍巖穩(wěn)定性影響時(shí)，采用臺階法開挖方式，循環(huán)進(jìn)尺為2 m，臺階長度取6 m、12 m、18 m三種情況進(jìn)行計(jì)算分析，目標(biāo)圍巖截面室溫結(jié)果分析如圖4所示。

當(dāng)臺階長度為6 m，12 m，18 m，其拱頂沉降分別為12.7 mm、14.0 mm和15.0 mm；仰拱隆起分別為5.5 mm，5.4 mm，5.6 mm，其水平位移分別為2.0 mm、2.3 mm和2.7 mm。圍巖沉降和位移均在圍巖允許的變形范圍內(nèi)，表明開挖后適時(shí)支護(hù)對圍巖拱頂?shù)淖冃斡泻芎玫目刂菩Ч?。該地質(zhì)條件隧道的水平位移影響較小。

圖5顯示了不同循環(huán)進(jìn)尺（1.2 m、1.6 m和2.0 m）和不同臺階長度（6 m、12 m 和 18 m）情況下，拱頂豎向位移、拱底豎向位移和拱腰水平位移曲線的比較圖。

如圖5所示，相較于最大拱底隆起位移和水平位移，開挖后隧道圍巖拱頂?shù)奈灰埔蟮枚唷．?dāng)循環(huán)進(jìn)尺一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)隨著臺階長度的增加，拱頂?shù)某两怠⒐暗椎穆∑鸷凸把氖諗恐稻黾?。但是相對于拱腰的收斂，拱頂?shù)某两岛凸暗椎穆∑馂橹饕挠绊?。?dāng)循環(huán)進(jìn)尺一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)隨著臺階長度的增加，拱底的隆起值增幅較小，臺階法施工，拱底位移受臺階長度的影響相對于拱頂沉降值小。

4 結(jié)論

（1）基于場地參數(shù)和巖石物理力學(xué)參數(shù)的ABAQUS模型可以較好地模擬隧道開挖造成的圍巖變形和應(yīng)力重新分布。隧道開挖施工后，圍巖的最大變形發(fā)生在拱頂處，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在拱肩和拱腳處。隨著開挖的進(jìn)行，應(yīng)力和沉降呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

（2）采用臺階法開挖過程中，拱頂沉降將趨于收斂，而圍巖變形將趨于穩(wěn)定。當(dāng)循環(huán)進(jìn)尺一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)隨著臺階長度的增加，拱頂?shù)某两怠⒐暗椎穆∑鸷凸把氖諗恐稻黾?。但是相對于拱腰的收斂，拱頂?shù)某两岛凸暗椎穆∑馂橹饕挠绊憽?/p>

（3）臺階法施工，錨噴支護(hù)緊跟且拱底襯砌及時(shí)封閉的施工方法能夠有效控制拱頂沉降、拱底的隆起和拱腰的收斂，這些數(shù)值都小于JTGF60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的允許變形量。這說明這三種開挖方法可以保證施工安全。

（4）當(dāng)循環(huán)進(jìn)尺一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)隨著臺階長度的增加，拱底的隆起值增幅較小，臺階法施工，拱底位移受臺階長度的影響相對于拱頂沉降值小。

（5）在保證支護(hù)結(jié)構(gòu)安全和工作面穩(wěn)定的前提下，臺階和進(jìn)尺參數(shù)應(yīng)綜合考慮施工條件的可能性、安全性和經(jīng)濟(jì)效率，以此來確定合適的循環(huán)進(jìn)尺和臺階長度。

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