賈曉旭，趙玉成

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊　050043；2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊　050043)

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軟弱圍巖隧道CD法和臺(tái)階法施工力學(xué)行為分析

賈曉旭1，2，趙玉成1，2

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊050043；2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050043)

摘要：為分析軟弱圍巖隧道在不同開挖方法過程中穩(wěn)定性以及拱頂沉降變化規(guī)律，以某隧道工程實(shí)例為背景，借助有限差分軟件FLAC3D數(shù)值模擬并和實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析，研究軟弱圍巖隧道在CD法和臺(tái)階法兩種不同開挖方法施工過程中圍巖變形、應(yīng)力變化和圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律。實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算結(jié)果均表明，采用CD法開挖斷面關(guān)鍵點(diǎn)位移和應(yīng)力明顯小于臺(tái)階法，隨開挖步影響范圍也比臺(tái)階法要小。總之CD法較臺(tái)階法能更好控制圍巖變形和應(yīng)力發(fā)展，塑性區(qū)分布范圍也明顯小于臺(tái)階法。

關(guān)鍵詞：隧道；軟弱圍巖； CD法；臺(tái)階法；FLAC3D

隨著隧道修建技術(shù)的進(jìn)步，隧道的修建向著長、大、深方向發(fā)展。長隧道的修建不可避免會(huì)穿越軟弱圍巖，軟弱圍巖是隧道工程施工中最為常見的不良地質(zhì)，也是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的重要因素[1-6]。通常情況下軟弱圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)受到爆破、開挖等外力影響，軟弱圍巖的穩(wěn)定性將會(huì)被破壞，出現(xiàn)塌方、冒頂?shù)仁鹿蔥7-9]。因此，軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性的研究對(duì)隧道工程的開挖具有重要意義。目前，國內(nèi)外對(duì)軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性研究已很多[10-12]，但是比較不同開挖方式對(duì)軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性影響還較少。因此，圍繞軟弱圍巖隧道不同開挖方式圍巖穩(wěn)定性規(guī)律的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1工程概況

雁口山隧道位于青海省玉樹州稱多縣歇武鎮(zhèn)東北方向約10 km處，全長4 032 m。隧址區(qū)屬冰緣水流構(gòu)造侵蝕中山地貌，山體平均海拔高度大都在4 000 m以上。地層巖性上覆第四系全新統(tǒng)坡積層、洪積層，下伏中生界上三疊統(tǒng)巴顏克拉山群灰黑色頁巖和砂巖互層。地下水主要為第四紀(jì)松散巖孔隙水和基巖裂隙水。隧道K748+660處存在F1斷層，斷層走向NE66°，傾角70°～80°，走滑層，在K748+660與線路小角度相交，破碎帶寬近100 m，巖石破碎成碎石狀，圍巖穩(wěn)定性較差。

2不同開挖法數(shù)值模擬

2.1模型尺寸及參數(shù)選取

根據(jù)工程實(shí)際情況，隧道斷面凈高為10.5 m，最大跨度處寬度為12.06 m。隧道拱頂距地表29 m，隧道仰拱底部距模型下端取3倍跨度36 m，模型左右兩邊寬度各取3倍跨度36 m，沿隧道掘進(jìn)方向取35 m，中間包括5 m斷層帶。兩種開挖方式均取模型尺寸為X×Y×Z=84 m×35 m×75 m，確保兩種工法對(duì)比的客觀性，模型圖如圖1所示。模型上邊界為自由，下邊界約束豎向位移，左右邊界約束水平向位移。

圖1　計(jì)算模型

隧道圍巖和開挖部分用實(shí)體單元模擬，鋼拱架采用抗壓剛度等效原則，將鋼拱架彈性模量折算到初期支護(hù)上[13]。初期支護(hù)采用殼單元，二次襯砌作為長期安全儲(chǔ)備，計(jì)算時(shí)不予考慮[14]。錨桿加固作用通過提高加固圈黏聚力和摩擦角來模擬[15]。圍巖假設(shè)為理想彈塑性材料，采用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則。計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1　圍巖及襯砌力學(xué)參數(shù)

2.2施工過程數(shù)值模擬

運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行施工過程的模擬，每一計(jì)算步模擬一個(gè)施工步，每一計(jì)算步施工1 m。CD法共有66個(gè)計(jì)算步，第1步計(jì)算初始地應(yīng)力，第2～6步，CD1開挖面開挖5 m，第7～11步，CD1和CD2同步開挖，CD1 比CD2超前5 m，第12～16步，CD1、CD2和CD3同步開挖，CD2比CD3超前5 m，依次類推，前一開挖面超前后開挖面5 m，最后開挖中隔壁。臺(tái)階法共有48個(gè)計(jì)算步，第1步計(jì)算初始地應(yīng)力，第2～6步，上臺(tái)階開挖5 m，第7～11步，上臺(tái)階和下臺(tái)階同步開挖，下臺(tái)階比仰拱超前5 m，依次類推開挖完畢。CD法和臺(tái)階法斷面見圖2、圖3。

圖2　CD法斷面

圖3　臺(tái)階法斷面

2.3計(jì)算結(jié)果分析2.3.1位移分析

隧道貫通后軟弱圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移值如表2所示，CD法由于先開挖左側(cè)土體，左側(cè)拱底較右側(cè)上臺(tái)階更早釋放土壓力，所以拱底隆起大于拱頂沉降。臺(tái)階法上臺(tái)階全部開挖，拱頂土壓力一次性釋放，仰拱滯后開挖，所以臺(tái)階法最大位移值發(fā)生在拱頂沉降。CD法相比臺(tái)階法拱頂沉降量減少24.4%，拱肩豎向位移減少21.1%，最大跨度處水平收斂減少35.3%，拱腳豎向位移減少10.8%，拱底隆起減少10.5%。CD法相比臺(tái)階法對(duì)圍巖控制效果更好。實(shí)際工程中K748+660～K748+710段采用CD法開挖，K748+685斷面為CD法開挖監(jiān)測斷面。K748+710～K748+760段采用臺(tái)階法開挖，K748+735斷面為臺(tái)階法開挖監(jiān)測斷面。兩斷面關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測位移如表3所示。實(shí)際監(jiān)測位移也顯示CD法各點(diǎn)位移值小于臺(tái)階法，佐證了CD法較臺(tái)階法對(duì)圍巖控制效果更好。但實(shí)測位移均大于計(jì)算位移，主要原因是數(shù)值模擬的支護(hù)是瞬時(shí)起作用的，而實(shí)際施工過程中的支護(hù)施作要相對(duì)滯后一些，并且支護(hù)也需要凝結(jié)時(shí)間才有一定強(qiáng)度，因此實(shí)測位移會(huì)大于計(jì)算位移。

表2　圍巖關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算位移　mm

CD法開挖過程中拱頂隨開挖步累計(jì)沉降量如圖4所示，12開挖步時(shí)CD1開挖面距觀測斷面5 m，開始影響拱頂沉降。12～32開挖步，拱頂沉降速率穩(wěn)定，沉降量近似線性增大。32開挖步時(shí)CD4開挖面到達(dá)觀測斷面，拱頂沉降速率突然增大，隨著CD4開挖面距觀測斷面距離的增大，沉降速率逐漸減小，沉降量趨于平緩。47開挖步時(shí)中隔壁到達(dá)觀測斷面，沉降速率再次增大，最終沉降趨于穩(wěn)定，最大累計(jì)沉降量為12.46 mm。

圖4　CD法拱頂累計(jì)沉降隨開挖步變化曲線

臺(tái)階法開挖過程中拱頂隨開挖步累計(jì)沉降量如圖5所示，6開挖步時(shí)上臺(tái)階開挖面距觀測斷面11 m，開始影響拱頂沉降。12開挖步時(shí)上臺(tái)階開挖面距觀測斷面5 m，拱頂沉降速率突然增大，每一開挖步沉降量增大約1 mm。隨著上臺(tái)階開挖面離開觀測斷面的距離逐步增大，拱頂沉降速率逐漸減小。22開挖步時(shí)下臺(tái)階開挖面到達(dá)觀測斷面，拱頂沉降速率再次增大，隨著下臺(tái)階開挖面離開觀測斷面的距離逐步增大，拱頂沉降速率逐漸減小。27開挖步時(shí)仰拱開挖面到達(dá)觀測斷面，拱頂沉降速率出現(xiàn)小幅增加，但隨著仰拱開挖面離開觀測斷面的距離逐步增大，拱頂沉降量很快趨于穩(wěn)定，最大累計(jì)沉降量為16.48 mm。

圖5　臺(tái)階法拱頂累計(jì)沉降隨開挖步變化曲線

CD法相對(duì)于臺(tái)階法開挖工作面小，圍巖土體卸荷小，所以開挖面對(duì)拱頂沉降開始影響的距離：CD法為5 m，臺(tái)階法為11 m，CD法對(duì)拱頂沉降控制效果更好。CD法各個(gè)工作面封閉成環(huán)時(shí)間短，盡早給圍巖提供支護(hù)作用，拱頂最終累計(jì)沉降量為12.46 mm，小于臺(tái)階法的16.48 mm。

2.3.2應(yīng)力分析

隧道貫通后初期支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)最大、最小主應(yīng)力值如表4所示(拉為正，壓為負(fù))。CD法和臺(tái)階法拱頂拉應(yīng)力均比其他關(guān)鍵點(diǎn)拉應(yīng)力大，拱肩次之，拱腳最大主應(yīng)力為負(fù)值，即拱腳全部承受壓應(yīng)力。CD法和臺(tái)階法最大跨度處壓應(yīng)力比其他關(guān)鍵點(diǎn)壓應(yīng)力都大，拱頂壓應(yīng)力僅次于最大跨度處。CD法最小壓應(yīng)力位于拱底，臺(tái)階法最小壓應(yīng)力位于拱腳。CD法各關(guān)鍵點(diǎn)拉應(yīng)力、壓應(yīng)力都小于臺(tái)階法。CD法和臺(tái)階法各關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測應(yīng)力如表5所示，監(jiān)測應(yīng)力CD法均小于臺(tái)階法，表明實(shí)際工程中CD法比臺(tái)階法對(duì)圍巖控制效果更好。

表4　初支關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力　MPa

表5　初支關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測壓應(yīng)力　MPa

CD法拱頂應(yīng)力隨開挖步變化曲線如圖6所示。CD法開挖到32步之前時(shí)，CD1、CD2和CD3都已經(jīng)通過觀測斷面，但拉應(yīng)力和壓應(yīng)力一直都較穩(wěn)定，拉應(yīng)力約為0.03 MPa，壓應(yīng)力保持在0.2 MPa左右。說明左側(cè)土體開挖沒有引起拱頂應(yīng)力。32開挖步時(shí)，CD4開挖面到達(dá)觀測斷面，拉、壓應(yīng)力增長速率變大。到37開挖步時(shí)，CD4開挖面距觀測斷面5 m，隨著CD4開挖面遠(yuǎn)離觀測斷面，壓應(yīng)力增長速率逐漸減小。47開挖步時(shí)中隔壁到達(dá)觀測斷面，拉應(yīng)力不再隨開挖面距離增大而增大，拉應(yīng)力保持穩(wěn)定，最大拉應(yīng)力為2 MPa。壓應(yīng)力有微小的突增，47開挖步之后壓應(yīng)力趨于穩(wěn)定，最大壓應(yīng)力為2.09 MPa。

圖6　CD法拱頂應(yīng)力隨開挖步變化曲線

臺(tái)階法拱頂應(yīng)力隨開挖步變化曲線如圖7所示。臺(tái)階法開挖相對(duì)CD法對(duì)拱頂應(yīng)力的影響就要早些。10開挖步時(shí)上臺(tái)階開挖面距觀測斷面7 m，壓應(yīng)力開始有明顯突增。隨著開挖步的推進(jìn)，壓應(yīng)力接近直線增長。到37開挖步時(shí)，下臺(tái)階開挖面離開觀測斷面10 m，壓應(yīng)力開始趨于穩(wěn)定，最大壓應(yīng)力為2.49 MPa。拉應(yīng)力相比壓應(yīng)力受開挖步影響較晚，20開挖步時(shí)中臺(tái)階距離觀測斷面2 m，拉應(yīng)力開始明顯增大。隨著中、下臺(tái)階開挖面離開觀測斷面，30開挖步時(shí)拉應(yīng)力逐漸穩(wěn)定，最大值為2.04 MPa。

圖7　臺(tái)階法拱頂應(yīng)力隨開挖步變化曲線

CD法拉、壓應(yīng)力受開挖面影響距離都小于臺(tái)階法。CD法在30開挖步時(shí)拉、壓應(yīng)力才開始明顯增大，臺(tái)階法壓應(yīng)力在10開挖步時(shí)明顯增大，拉應(yīng)力20開挖步時(shí)開始增大。CD法最大拉、壓應(yīng)力分別為2 MPa、2.09 MPa，均小于臺(tái)階法的2.04 MPa和2.49 MPa。所以CD法相對(duì)臺(tái)階法能更有效控制拱頂應(yīng)力。

2.3.3塑性區(qū)分布

CD法開挖工作面小，且各工作面封閉成環(huán)時(shí)間短，各工作面支護(hù)有效限制了塑性區(qū)發(fā)展，塑性區(qū)范圍大幅減小。圍巖1.5 m范圍內(nèi)均為塑性區(qū)，由于CD1工作面先開挖產(chǎn)生卸荷作用，拱肩塑性區(qū)范圍明顯偏大。拱腳應(yīng)力集中范圍大，塑性區(qū)寬3 m，深6 m。塑性區(qū)分布見圖8。

圖8　CD法塑性區(qū)分布

臺(tái)階法先開挖上臺(tái)階土體產(chǎn)生卸荷作用，拱肩塑性區(qū)寬4 m，塑性區(qū)深5 m，最深部位達(dá)6 m。下臺(tái)階滯后開挖，最大跨度處塑性區(qū)變小，深3 m。拱腳塑性區(qū)寬2～4 m，深6 m。塑性區(qū)分布見圖9。

圖9　臺(tái)階法塑性區(qū)分布

CD法由于分多個(gè)工作面開挖，各工作面開挖面積小，且封閉成環(huán)時(shí)間短，土體卸荷作用小，支護(hù)盡早提供支撐，有效限制了圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，塑性區(qū)范圍明顯小于臺(tái)階法。

3結(jié)論

(1)隧道穿越軟弱圍巖會(huì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，不同開挖方式對(duì)軟弱圍巖的變形、初支應(yīng)力和塑性區(qū)范圍等影響程度不同。

(2)根據(jù)軟弱圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)展，CD法圍巖變形量小于臺(tái)階法，兩種開挖方法塑性區(qū)破壞形式相同，但CD法塑性區(qū)大小小于臺(tái)階法，CD法對(duì)斷層的穩(wěn)定性控制要優(yōu)于臺(tái)階法。

(3)借助有限差分軟件FLAC3D對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算?？偨Y(jié)了隨著隧道開挖，拱頂沉降變化規(guī)律、拱頂應(yīng)力變化規(guī)律和塑性區(qū)分布規(guī)律。對(duì)類似軟弱圍巖隧道利用該分析結(jié)果可以預(yù)測圍巖變形趨勢，根據(jù)塑性區(qū)分布可以在應(yīng)力集中部位加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)，在保證安全的前提下減少經(jīng)濟(jì)成本，靈活運(yùn)用兩種開挖方法，安全快速開挖隧道。同時(shí)現(xiàn)場監(jiān)測儀器無法準(zhǔn)確得到未開挖圍巖應(yīng)力位移變化數(shù)據(jù)，不能和模擬數(shù)據(jù)得出完整規(guī)律，這方面仍有待研究。

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收稿日期：2015-12-08； 修回日期：2015-12-15

作者簡介：賈曉旭(1991—)，男，碩士研究生，E-mail：1527727059@qq.com。

文章編號(hào)：1004-2954(2016)07-0121-04

中圖分類號(hào)：U451

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.028

Analysis of Mechanical Behavior of Tunneling in Weak Surrounding Rock by CD Method and Benching Method

JIA Xiao-xu1，2， ZHAO Yu-cheng1，2

(1.School of Civil Engineering， ShiJiazhuang Railway University， ShiJiazhuang 050043， China；2.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control， Shijiazhuang Railway University，Ministry of Education， Shijiazhuang 050043， China)

Abstract：Aiming at the analysis of the stability and the changing rule of the crown settlement in weak surrounding rock with different tunneling methods， the paper， with reference to a tunnel engineering case，analyzes rock deformation， stress variation and rock plastic zone distribution by means of the numerical simulation of finite difference software FLAC3Dand the comparison with the actual monitoring data during the construction by two different excavation methods-CD method and benching method.The actual monitoring data and simulation results show that the cross-section key point displacement and the stress by CD method are less obviously than those by benching method and the same is true with the affecting range. In a word， CD method can better control rock deformation and stress development compared with benching method and the plastic zone distribution range of CD method is also small.

Key words：Tunnel; Weak surrounding rock; CD method; Benching method; FLAC3D