刁心宏，朱 陳，于 洋

（華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013）

不同開挖方案下隧道圍巖穩(wěn)定性及變性特征分析

刁心宏，朱 陳，于 洋

（華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013）

不同的開挖進(jìn)尺會(huì)引起隧道相應(yīng)的圍巖位移變化,圍巖位移超過(guò)容許值將會(huì)影響隧道的安全性。以長(zhǎng)茂山雙車道淺埋隧道為例，采用有限元軟件ABAQUS對(duì)臺(tái)階法不同開挖進(jìn)尺條件下的隧道施工進(jìn)行三維數(shù)值模擬，從位移及應(yīng)力兩方面來(lái)分析臺(tái)階法不同開挖進(jìn)尺的圍巖變化規(guī)律。研究表明：圍巖位移變化主要在拱頂及拱頂附近且側(cè)拱兩側(cè)位移曲線呈對(duì)稱分布；圍巖的最大位移變形量隨開挖循環(huán)進(jìn)尺增大而相應(yīng)增大，當(dāng)開挖進(jìn)尺增大到6 m后，圍巖發(fā)生最大位移增長(zhǎng)滯緩；圍巖豎向位移和拱頂應(yīng)力隨開挖進(jìn)尺變化的規(guī)律可以采用Logistic增長(zhǎng)函數(shù)進(jìn)行擬合；提出了循環(huán)開挖進(jìn)尺為4 m的合理施工方法。

開挖進(jìn)尺；淺埋隧道；變形量；數(shù)值分析

隧道以直線代替曲折的道路來(lái)縮短行車?yán)锍?，減少事故的發(fā)生廣泛在山區(qū)公路、鐵路建設(shè)之中應(yīng)用。無(wú)論是在公路建設(shè)還是在鐵路建設(shè)中，隧道的安全性都是工程師關(guān)注的重點(diǎn)。與其他工程相比，例如由簡(jiǎn)小材料等構(gòu)成的構(gòu)件在荷載作用下的力學(xué)行為可以得到解析解不同，隧道問(wèn)題的解決方法在某種程度上還依賴于經(jīng)驗(yàn)方法[1]。

隧道開始施工時(shí)，通常由現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定開挖進(jìn)尺[2]。不同的開挖進(jìn)尺會(huì)引起隧道相應(yīng)的圍巖位移變化,圍巖變形超過(guò)容許值將會(huì)影響隧道的安全性。同時(shí)，隧道開挖采用小進(jìn)尺會(huì)使建設(shè)成本和施工時(shí)間增加，進(jìn)尺過(guò)大則會(huì)降低隧道的安全性。目前，在隧道開挖過(guò)程中，對(duì)循環(huán)進(jìn)尺的研究并不多見(jiàn)，因此，既能保證施工進(jìn)度又具有穩(wěn)定性的開挖進(jìn)尺,是較為重要的研究課題。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是隧道圍巖位移規(guī)律最直接簡(jiǎn)單的研究方式，但它需在隧道開挖后得到相應(yīng)數(shù)據(jù)才能進(jìn)行，不能在隧道開挖前反映圍巖位移規(guī)律[3-4]?，F(xiàn)有數(shù)值分析研究大多以二維平面應(yīng)變?yōu)橹鱗5-6]，不能模擬隧道施工過(guò)程的空間效應(yīng)，而這對(duì)隧道開挖過(guò)程的穩(wěn)定性影響至關(guān)重要[7]。采用三維數(shù)值分析可以彌補(bǔ)二維平面應(yīng)變數(shù)值分析的不足[8]。其中，Young-Zoo Lee[9]根據(jù)PFC3D數(shù)值分析軟件推出了確定軟巖隧道開挖進(jìn)尺的方法。梅洪斌[10]采用三維有限方法，對(duì)隧道圓形襯砌采用管棚法加固后的各施工階段進(jìn)行了分析研究，尋求合理的開控進(jìn)尺。本文以長(zhǎng)茂山隧道工程為例，利用ABAQUS軟件對(duì)臺(tái)階法隧道施工掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，從位移及應(yīng)力兩方面來(lái)分析臺(tái)階法不同開挖進(jìn)尺的圍巖變化規(guī)律。在隧道開挖前無(wú)法利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)收集圍巖變形量，利用數(shù)值分析得到臺(tái)階法不同開挖進(jìn)尺的圍巖位移值，與容許極限位移值相較，提出隧道最佳開挖進(jìn)尺。

1 工程概況

長(zhǎng)茂山隧道位于黔張常鐵路站前工程QZCZQ-7標(biāo)段，為雙車道高速鐵路隧道，Ⅲ級(jí)圍巖約占全隧道的83.4%，近3 905 m，開挖最大跨度12.7 m，隧道高度為8 m，橫斷面面積111.53 m2，隧道埋深為10～18 m。隧道沿線主要出露巖性為頁(yè)巖，工點(diǎn)范圍內(nèi)無(wú)斷層構(gòu)造，隧址區(qū)內(nèi)地下水豐富，DK188+820～DK193+504段正常涌水量3 852 m3/d，最大涌水量11 556 m3/d。按新奧法原理組織施工，根據(jù)圍巖情況，開挖Ⅱ級(jí)圍巖段采用全斷面法施工,Ⅲ、IV級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法施工，V級(jí)圍巖硬巖地段采用三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法施工。

2 數(shù)值分析計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)資料，隧道斷面跨度B為12.7 m，高度H為8 m。一般來(lái)說(shuō)，隧道開挖對(duì)圍巖位移影響范圍為距隧道中心3到5倍開挖寬度[11]。計(jì)算模型橫截面方向120 m，豎直向上取至地表以下25 m，豎直向下取25 m。模型左右兩側(cè)為水平約束，底部為固定約束，頂部為自由。隧道淺埋，巖體初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮自重應(yīng)力。有限元網(wǎng)格細(xì)化圖見(jiàn)圖1。

為使計(jì)算模型簡(jiǎn)化，以均質(zhì)地層來(lái)建模分析。隧道地質(zhì)條件為各向同性地層，采用Mohr-Coulomb彈塑性模型來(lái)模擬分析圍巖的塑性變形。為保證計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間，將模型中隧道及附近區(qū)域土體網(wǎng)格劃分較細(xì)，單元邊長(zhǎng)為0.5 m，較遠(yuǎn)處劃分稍微增大至2 m。計(jì)算模型共劃分97 876個(gè)單元。由于隧道下部地下水豐富，編輯圍巖材料時(shí)，考慮滲透性，設(shè)定初始孔隙比e為0.18。圍巖物理力學(xué)參數(shù)由室內(nèi)試驗(yàn)獲取，考慮到所取巖層的尺寸效應(yīng)，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)取得的數(shù)值進(jìn)行了適當(dāng)折減。數(shù)值分析中采用的圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，隧道襯砌為復(fù)合襯砌，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 有限元網(wǎng)格細(xì)化圖Fig.1 Finite element mesh refinement

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of rock

表2 隧道支護(hù)系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Tunnel support system

2.2 計(jì)算工況

隧道Ⅲ級(jí)圍巖約占全隧道的83.4%，故模擬Ⅲ級(jí)圍巖開挖方案，采用臺(tái)階法并考慮了開挖進(jìn)尺為1，2，4，6，8，10，12，14 m共8種工況，研究的目標(biāo)橫斷面位于模型正中央。施工過(guò)程如下：①上半斷面開挖→②上半斷面進(jìn)行支護(hù)→③下半斷面開挖→④下半斷面進(jìn)行支護(hù)→⑤二襯。重復(fù)開挖過(guò)程，直至開挖結(jié)束，開挖過(guò)程見(jiàn)圖2。

2.3 結(jié)果分析

臺(tái)階法開挖過(guò)程中，目標(biāo)橫斷面上的圍巖豎向位移云圖如圖3所示。

圖2 臺(tái)階法施工工藝流程Fig.2 Construction process of the step method

從數(shù)值模擬結(jié)果初步可以看出：圍巖豎向變形主要分布在拱頂及拱底附近。從位移量大小來(lái)看，在臺(tái)階法施工過(guò)程中，隨著開挖循環(huán)進(jìn)尺在一定范圍內(nèi)的增大，圍巖位移響應(yīng)相應(yīng)增大。

圖3 不同開挖進(jìn)尺的圍巖豎向位移特征Fig.3 Characteristics of the vertical displacement of surrounding rock at different excavation footage

2.4 重點(diǎn)部位分析

軟弱圍巖位移監(jiān)測(cè)一般以拱頂沉降和邊墻水平變形作為主要控制參數(shù)[8]，下面對(duì)二者展開討論。重點(diǎn)分析各工況開挖過(guò)程中的隧道拱頂、側(cè)拱腰、拱腳及拱底處豎向位移，分析點(diǎn)位置布置見(jiàn)圖 4。

圖4 隧道測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of the tunnel measuring point

由圖5曲線形狀可以看出:隧道周邊位移特征曲線在任一開挖進(jìn)尺工況下，圍巖位移數(shù)值曲線與著名的Peck曲線是一致的。臺(tái)階法施工開挖進(jìn)尺為1，2 m和4 m時(shí)，隧道周邊位移曲線近似于水平線，隧道位移變化整體趨勢(shì)較??；開挖進(jìn)尺為6，8，10，12 m和14 m工況時(shí)，隧道位移響應(yīng)變化較大，周邊位移曲線為深V型，有明顯的波峰和波谷。分析點(diǎn)1拱頂為波峰，分析點(diǎn)5拱底為波谷，側(cè)拱周邊位移在波峰及波谷之間分布。

由圖6可以看出:隧道側(cè)拱兩側(cè)在不同開挖方案工況下位移數(shù)值呈對(duì)稱分布，且隧道側(cè)拱右側(cè)的發(fā)生豎向位移的數(shù)值較左側(cè)的大，故圖6對(duì)稱軸略微向右傾斜。長(zhǎng)茂山隧道在修建時(shí)，圍巖處在復(fù)雜的受力狀態(tài)，隧道的開挖過(guò)程擾動(dòng)了圍巖應(yīng)力平衡使得圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致了隧道位移變化。隧道在開挖過(guò)程中發(fā)生偏壓，同時(shí)側(cè)拱右側(cè)豎向位移的數(shù)值較左側(cè)的大，故應(yīng)針對(duì)對(duì)隧道右側(cè)的圍巖進(jìn)行及時(shí)有效支護(hù)。

圖5 不同開挖進(jìn)尺隧道周邊位移特征Fig.5 Tunnel periphery displacement characteristics at different excavation footage

圖6 不同開挖進(jìn)尺隧道側(cè)拱位移特征Fig.6 Tunnel arch deformation characteristics at different excavation footage

3 對(duì)圍巖容許極限位移量的幾點(diǎn)探討

容許極限位移量是指自隧道開挖到其沉降數(shù)值趨于穩(wěn)定時(shí)，為使隧道不發(fā)生大的松動(dòng)和地表不發(fā)生有害沉降量，拱頂處發(fā)生的最大容許沉降值。在水平方向，也可以用在隧道起拱線位置處壁面間的最大容許位移值來(lái)表示容許極限位移量[12-13]。

以圍巖發(fā)生的位移作為隧道失穩(wěn)的判據(jù)，難點(diǎn)在于其容許位移值的確定。目前，對(duì)于隧道容許極限位移值，國(guó)內(nèi)外提出了很多的標(biāo)準(zhǔn)。法國(guó)M.Louis提出圍巖容許位移隨隧道的埋深而變化，位移值約為隧道埋深的1‰；日本在“新奧法設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南草案”中提出隧道的允許凈空收斂值應(yīng)按圍巖類別來(lái)劃分；在奧地利，阿爾貝格隧道的駐地工程師提出凈空變化的允許值為隧道半徑的10%，但最大不超過(guò)30 mm[14]。

在鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中提出，隧道開挖變形量與多種因素有關(guān)，應(yīng)根據(jù)所接觸圍巖類別、支護(hù)情況、隧道的埋置深度、施工方法等采用工程類比方法來(lái)確定容許極限位移量。當(dāng)工程復(fù)雜無(wú)法類比既有隧道時(shí)，容許位移值可按表3來(lái)確定[15]。由表3可以看出：隧道的“合理”容許位移量是一個(gè)動(dòng)態(tài)的范圍值?；谒淼篱_挖安全和經(jīng)濟(jì)等因素下，“合理”容許位移量在綜合考慮多種施工條件和所處工程地質(zhì)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)范圍值。

本次隧道開挖過(guò)程中，不同開挖進(jìn)尺條件下，圍巖最大豎向位移值如表4所示，可見(jiàn)開挖進(jìn)尺越大，圍巖位移及應(yīng)力值也相應(yīng)隨之增大。

表3 預(yù)留變形量Tab.3 Reserved deformation

表4 圍巖最大豎向變形與開挖進(jìn)尺的關(guān)系Tab.4 Relationship between maximum vertical deformation of surrounding rock and the excavated footage

將表4數(shù)據(jù)用Logistic增長(zhǎng)函數(shù)進(jìn)行擬合，Logistic增長(zhǎng)函數(shù)所擬合的曲線是一條S形曲線，與圍巖豎向位移圖發(fā)展的趨勢(shì)相似，其表達(dá)式為：S=Smax/（1+ea-bx），式中：S為圍巖豎向位移；x為變量；a、b為待求參數(shù)；Smax為最大豎向位移。拱頂應(yīng)力擬合過(guò)程同上。

由圖7和圖8可以看出：①開挖進(jìn)尺為1 m和2 m時(shí)，圍巖位移及拱底處應(yīng)力值增長(zhǎng)較為緩慢，開挖對(duì)地層的擾動(dòng)影響相對(duì)較小，且最大位移量均小于2 mm，拱頂應(yīng)力均小于45 kPa；②開挖進(jìn)尺為4 m時(shí)，圍巖最大豎向位移及拱頂應(yīng)力增長(zhǎng)速度大于開挖進(jìn)尺為1 m和2 m的增長(zhǎng)速度，開挖過(guò)程中位移量增大至4.29 mm，小于規(guī)范對(duì)于單洞隧道中容許位移變化5 mm。故在實(shí)際施工過(guò)程中宜采用此階段的開挖進(jìn)尺；③開挖進(jìn)尺為6 m時(shí)，此階段曲線斜率為圖7～圖8中的最大值，圍巖豎向位移和拱底應(yīng)力得到了極大的發(fā)育，豎向最大位移由4.29 mm增大至14.31 mm，增大了233.57%，拱頂應(yīng)力由80 kPa增大至143 kPa，增大了78.75%，隨著隧道開挖的進(jìn)行，在隧道拱頂處形成應(yīng)力集中；④開挖進(jìn)尺為8～14 m，其豎向位移及應(yīng)力增長(zhǎng)滯緩，增長(zhǎng)速度趨近于水平線，隨著開挖進(jìn)尺的變化，無(wú)論是位移還是應(yīng)力數(shù)值變化都很小。

開挖進(jìn)尺越大，釋放位移也相對(duì)越大。因此，淺埋無(wú)斷層且富含地下水隧道施工中，宜采用縮小開挖進(jìn)尺、同時(shí)對(duì)薄弱處進(jìn)行及時(shí)有效支護(hù)等方式來(lái)減小圍巖位移量。

圖7 不同開挖進(jìn)尺下圍巖最大豎向位移Fig.7 Maximum vertical displacement of surrounding rock at different excavation footage

圖8 不同開挖進(jìn)尺下拱頂應(yīng)力Fig.8 Vault stress at different excavation footage

4 結(jié)論

對(duì)臺(tái)階法不同開挖方案下隧道施工過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，得出了以下結(jié)論：

1）圍巖位移變化主要在拱頂及拱底附近。側(cè)拱兩側(cè)位移呈對(duì)稱分布。

2）圍巖的最大變形量隨開挖循環(huán)進(jìn)尺增大相應(yīng)增大，當(dāng)開挖進(jìn)尺增大到6 m后，圍巖發(fā)生最大位移增長(zhǎng)滯緩。

3）圍巖豎向位移和拱頂應(yīng)力隨開挖進(jìn)尺變化的規(guī)律可以采用Logistic增長(zhǎng)函數(shù)進(jìn)行擬合。

4）在長(zhǎng)茂山隧道地質(zhì)、支護(hù)條件下,僅從施工進(jìn)度方面來(lái)說(shuō)，循環(huán)開挖進(jìn)尺以4 m為宜。

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Analysis on Stability and Variability of Surrounding Rock in Tunnel Based on Different Excavated Programs

Diao Xinhong，Zhu Chen，Yu Yang
（Jiangxi Key Laboratory of Geotechnical Engineering Infrastructure Security and Control，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Different footage can cause the deformation of surrounding rock in tunnel excavation and exceeding the allowable deformation value would bring harm to surrounding rock stability in the tunnel.Taking the shallow-buried double-lane tunnel Changmaoshan Tunnel as an example,using the finite element software ABAQUS to conduct numerical simulation in different excavated cyclic footage conditions in the process of tunnel construction,this study analyzes the rules of the surrounding rock deformation with different footage in view of the displacement and stress by step method.It shows that displacement response is mainly distributed in the vicinity of the arch bottom and arch vault;Cyclic excavation footage is small while the influence of excavated disturbance on ground is relatively small and the maximum deformation of surrounding rock is smaller;The maximum deformation of the surrounding rock increases with the increase of excavated cyclic footage correspondingly; Growth rate is indeterminate,and the maximum displacement growth of the surrounding rock has stagnated when excavated footage increases to a certain number of meters.It proposes the appropriate circular excavation footage to 4m.

excavated footage；shallow tunnels；numerical simulation；deformation

U25

：A

1005-0523（2017）01-0021-07

（責(zé)任編輯 王建華）

2016－08－10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （51509092）；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （20161BAB216141）；江西省教廳科研項(xiàng)目（150518）；巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（Z015004）

刁心宏（1961—），男，教授，博士，研究方向?yàn)閹r土工程、道路與鐵道工程。