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        軟巖隧道不同開挖方法對圍巖變形的影響

        2018-08-02 12:21:10高玉明
        筑路機械與施工機械化 2018年7期
        關鍵詞:圍巖模型施工

        高玉明

        (中鐵十四局集團有限公司,山東 濟南 250000)

        0 引 言

        隨著高速鐵路的不斷建設,各種長、深隧道施工不可避免,軟弱圍巖是隧道在修建時經(jīng)常會遇到的一種不良地質。在未開挖之前,軟弱圍巖一般具有較好的穩(wěn)定性,但當隧道開挖時,軟弱圍巖受到擾動,圍巖的穩(wěn)定性就會受到破壞[1-6]。國內對軟弱圍巖隧道的開挖穩(wěn)定性進行了很多的研究[7-12],而研究不同開挖方法對軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性的影響也具有重要的意義。

        1 工程概況

        大岐山隧道位于里家寨河的峽谷地帶,起點里程為DK599+820,終點里程為DK609+322,正洞長9 502 m,最大埋深約528.5 m。隧道為單洞雙線I級鐵路隧道,設計行車速度為200 km·h-1,并預留提速至250 km·h-1的條件。隧道區(qū)地形陡峻,穿越的地層巖性為寒武系水口群上亞群淺海相砂、頁巖和泥盆系下統(tǒng)蓮花山濱海相的紫紅色碎屑巖,圍巖以Ⅲ級至Ⅳ級為主,穿越多條斷層(4條斷層及6條次級斷層),工程地質條件較差,局部穿越灰?guī)r夾層段,可能涌水涌泥,存在人工平硐、巖爆、軟巖大變形等不良地質。

        2 不同開挖方法數(shù)值模擬

        2.1 模型尺寸及參數(shù)選取

        隧道的斷面凈高為10.3 m,最大跨度為12.06 m,埋深約10 m,計算模型縱向取3倍的隧道跨度(36 m),左右兩邊寬度各取3倍跨度(36 m),模型沿隧道開挖掘進方向取30 m,每步開挖進尺為3 m。所取模型的尺寸為80 m×30 m×75 m,如圖1所示。

        圖1 有限元軟件計算模型

        隧道圍巖和開挖部分采用德魯克-普拉格本構模型,開挖時中間的鋼支撐和初期支護按彈性材料進行模擬,初期支護采用板單元進行模擬,鋼支撐采用1D梁單元進行模擬,不考慮地下水的滲流作用。模型的計算參數(shù)如表1所示。

        表1 圍巖及襯砌的物理力學參數(shù)

        2.2 施工過程模擬

        運用有限元計算軟件MIDAS/GTS對該隧道工程進行施工過程的數(shù)值模擬[13-14]。為了能夠綜合考慮隧道施工進尺以及圍巖變形的空間效應和時間效應,在計算時每一個計算步模擬一個開挖步,每一步計算施工3 m,臺階法和雙側壁導坑法的施工工序分別見圖2、3。

        圖2 臺階法施工工序

        圖3 雙側壁導坑法施工工序

        臺階法共有13個施工階段:第1步計算模型的初始應力;第2步開挖隧道的上臺階,掘進進尺為3 m,根據(jù)開挖一段、封閉成環(huán)一段的原則施工;第3步施工隧道的拱頂以及中間的橫撐;第4步開挖隧道的下臺階;第5步施工隧道的仰拱,到此為施工階段的一個循環(huán),上臺階開挖比下臺階超前3 m[15-17]。

        雙側壁導坑法共有21個施工階段:第1步計算模型的初始應力;第2步開挖①處的土體,開挖進尺為3 m,根據(jù)開挖一段、封閉成環(huán)一段的原則施工;第3步施作①處的拱墻和內部的鋼支撐;第4步開挖②處的土體,開挖進尺為3 m;第5步施作②處的拱墻和內部的鋼支撐;第6步開挖③處的土體,開挖進尺為3 m;第7步施作③處的拱墻;第8步開挖④處的土體,開挖進尺為3 m;第9步施作④處的拱墻;第10步開挖⑤處的土體;第11步施作拱頂以及⑤處的鋼支撐;第12步開挖⑥處的土體;第13步施作仰拱,至此完成雙側壁導坑法的一個循環(huán),依此循環(huán)到開挖結束[18-19]。

        臺階法和雙側壁導坑法的計算模型斷面見圖4、5。

        圖4 臺階法計算模型斷面

        圖5 雙側壁導坑法計算模型斷面

        2.3 計算結果分析

        2.3.1 圍巖位移分析

        隧道開挖完成之后,隧道各關鍵點的位移值如表2所示。臺階法由于上臺階一次開挖完成,拱頂以上的土壓力一次釋放,因此最大沉降發(fā)生在拱頂位置。雙側壁導坑法由于是分塊開挖,并且及時施作支撐以及初期支護,因此開挖時圍巖關鍵點的位移值都不大,但由于拱頂下部土體開挖量較大,因此拱頂沉降也最大。

        通過對比可以發(fā)現(xiàn),雙側壁導坑法開挖時,隧道圍巖的拱頂沉降比臺階法小31.31%,說明在有軟弱圍巖存在時,雙側壁導坑法比臺階法更能控制圍巖的變形。

        表2 圍巖關鍵點位移值 mm

        臺階法開挖過程中拱頂沉降隨開挖步的變化如圖6所示。當?shù)?步開挖后,拱頂沉降隨即增加,且增加趨勢較大;及時進行初期支護并施作鋼支撐之后,拱頂沉降量開始下降;下臺階開挖后,拱頂沉降增加了約1 mm,當仰拱施作完成后,拱頂沉降趨于穩(wěn)定;之后的開挖對拱頂沉降影響較小,最大的拱頂沉降值為13.32 mm。

        圖6 臺階法拱頂位移值隨開挖步變化曲線

        圖7 雙側壁導坑法隨開挖步變化曲線

        雙側壁導坑法開挖過程中拱頂沉降隨開挖步的變化如圖7所示。在第5步開挖之前,拱頂沉降以一種很小的趨勢增加,每步增加量約為1 mm;當開挖到第10步,即開挖拱頂以下的土體時,拱頂沉降的增加趨勢變大;當拱頂?shù)某跗谥ёo和鋼支撐施作完成后,拱頂沉降的趨勢開始減??;當最后一步開挖完成后,拱頂沉降增加了約1 mm;隧道仰拱施作完成之后,拱頂沉降趨于穩(wěn)定,之后的每步開挖造成的拱頂沉降的增加量很小,最大的拱頂沉降值為9.14 mm。

        雙側壁導坑法對圍巖的位移控制效果更好,各個工作面封閉成環(huán)時間短,能夠盡早為圍巖提供支護作用,拱頂沉降的最大值為9.14 mm,小于臺階法的13.32 mm。

        2.3.2 應力分析

        隧道開挖完成后,初期支護關鍵點最大、最小主應力如表4所示。雙側壁導坑法和臺階法的拱頂應力均最大,其次是拱肩應力;隧道最大跨度位置處的壓應力大于其他各關鍵點;臺階法最小壓應力位于拱腳處,雙側壁導坑法最小壓應力位于拱底處;雙側壁導坑法的拉應力和壓應力均小于臺階法。

        表4 圍巖關鍵點最大、最小主應力 MPa

        臺階法拱頂應力隨開挖步的變化如圖8所示。當開挖到第7步之前,拱頂?shù)睦瓚σ恢北容^穩(wěn)定,保持在0.5~1 MPa之間;當?shù)?步開挖完成之后,隧道圍巖的拉應力驟然上升;隨后,隧道圍巖的拉應力穩(wěn)定在2 MPa左右,最大拉應力為2.1 MPa。圍巖的壓應力受開挖的影響較早,當開挖到第6步時,圍巖的壓應力就出現(xiàn)了顯著的增長,當開挖第8步完成之后,圍巖的壓應力穩(wěn)定在2.5 MPa左右,最大壓應力為2.52 MPa。

        圖8 臺階法拱頂應力隨開挖步變化曲線

        雙側壁導坑法拱頂應力隨開挖步的變化如圖9所示。當開挖到第8步之前,拱頂?shù)睦瓚σ恢狈€(wěn)定在1 MPa以下;當?shù)?步開挖完成之后,拱頂?shù)睦瓚ν辉?;?步開挖完成之后,拉應力的增長趨勢逐漸穩(wěn)定,最大拉應力為1.84 MPa。相比拉應力,壓應力的變化趨勢較為平緩,處于一種逐漸上升的趨勢,當?shù)?6步開挖完成之后,壓應力的增大趨勢下降較為明顯,最大壓應力為1.48 MPa。

        圖9 雙側壁導坑法拱頂應力隨開挖步變化曲線

        雙側壁導坑法的拉應力和壓應力受開挖步數(shù)影響的程度均小于臺階法,所以雙側壁導坑法相對于臺階法更能有效地控制拱頂應力。

        3 結 語

        (1)開挖穿越軟弱圍巖的隧道會對圍巖產(chǎn)生較大的影響,采取不同的開挖方式對圍巖的位移及應力產(chǎn)生的影響不同。

        (2)利用有限元軟件MIDAS/GTS對不同開挖方法下隧道開挖的全過程進行數(shù)值模擬,總結了圍巖的位移和應力隨開挖步數(shù)的變化規(guī)律,得出隧道穿越軟弱圍巖時圍巖的變化趨勢。通過這種方法,能夠合理選擇隧道的開挖方法,在保證隧道圍巖安全的前提下減少開挖成本。

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