劉擇帥

（中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 101500）

引言

在上世紀50 年代新奧法提出后，施工方法不斷進步提高，其中CD、CRD 法的研究也層出不窮。在數值模擬方面，蘇培森等對軟巖隧道圍巖和支護結構的施工力學行為和變形性狀進行研究［3］；何云研究不同錨桿支護條件下大斷面巷道的空間變形規(guī)律和圍巖穩(wěn)定性問題［4］；羅劍航利用有限差分軟件FLAC3D，對軟弱圍巖隧道采用CRD 工法開挖過程中的應力、變形和塑性區(qū)的發(fā)展歷程進行模擬分析［6］；石常生等對Ⅳ級圍巖條件下采用的半步“CD”法隧道施工變形規(guī)律進行研究，對結構變形提出針對性控制措施［7］；蔡躍龍等通過有限元分析，證明在使用CRD 法進行施工時，在各部開挖的拐角處應力集中的程度最大［9］；張佳華針對三臺階法和CD 法，采用FLAC3D 軟件對Ⅴ級圍巖下的深埋隧道進行數值模擬分析［10］。大橫琴山隧道位于廣東省珠海市橫琴山脈，研究斷面位于大橫琴山一號隧道YK1+180 斷面，最大高度達16.32 m，最寬處為28.23 m，斷面面積大于360 m2，其主要地質結構為花崗巖，圍巖級別為Ⅲ級圍巖，采用CD 法開挖，針對斷面面積過大，左右開挖洞分上下大坑進行分步開挖。支護方案：錨噴支護，鋼筋網和鋼拱架聯合支護體系，C25 噴混凝土31 cm。

1 有限元模型的建立

1.1 計算參數的選取

Ⅲ級圍巖花崗巖巖性較好，在模擬時選擇彈性或者彈塑性模擬，在其他條件相同的情況下使用彈性土體本構及摩爾-庫倫土體本構進行模擬，觀察結果情況。彈性土體本構及支護結構參數見表1、摩爾-庫倫土體本構及支護結構參數見表2。

表1 彈性土體本構及支護結構參數

表2 摩爾-庫倫土體本構及支護結構參數

1.2 有限元模型的建立

使用ABAQUS 軟件建立200×120 的二維平面模型，采用實體單元模擬土體結構；采用梁單元模擬初期支護及錨桿結構；模型下部進行X、Y 方向的約束，左右邊界約束X 方向，開挖過程見圖1。

施工步序：右上導坑→右下導坑→左上導坑→左下導坑→拆除中隔壁。在計算分析步序中，設置在土體開挖時，先設置開挖區(qū)模量衰減40%，隨后施加初期支護及錨桿，最后去除開挖部分，以此來模擬應力釋放。模型網格劃分見圖2。

圖1 施工步序

圖2 模型網格劃分

2 數值模擬分析

2.1 彈性土體本構及摩爾-庫倫土體本構模擬結果對比

彈性土體本構與彈塑性土體本構模擬結果對比見表3?？梢钥闯?，在其他條件相同的情況下，其拱頂沉降僅相差6×10-5mm；兩種模擬相應位置的錨桿軸力、支護軸力及彎矩都相差極小，證明在該土體條件下，使用彈性土體本構進行模擬，在誤差允許范圍內。本工程條件下，花崗巖的巖性較好，即便使用彈塑性土體本構進行模擬，其結果也未出現塑性應變，證明彈性土體本構也可在模擬中使用。

表3 彈性與彈塑性土體本構結果對比

圖3 各施工步合位移云圖

2.2 圍巖位移變化分析

在隧道開挖后，即使及時進行支護，由于應力的釋放，巖體也會產生位移。利用有限元模擬結果，觀察圍巖位移變化情況，有利于明確圍巖最不利部位，以確定圍巖位移監(jiān)測的著重點。每一施工步序后的圍巖合位移、豎直位移、水平位移變化圖，見圖3～圖5。

根據數值模擬計算，在每一施工步序開挖后，開挖空洞上下中部產生較大位移變化，上部向下沉降，下部向上隆起，且水平位移明顯小于豎向位移，因此使用豎向位移作為判斷的主要依據。各施工步豎向位移分布見圖6，選取拱頂、左右拱肩、仰拱及地表等特征點，觀察其位移變化規(guī)律。

從圖4～圖6中可以看出：（1）在中隔壁拆除之前，右拱肩的下沉值大于拱頂的下沉值，同時在左上導坑開挖后，左拱肩的下沉值也大于拱頂的下沉值，因此在開挖導坑的過程中，應對右拱肩及左拱肩處進行實時監(jiān)測。（2）在中隔壁拆除后，拱頂的下沉明顯大于拱肩處，且下沉幅度明顯大于之前施工步，說明中隔壁對圍巖起到一定的支護能力，在支護結構穩(wěn)定的前提下，在中隔壁拆除后，需對拱頂部位的下沉進行監(jiān)測，以防止拱頂下沉過大而產生不利影響。（3）在導坑開挖時，導坑下部圍巖會有一定量的隆起，尤其在中隔壁拆除后，仰拱處隆起較大，是因為巖體開挖卸荷后土體回彈造成的，所以在實際工程中，可以在中隔壁拆除后施加仰拱。（4）在中隔壁拆除后，地表沉降相對較小，應對拱中心處地表進行監(jiān)測，預報不易觀察的拱頂至地表段土體發(fā)生的不利變化。

圖4 各施工步豎向位移云圖

圖5 各施工步水平位移云圖

圖6 各施工步豎向位移分布

2.3 支護結構穩(wěn)定性

2.3.1 錨桿應力分析

在隧道施工中，錨桿的支護機理在于支護結構中錨桿深埋于圍巖之中，將圍巖加固在一起，使圍巖自身支護自身，因其對圍巖的約束力是通過錨桿與圍巖之間的剪應力傳遞的，所以錨桿在圍巖中大多受拉力［2］。

圖7為各施工步序錨桿軸力云圖，通過軟件處理，將錨桿受壓部分顯示為黑色，同樣可以看出錨桿大多受拉，使用有限元數值模擬，就可以單獨觀察錨桿受力，以確定圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 各施工步序錨桿軸力分布云圖

可以看出，在中隔壁拆除之前的各施工步序中，位于拱頂和各開挖洞的洞腳處錨桿受壓，但數值較小，在其余位置大多受拉，且其值在一定的范圍內波動。實際上，在ABAQUS 軟件中，將錨桿內嵌到圍巖中，相當于提升圍巖的黏聚力，錨桿軸力分布受圍巖位移變化、復雜應力等影響。針對在拱頂及各開挖洞洞腳極小范圍內，鄰近錨桿軸力相差極大的情況，建議在拱頂各開挖洞洞腳處進行安全監(jiān)控。

2.3.2 初噴應力分析

借助有限元模擬，可以了解支護結構內部情況，使用梁單元對其進行模擬，觀察其軸力及彎矩分布情況，判斷支護結構可能開裂的部位，在進行監(jiān)測時，對這些部位進行重點監(jiān)測，能夠提高效率及準確率。圖8～圖9 為支護結構各施工步序軸力分布圖及各施工步彎矩分布。

圖8 各施工步序初噴軸力分布云圖

圖9 各施工步序初噴彎矩分布云圖

（1）由圖8 可得，由于圍巖變形向內擠壓，初噴軸力多為受壓，且數值較大，而且初噴緊貼巖壁，因而受拉區(qū)域均在圍巖位移較大處，在各個施工步后，軸力較大處多位于開挖坑洞的洞腳處。（2）由圖9 可得，中隔壁在壁頂、壁底及壁中處彎矩值較大，在中隔壁拆除后，彎矩值較大處也集中在拱頂、邊墻、拱腳及仰拱等部位。

隧道拱頂、墻腳、邊墻、仰拱及中隔壁壁中處的單元應力是處于最可能的不利點，且由于結構受力沿中隔壁對稱，其軸力及彎矩呈對稱分布。選取先開挖邊關鍵部位作為參考分析點，列出其軸力及彎矩值，其結果見圖10、圖11。

圖10 各施工步序關鍵點彎矩

圖11 各施工步序關鍵點軸力

由圖10 和圖11 可得：從彎矩來看，墻角處的彎矩值一直較大；從軸力來看，墻角與邊墻處的軸力僅次于中隔壁，對于扁平狀的隧道開挖，墻角及邊墻處也極易產生應力集中，所以對墻角及邊墻處應該重點監(jiān)測，若有支護開裂情況，應及時進行安全警報。（1）中隔壁在左上導坑開挖后軸力和彎矩都急劇增大，其作為豎向支撐，軸力值顯然較大，再加上當彎矩過大時，中隔壁極易失穩(wěn)，發(fā)生破壞，所以在施工時需對中隔壁進行重點觀測，監(jiān)測其穩(wěn)定性并且觀察是否開裂，必要時施加橫撐或者其他保護措施以防止失穩(wěn)。（2）自右下導坑開挖后，仰拱處的彎矩值巨大的變化可能是由于仰拱處的圍巖產生極大的向上隆起，同樣在實際工程中，可以待中隔壁拆除后施加仰拱來保護圍巖。

3 結語

（1）針對本工程中圍巖為Ⅲ級圍巖花崗巖，其巖性較好，在數值模擬時，使用彈性土體本構及彈塑性土體本構計算的結果差距不大，在可以忽略的誤差下，可以使用彈性土體本構進行模擬。（2）根據圍巖位移變化，應著重觀察拱頂、拱肩、仰拱中心的豎直方向位移變化，尤其在中隔壁拆除后，應對拱頂的位移變化重點監(jiān)測，并對地表沉降進行監(jiān)測。（3）根據支護結構和錨桿軸力及彎矩分布，應對拱頂、拱腳、邊墻及著重監(jiān)測，觀察是否開裂，以防止不利影響的產生；同時也不能忽視中隔壁的監(jiān)測，必要時施加橫撐防止中隔壁失穩(wěn)。