俞斌

摘要：公路隧道施工中，復(fù)雜工程地質(zhì)條件下隧道開挖方式的選擇對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性、施工安全及保證施工進(jìn)度起到確定性作用。為了優(yōu)化梅花隧道開挖方式，本文采用MIDAS/GTS有限元軟件對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行模擬計(jì)算，分析不同開挖方式下隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變特征，結(jié)果表明：?jiǎn)蝹?cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力最大，全斷面開挖方法次之，上下臺(tái)階分步開挖方法對(duì)應(yīng)的拱頂圍巖應(yīng)力最小;采用全斷面開挖法、單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法時(shí)，隧道拱頂區(qū)域會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力;采用全斷面開挖法對(duì)應(yīng)的高應(yīng)力區(qū)位于與拱腰圍巖開挖邊界處，而采用上下臺(tái)階分步開挖法對(duì)應(yīng)的拱腰圍巖高應(yīng)力區(qū)則離開挖邊界有一定距離。

Abstract： In the construction of highway tunnels， the selection of tunnel excavation methods under complex engineering geological conditions plays a deterministic role in the stability of the tunnel surrounding rock， construction safety and ensuring the construction progress. In order to optimize the excavation method of the Meihua tunnel， this paper uses MIDAS/GTS finite element software to simulate the tunnel excavation process and analyze the stress and strain characteristics of the tunnel surrounding rock under different excavation methods. The results show that the surrounding rock stress corresponding to the single-side pilot tunnel method is the largest， followed by the full-section excavation method， and the vault surrounding rock stress corresponding to the stepwise excavation method of the upper and lower steps is the smallest; when the full-face excavation method and the single-side pilot pit excavation method are used， tensile stress will be generated in the tunnel vault area; the high-stress area corresponding to the full-face excavation method is located at the boundary of the excavation of the arch waist surrounding rock， while the high-stress area of the arch waist surrounding rock corresponding to the stepwise excavation of the upper and lower benches is a certain distance away from the excavation boundary.

關(guān)鍵詞：公路隧道;開挖方式;圍巖;應(yīng)力應(yīng)變;有限元分析

Key words： highway tunnel;excavation method;surrounding rock;stress and strain;finite element analysis

中圖分類號(hào)：U455.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）32-0141-03

0? 引言

近十來年，隨著福建省對(duì)公路建設(shè)投資規(guī)模的不斷加大，公路網(wǎng)的建設(shè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。福建位于中國東南沿海地區(qū)，境內(nèi)丘陵連綿，為了縮短交通時(shí)間，修建了大量的隧道。由于丘陵地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，同一座隧道可能穿越不同地層，隧道的開挖方式和支護(hù)形式需要根據(jù)相應(yīng)地質(zhì)條件的不斷變化而調(diào)整。本文針對(duì)梅花隧道復(fù)雜工程地質(zhì)條件，分析不同開挖方式對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力和位移的影響，并對(duì)梅花隧道開挖方式的選擇進(jìn)行探討。

1? 工程概況

省道縱七線將樂縣梅花至玉華段公路建設(shè)工程設(shè)置隧道1座，起止樁號(hào)為K1+240～K2+370，隧道全長(zhǎng)1130m。本隧道為單洞雙車道，坡度/坡長(zhǎng)：2.25%/896.38m、-1.2%/243.62m，最大埋深88m。進(jìn)口K1+245，洞頂覆蓋層2.7m，出口K2+356，洞頂覆蓋層2.3m。根據(jù)鉆孔揭示，隧道所在范圍地層較復(fù)雜，主要為二疊系棲霞組（P1q）;巖性以深灰、灰黑色薄層-巨厚層微晶灰?guī)r為主，頂部為硅質(zhì)巖，二疊系下統(tǒng)文筆山組（P1w）：巖性以灰、灰黑色薄-中厚層泥巖、粉砂巖為主、震旦系下統(tǒng)丁屋嶺組下段（Z1dn1）：巖性為石英云母片巖。表層零星分布有第四系沖積和坡殘積層。此外，隧道范圍存在一條F2構(gòu)造帶（中風(fēng)化粉砂巖夾泥巖、石英云母片巖）：灰色，巖石較為破碎，具硅化、綠泥石化、見構(gòu)造角礫，構(gòu)造上盤為二疊系文筆山組粉砂巖（夾泥巖），下盤為震旦系下統(tǒng)丁屋嶺組下段石英云母片巖，構(gòu)造帶穿過線路K1+780，屬于燕山晚期張性斷層。隧道區(qū)地下水主要孔隙-裂隙水和基巖裂隙水。風(fēng)化基巖中的孔隙-裂隙水賦存于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層中，接受大氣降水的補(bǔ)給，厚度較小，水量較貧乏。隧道圍巖分級(jí)如表1。

2? 數(shù)值模型的建立

2.1 計(jì)算模型

為了分析不同開挖方式對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性及變形的影響，文中利用MIDAS/GTS有限元軟件，采用彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則對(duì)隧道施工全過程進(jìn)行模擬計(jì)算[1]，分析隧道施工過程中隧道圍巖應(yīng)力、位移變，隧道計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

計(jì)算中只考慮自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。除上部邊界面自由外，其它邊界面均具有法向約束。計(jì)算中圍巖采用四面體實(shí)體單元。在分析隧道最終變形及圍巖應(yīng)力分布時(shí)，采用二維平面應(yīng)變模型，圍巖采用平面四邊形單元，各參數(shù)設(shè)置與三維模型一致。模型中，z方向?yàn)樨Q向坐標(biāo)軸，x方向?yàn)樗淼罊M向坐標(biāo)軸，y方向?yàn)樗淼姥厮淼雷呦蜃鴺?biāo)軸[2]。

在應(yīng)力分析中，用σzz、σxx分別表示z方向和x方向的正應(yīng)力，用σ1、σ3分別表示最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。由于MIDAS軟件默認(rèn)拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，在進(jìn)行云圖分析時(shí)，采用軟件默認(rèn)的符號(hào)標(biāo)記方式;而將數(shù)據(jù)導(dǎo)出繪制相關(guān)曲線時(shí)，對(duì)應(yīng)力值乘以負(fù)號(hào)對(duì)其進(jìn)行符號(hào)調(diào)整。在變形分析中，豎直方向以向上為正，對(duì)于側(cè)向變形，以朝向隧道軸線方向記正。

2.2 參數(shù)的選取

為分析開挖方法對(duì)隧道應(yīng)力及變形的影響，計(jì)算中按照Ⅳ級(jí)圍巖地質(zhì)條件，分別采用全斷面開挖、單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖、雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖、上下臺(tái)階開挖法進(jìn)行三維模擬計(jì)算[3]，隧道埋深為88m，隧道寬為11.7m，高為8.0m，隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)參見表2。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，分析中不考慮二襯的作用，主要考慮隧道掌子面開挖、初襯的影響，初襯采用噴射混凝土加錨桿方式支護(hù)，襯砌厚度為0.2m，錨桿長(zhǎng)3.5m，間距2m×2m。

3? 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 開挖方式對(duì)隧道應(yīng)力的影響

通過有限元軟件模擬全斷面開挖、單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖、上下臺(tái)階開挖法，分析隧道開挖卸荷對(duì)拱頂圍巖的影響，圍巖拱頂豎向應(yīng)力σzz和水平應(yīng)力σxx如圖2所示。單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法對(duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力最大，全斷面開挖方法次之，上下臺(tái)階開挖方法對(duì)應(yīng)的拱頂圍巖應(yīng)力最小。這是由于單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖時(shí)，橫斷面高度較高而寬度小，呈扁平狹長(zhǎng)型斷面，易導(dǎo)致拱頂應(yīng)力集中，拱頂圍巖應(yīng)力大于全斷面開挖圍巖應(yīng)力;對(duì)于全斷面開挖方法，由于單步施工卸荷大，其引起圍巖應(yīng)力的增量較大，圍巖為達(dá)到新的變形協(xié)調(diào)，需要產(chǎn)生較大的卸荷變形，即拱頂沉降，當(dāng)圍巖軟弱時(shí)，過大的變形導(dǎo)致隧道失穩(wěn)破壞。

采用平面應(yīng)變模型，分析不同開挖方法對(duì)隧道開挖結(jié)束后圍巖應(yīng)力σ1、σ3的影響，如圖3所示，為上下臺(tái)階法開挖后圍巖應(yīng)力分布云圖，以負(fù)號(hào)表壓應(yīng)力、正號(hào)表拉應(yīng)力。

通過對(duì)全斷面開挖法、單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法、上下臺(tái)階開挖法等不同開挖方式進(jìn)行模擬計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

①采用全斷面開挖、單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖時(shí)，隧道拱頂區(qū)域會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)條件及時(shí)支護(hù)，對(duì)于圍巖條件差，應(yīng)采取超前支護(hù)措施對(duì)拱頂圍巖進(jìn)行加固，防止圍巖出現(xiàn)拉裂破壞。

②采用全斷面開挖對(duì)應(yīng)的高應(yīng)力區(qū)位于拱腰圍巖開挖邊界處，而采用上下臺(tái)階分步開挖對(duì)應(yīng)的拱腰圍巖高應(yīng)力區(qū)與開挖邊界有一定距離。因此，對(duì)于工程地質(zhì)條件較差或地質(zhì)復(fù)雜的隧道，應(yīng)盡量采用上下臺(tái)階法或CRD法進(jìn)行隧道開挖，避免圍巖因應(yīng)力過大而失穩(wěn)破壞。

3.2 開挖方式對(duì)隧道變形的影響

前面分析了不同開挖方式時(shí)圍巖應(yīng)力變化特征，下面對(duì)不同開挖方式下隧道變形特性進(jìn)行分析，如圖4為各開挖方法中施工步驟拱頂位移隨施工步驟關(guān)系曲線。采用上下臺(tái)階開挖法施工時(shí)，由于分多步施工，一次性開挖范圍小，拱頂變形是逐步發(fā)展的，單步施工引起的位移變化較小，而采用全斷面開挖法開挖時(shí)，斷面一次性開挖施工引起較大的位移。由于全斷面開挖較另外兩種方法變形速率大，單步施工引起位移增量大，所以地質(zhì)條件較差時(shí)，不能選擇全斷面方法進(jìn)行隧道開挖，宜根據(jù)地質(zhì)情況、隧道結(jié)構(gòu)特征及施工需要等選擇單側(cè)壁導(dǎo)坑法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑或CRD法等開挖方式。

4? 隧道開挖方式的選擇

由于梅花隧道工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，一座隧道內(nèi)存在不同的圍巖等級(jí)，且同一圍巖等級(jí)，其地質(zhì)條件也存在差異，隧道開挖時(shí)，需要根據(jù)隧道圍巖類別、地質(zhì)構(gòu)造特征、地下水條件及周邊環(huán)境等選擇相應(yīng)的施工方法。下面從洞口段和洞身段分別進(jìn)行分析。

4.1 洞口段

洞口段覆蓋層薄，圍巖地質(zhì)條件差，且圍巖地質(zhì)變化強(qiáng)烈，周邊環(huán)境復(fù)雜，為保證施工安全，是整個(gè)隧道施工地質(zhì)條件最差的段落，按照設(shè)計(jì)文件屬IV～V級(jí)圍巖，進(jìn)洞前需要采取超前支護(hù)措施，洞口邊坡需采用噴射混凝土護(hù)坡，洞內(nèi)采用CRD法開挖法。

4.2 洞身段

隧道內(nèi)主要為IV～V級(jí)圍巖，可根據(jù)掌子面揭示地質(zhì)情況采用臺(tái)階法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，具體選擇和優(yōu)化如表3。在地質(zhì)及水文條件較好且能保證施工安全的情況下，結(jié)合隧道實(shí)際情況也可采用其他可靠的施工工藝進(jìn)行施工。

在隧道開挖過程中，需要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，做到勤量測(cè)，并及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)成果，施工中根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整開挖參數(shù)，必要時(shí)需結(jié)合隧道地質(zhì)條件變化調(diào)整開挖方式，保證施工安全。

5? 結(jié)論

①隧道開挖方式對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力分布和變形影響較大，需要根據(jù)隧道圍巖類別、地質(zhì)構(gòu)造特征、地下水條件及周邊環(huán)境等選擇相應(yīng)的施工方法。

②單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法對(duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力最大，全斷面開挖方法次之，上下臺(tái)階開挖方法對(duì)應(yīng)的拱頂圍巖應(yīng)力最小。但全斷面開挖方法單步施工卸荷大，當(dāng)圍巖軟弱時(shí)，過大的變形導(dǎo)致隧道失穩(wěn)破壞。

③采用全斷面開挖法、單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法時(shí)，隧道拱頂區(qū)域會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)條件及時(shí)支護(hù)，對(duì)于圍巖條件差，應(yīng)采取超前支護(hù)措施對(duì)拱頂圍巖進(jìn)行加固，防止圍巖出現(xiàn)拉裂破壞。

④采用全斷面開挖對(duì)應(yīng)的高應(yīng)力區(qū)位于拱腰圍巖開挖邊界處，而采用臺(tái)階開挖法，對(duì)應(yīng)的拱腰圍巖高應(yīng)力區(qū)與開挖邊界有一定距離。因此，對(duì)于隧道工程地質(zhì)條件差、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜或異型斷面時(shí)，應(yīng)盡量采用上下臺(tái)階法或CRD法進(jìn)行隧道開挖，避免圍巖因應(yīng)力過大而失穩(wěn)破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖軍，楊萬霞.公路隧道開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2010（011）：173-176.

[2]管新邦.不同開挖方法對(duì)公路隧道圍巖穩(wěn)定影響分析[J].公路工程，2018，43（06）：193-197.

[3]張燕清.開挖方法對(duì)隧道圍巖應(yīng)力的影響分析[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（01）：72-77.