曹文豪，季憲軍，司小偉

(南陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院 河南 南陽 473000)

0 引言

軟巖隧道工程一直是世界性的難點(diǎn)工程，尤其是隧道逐漸向大型和超大型的方向發(fā)展，隨之也帶來了一系列圍巖變形、剝落等問題。隧道圍巖穩(wěn)定性是業(yè)界人士一直比較關(guān)注的重點(diǎn)，在軟弱圍巖條件下的大斷面隧道開挖支護(hù)更是其中的難點(diǎn)。

國外對(duì)于軟巖巷道工程的研究起步要遠(yuǎn)早于我國，早在19世紀(jì)A Haim和W J M Rankine等人就提出了古典理論，之后奧地利工程師對(duì)前面的理論進(jìn)行總結(jié)并提出了著名的新奧法理論[1]。新奧法被稱為是一種隧道設(shè)計(jì)施工的方法理論，其核心是利用巖體自身承載力并與人工支護(hù)結(jié)合一同維護(hù)隧道的穩(wěn)定性[2,3]。20世紀(jì)70年代，新奧法施工在國外的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，隨著我國隧道軟巖研究大門的打開，我國各種原理、方法陸續(xù)問世，比如馮豫等教授經(jīng)過不斷分析和研究提出的聯(lián)合支護(hù)理論，于學(xué)馥教授研究出的軸變理論，陳宗基教授建國初期就軟弱巖體巷道支護(hù)問題發(fā)布的巖性轉(zhuǎn)化理等[4,5]。上述理論的提出也進(jìn)一步發(fā)展和完善了我國軟弱圍巖支護(hù)的理論，同時(shí)數(shù)值模擬方法[6-9]的豐富為圍巖穩(wěn)定性支護(hù)理論的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文以坪坎-漢中高速公路某大斷面隧道軟弱圍巖工程為背景，用FlAC3D進(jìn)行具體巖體的數(shù)值模擬并對(duì)拱形隧道斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。對(duì)軟巖隧道開挖后、支護(hù)后的位移收斂和應(yīng)力變形進(jìn)行檢測(cè)和研究，科學(xué)地對(duì)隧道穩(wěn)定性做出客觀實(shí)際的規(guī)律總結(jié)，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際施工。

1 某隧道工程概況

坪坎-漢中高速公路施工地段位于秦嶺南側(cè)，該地區(qū)常年陽光輻射少，溫度高，雨量大。圍巖多以全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為主要特征，隧道圍巖是極軟巖，且地下水系復(fù)雜，這就不可避免地導(dǎo)致隧道施工過程中會(huì)出現(xiàn)圍巖松散破碎，涌水甚至支護(hù)變形等病害，所以該地段施工難度較高，安全風(fēng)險(xiǎn)大，施工過程中應(yīng)當(dāng)極其重視。

該隧道主要位于頁巖中，隧道為拱形隧道，上半部分為拱頂為半徑為5.55 m的半圓，下半部分為寬11.1 m，高4 m的矩形。斷面面積為92.7 m2，按照凈空面積分類屬于大斷面隧道。

2 支護(hù)方案及參數(shù)

軟弱巖體穩(wěn)定性差，所以一定要“強(qiáng)支護(hù)、快閉合”[10]。這就要求初期支護(hù)具有強(qiáng)大的承載力，及時(shí)設(shè)置仰拱，使隧道襯砌結(jié)構(gòu)在合適時(shí)間盡早形成拱形合圍結(jié)構(gòu)，利用拱形結(jié)構(gòu)自身的力學(xué)性質(zhì)，使得圍巖保持穩(wěn)定。

隧道的支護(hù)方式采用管棚支護(hù)，初期支護(hù)選用管棚支護(hù)，沿隧道開挖工作面打入厚壁鋼管，在鋼管中灌注混凝土，在其支撐作用下，然后做其他支護(hù)。二次襯砌時(shí)采用C30 鋼筋混凝土為主要支護(hù)材料，在綁扎鋼筋后，采用液壓整體式襯砌臺(tái)車進(jìn)行二次襯砌，拱墻整體一次性施工。其工程地質(zhì)具體各土層數(shù)據(jù)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如地質(zhì)和支護(hù)參數(shù)表1所示。

3 模型建立

利用FLAC 3D對(duì)軟弱圍巖大斷面隧道進(jìn)行開挖和支護(hù)模擬[9]，針對(duì)巖土力學(xué)中材料的多樣性和各種材料之間異同性，F(xiàn)LAC軟件可擇的本構(gòu)模型可以簡(jiǎn)單概括為以下幾種：一種空模型、3種彈性模型、7種塑性模型。此次采用摩爾-庫倫模型(Mohr-Coulomb Model)，該模型適用于普通土壤和巖石的力學(xué)行為(如邊坡穩(wěn)定和地下開挖)，對(duì)應(yīng)的材料特征為：松散膠結(jié)的顆粒材料、土壤、巖石、混凝土等。

FLAC3D數(shù)值模擬過程中，有3部分需要嚴(yán)格制定，第一步是有限差分網(wǎng)格，第二步是選擇本構(gòu)模型并且輸入材料特性即對(duì)材料進(jìn)行賦值第三步則是確定模型的邊界和初始條件，數(shù)值模擬大概流程如圖1所示。

表1 地質(zhì)和支護(hù)參數(shù)表

圖1 數(shù)值模擬流程

模擬過程分為：數(shù)值模型建立、本構(gòu)模型的選擇、設(shè)置邊界條件、初始條件施加、材料參數(shù)進(jìn)行賦值、開挖、初次支護(hù)和二次襯砌、設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果輸出。本次建模尺寸為： 50 m×10 m×70 m，最終得出模擬的完整圖如圖2所示。

確定邊界時(shí)，將模型Z軸下端固定，上端不固定，Z軸為-36.55 m，X軸左右邊界均需要固定，X左端為-50 m，右端為50 m，Y軸前后兩端均需固定，Y軸前端為0 m后端為10 m。重力加速度的大小為10 m/s2，方向鉛錘向下。本論文主要用的材料的物理參數(shù)有密度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、體積模量、剪切模量、抗拉強(qiáng)度，具體如表1所示。

圖2 數(shù)值模型

建立初始應(yīng)力狀態(tài)的巖體結(jié)構(gòu)模型后，把結(jié)果進(jìn)行保存，開始進(jìn)行隧道的開挖，開挖分為連續(xù)開挖和一次性全面開挖，本次采用一次性全斷面開挖，開挖時(shí)需要構(gòu)建空洞模型，開挖后水平位移如圖3。

圖3 開挖后X軸方向的位移

4 結(jié)果分析

4.1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化

支護(hù)前后豎直方向和水平方向的應(yīng)力變化情況如圖4和圖5所示。

圖4 豎直方向的應(yīng)力變化

圖5 水平方向應(yīng)力變化

將支護(hù)前后水平豎向位移變化進(jìn)行橫向，縱向?qū)Ρ纫姳?。

表2 隧道支護(hù)前后的應(yīng)力

由表2可知圍巖經(jīng)支護(hù)襯砌加固后，拱腰豎直方向圍巖應(yīng)力由0.25 MPa增加至6.27 MPa，應(yīng)力顯著增加；頂部水平應(yīng)力由0.01 MPa增加至0.4 MPa，底部應(yīng)力變化不大。就應(yīng)變而言，隧道支護(hù)后豎直方向應(yīng)力改善明顯。

4.2 圍巖位移場(chǎng)變化

支護(hù)后豎直方向和水平方向位移如圖6和圖7所示。

圖6 豎直方向位移云圖

圖7 水平方向位移云圖

將支護(hù)前后水平豎向位移變化進(jìn)行橫向，縱向?qū)Ρ确治鼍唧w見表3。

表3 支護(hù)后水平和豎向方向位移收斂值

由表3可知支護(hù)后水平方向總位移收斂由167.64 mm降至1.96 mm，共減小165.68 mm；豎直方向總位移收斂值由415.16 mm降至5.4 mm，共減小409.76 mm。相比而言，拱頂和拱底的豎向位移分別由246.78 mm和168.38mm，降至1.70 mm、3.7 mm，支護(hù)效果顯著。

5 結(jié)論

(1)文中所研究隧道為大斷面巷道，且位于頁巖層中，屬于典型的大斷面軟巖巷道。

(2)軟巖大斷面隧道經(jīng)合理的支護(hù)和襯砌，拱腰圍巖水平應(yīng)力由0.25 MPa增加至6.27 Mpa，圍巖強(qiáng)度增加顯著；同時(shí)隧道圍巖變形量明顯減小，水平和豎直方向收斂值分別減小了409.76 mm、165.68 mm，保障了大段面軟巖巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。