武建林,吳 迅,蔣仁國(guó)

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院, 上海 200092；2. 中交一公司集團(tuán)有限公司, 北京 100024)

圍巖力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)隧道施工安全至關(guān)重要.復(fù)雜和軟弱圍巖常會(huì)導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn),是隧道工程施工的難點(diǎn).對(duì)于軟弱圍巖,改變開挖方法、優(yōu)化施工參數(shù)以及增大支護(hù)剛度可以有效限制圍巖變形.我國(guó)學(xué)者對(duì)軟巖隧道的圍巖變形和施工措施進(jìn)行了探討和研究.文獻(xiàn)[1]研究MIDAS/GTS模擬臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響;文獻(xiàn)[2]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析兩臺(tái)階法和三臺(tái)階法,確定在圍巖條件較差情況下三臺(tái)階法可以有效控制大變形的產(chǎn)生;文獻(xiàn)[3]通過數(shù)值模擬分析三種不同臺(tái)階長(zhǎng)度施工對(duì)隧道的影響,最終確定5 m臺(tái)階長(zhǎng)度最為符合工程需要;文獻(xiàn)[4]分別對(duì)超短臺(tái)階、短臺(tái)階和長(zhǎng)臺(tái)階法進(jìn)行數(shù)值模擬,得出采用超短臺(tái)階法施工能有效的減小拱頂沉降和地表沉降;文獻(xiàn)[5]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得出增強(qiáng)初期支護(hù)的剛度與強(qiáng)度能有效地控制圍巖大變形.

本文針對(duì)成昆鐵路新白石巖隧道工程,通過數(shù)值方法模擬三臺(tái)階法施工,并分別對(duì)微臺(tái)階法和短臺(tái)階法施工進(jìn)行模擬,對(duì)比分析隧道開挖引起的拱頂沉降、地表沉降以及圍巖應(yīng)力,為類似圍巖隧道施工提供參考.

1 工程概況

成昆鐵路新白石巖隧道位于曼灘和越西南區(qū)間,全長(zhǎng)6 333 m,最大埋深約為470 m,隧道為單洞雙線,隧道斷面凈寬為14.68 m,凈高為10.13 m.隧道地表起伏較大,整體地質(zhì)條件較差,存在巖溶、活動(dòng)性斷層、泥石流和危巖落石等不良地質(zhì).洞身主要為白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖和砂巖等,多以Ⅳ級(jí)圍巖為主,部分為V級(jí)圍巖,對(duì)這種特殊地質(zhì)的研究可為工程的實(shí)施提供依據(jù).

本文以出口段里程D2K316+40—D2K316+100段為研究對(duì)象,標(biāo)段長(zhǎng)60 m.洞身圍巖為泥巖夾砂巖為主,巖體較破碎,為V級(jí)圍巖,擬采用三臺(tái)階法施工.

2 數(shù)值模擬

隧道埋深較大,模型頂面至隧道拱頂取50 m,將計(jì)算高度外的土體重度等效為不均勻分布力施加在模型頂面來模擬隧道不同的埋深以及上覆土層厚度.根據(jù)圣維南原理,地下工程的影響范圍為3～5倍洞室內(nèi)徑,所以計(jì)算模型取高100 m,寬100 m,長(zhǎng)60 m.圍巖采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算;考慮到隧道開挖過程中圍巖需要釋放應(yīng)力,本模型采用剛度折減法,設(shè)置開挖圍巖的彈性參數(shù)隨場(chǎng)變量而減小，以此來模擬圍巖應(yīng)力釋放的過程,應(yīng)力釋放系數(shù)取0.6[6-7].本隧道模型采用錨桿和噴射混凝土襯砌支護(hù),鋼筋網(wǎng)和鋼拱架折算到襯砌上,具體力學(xué)參數(shù)見表1所示.

表1 圍巖及初期支護(hù)參數(shù)

由于隧道直徑大、圍巖差,因此考慮采用短臺(tái)階法和微臺(tái)階法進(jìn)行施工模擬.兩種方法的主要區(qū)別在于臺(tái)階開挖長(zhǎng)度不同,微臺(tái)階法的臺(tái)階長(zhǎng)度為3 m,短臺(tái)階法的開挖長(zhǎng)度為10 m.施工模擬的目的在于控制應(yīng)力釋放程度、增加開挖圍巖的穩(wěn)定性.圖1為兩種臺(tái)階法施工的三維模型.

(a) 短臺(tái)階法施工

(b) 微臺(tái)階法施工

3 結(jié)果分析

3.1 隧道開挖位移

1) 地表沉降,圖2為采用不同臺(tái)階長(zhǎng)度施工時(shí)的地表沉降,由圖2可知,隧道正上方地表沉降值最大,兩測(cè)沿中心線呈對(duì)稱分布;微臺(tái)階法施工時(shí)地表最大沉降值為67.7 mm,短臺(tái)階法施工時(shí)的地表最大沉降值為69.9 mm.相比短臺(tái)階法,采用微臺(tái)階法施工可以有效減小地表整體沉降;圖3為不同臺(tái)階長(zhǎng)度下施工地表沉降曲線,由圖3可知,沿隧道中心左右兩側(cè)近似對(duì)稱分布,采用微臺(tái)階法施工時(shí),地表沉降曲線小于短臺(tái)階法.綜上可知,合理減小臺(tái)階開挖長(zhǎng)度,能夠有效減小因隧道開挖而引起的地表沉降.

(a) 短臺(tái)階法施工

(b) 微臺(tái)階法施工

圖3 地表沉降曲線

2) 拱頂沉降,從圖4中可以看出,兩種臺(tái)階法施工后圍巖上部拱頂和拱底變形特征相似,均表現(xiàn)為向內(nèi)擠壓,圍巖豎向位移在拱頂和拱底處較大.開挖過程中拱頂沉降的影響范圍較大.上臺(tái)階開挖后短臺(tái)階法和微臺(tái)階法施工的拱頂沉降分別為137.6 mm和85.7 mm.圖5為不同臺(tái)階開挖長(zhǎng)度下隧道拱頂沉降曲線,隨著開挖步的推進(jìn),兩種開挖方法對(duì)應(yīng)的沉降規(guī)律均為先期沉降速度較快,后期逐漸減緩并最終趨于穩(wěn)定.

(a) 短臺(tái)階法施工

(b) 微臺(tái)階法施工

圖5 隧道圍巖拱頂沉降曲線

由圖5和表2可以看出,隧道在開挖過程中拱頂沉降主要發(fā)生在上臺(tái)階開挖后.不同臺(tái)階開挖長(zhǎng)度和不同開挖步驟下拱頂?shù)淖罱K沉降值均有差別.采用短臺(tái)階法施工時(shí),最終沉降值為207.7 mm,其中上臺(tái)階支護(hù)后拱頂?shù)某两禐?37.6 mm,中臺(tái)階、下臺(tái)階以及仰拱支護(hù)后拱頂沉降量分別為27.2、17.7、11.7 mm;采用微臺(tái)階法施工時(shí),最終沉降值為184.6 mm,其中上臺(tái)階開挖支護(hù)后拱頂沉降為85.74 m,中臺(tái)階、下臺(tái)階以及仰拱支護(hù)后拱頂沉降量分別為29.4、20.7、35.7 mm.兩種開挖方法在上臺(tái)階開挖后產(chǎn)生的拱頂沉降占最終沉降的46.4%和66.2%.當(dāng)采用臺(tái)階法施工時(shí),上臺(tái)階開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)較大,造成開挖后對(duì)拱頂影響大,引起很大的變形,容易發(fā)生拱頂坍塌現(xiàn)象;采用微臺(tái)階法有效降低了上臺(tái)階開挖后對(duì)圍巖的影響,使得拱頂沉降減小,保證圍巖穩(wěn)定.

表2 兩種方法開挖過程中拱頂沉降 mm

3.2 隧道開挖應(yīng)力

從表3可以看出隧道開挖過程中的圍巖受壓狀態(tài),應(yīng)力場(chǎng)整體呈對(duì)稱均勻分布.圍巖的最大、最小主應(yīng)力的最值都集中在拱腰和拱腳附近,存在較大的壓應(yīng)力,施工時(shí)應(yīng)該注意并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),防止拱腰以及拱腳處因圍巖壓力過大而產(chǎn)生變形,引起噴射混凝土的開裂,從而影響圍巖穩(wěn)定性和隧道結(jié)構(gòu)的安全性.

表3 兩種施工方法特征點(diǎn)主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表 kPa

4 結(jié)論

采用ABAQUS數(shù)值軟件模擬新白石巖隧道工程三臺(tái)階法施工,并分別對(duì)微臺(tái)階法和短臺(tái)階法進(jìn)行模擬對(duì)比分析,主要得到以下結(jié)論:

1) 隧道中心線地表沉降值最大,沉降曲線沿中心線左右近似對(duì)稱.采用微臺(tái)階法相較于短臺(tái)階法而言,中心線上地表沉降變化較小,而地表整體沉降變化較大.

2) 采用臺(tái)階法施工時(shí),上臺(tái)階開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)較大,拱頂沉降在最終沉降中所占比重較大.在上臺(tái)階施工后短臺(tái)階法拱頂沉降為137.6 mm,而微臺(tái)階法為85.7 mm,減小了約38%,微臺(tái)階法的最終拱頂沉降較短臺(tái)階法的沉降減小了11%.結(jié)果表明,改變臺(tái)階長(zhǎng)度可以有效減小上臺(tái)階開挖后的拱頂沉降,保證隧道施工安全.