唐勇三

(平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)交通投資集團(tuán)有限公司， 福建 福州 350400)

隧道開挖必然引起周邊圍巖的位移釋放與應(yīng)力重分布，分部開挖與支護(hù)使上述釋放與重分布過程受多掌子面時(shí)空效應(yīng)的影響更復(fù)雜。周邊圍巖的位移量測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)容易獲取，因而關(guān)于位移釋放規(guī)律與支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇一直是關(guān)注重點(diǎn)。位移釋放率為掌子面后方某點(diǎn)圍巖發(fā)生的變形值與該點(diǎn)最終變形值之比，是選擇合理支護(hù)時(shí)機(jī)的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。許多學(xué)者通過數(shù)值模擬、理論分析等對(duì)山嶺隧道開挖后位移釋放規(guī)律展開了研究，如Huang Feng等基于軟巖損傷本構(gòu)模型，采用Abaqus對(duì)隧道開挖后圍巖位移釋放率和圍巖損傷區(qū)進(jìn)行研究，得到了其空間分布規(guī)律；郭瑞等通過數(shù)值模擬，得到采用開挖體積損失率來描述洞周位移釋放更全面；劉乃飛等通過數(shù)值模擬，對(duì)位移釋放系數(shù)隨多掌子面推進(jìn)的影響關(guān)系展開了研究；張妍珺等采用有限差分軟件FLAC3D，基于位移釋放系數(shù)法，提出了隧洞縱向變形曲線的修正公式；蘇永華等對(duì)靜水應(yīng)力場(chǎng)中圓形隧道展開正交設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬試驗(yàn)，建立了開挖面位移釋放系數(shù)擬合公式；周碩安通過數(shù)值模擬，分析了巖體的物理力學(xué)參數(shù)及隧道埋深比對(duì)圍巖位移釋放系數(shù)的影響；Zhao Dongping等基于廣義開爾文本構(gòu)模型，推導(dǎo)了考慮時(shí)間變量的軟巖隧道襯砌位移釋放表達(dá)式；Wang Jian基于Lee、Hoek及VD公式的典型LDP方程，對(duì)硬巖隧道實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對(duì)比，認(rèn)為Hoek公式適用于硬巖隧道的位移釋放分析；張建智等基于位移系數(shù)法，利用彈性-黏彈性對(duì)應(yīng)原理與非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，建立了無支護(hù)隧道變形的解析解；張常光等對(duì)代表性深埋巖質(zhì)圓形隧道位移釋放系數(shù)公式進(jìn)行總結(jié)和分類，認(rèn)為以圍巖塑性區(qū)最大半徑為基礎(chǔ)的位移釋放系數(shù)對(duì)彈性圍巖和各種彈塑性圍巖均適用；左清軍等基于變形監(jiān)測(cè)資料，分析了不同圍巖級(jí)別下隧道圍巖徑向位移釋放率隨時(shí)間和掌子面距離的變化規(guī)律；吳順川等基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則，提出了能量化不同圍巖應(yīng)力水平下開挖面空間效應(yīng)差異的縱向變形曲線函數(shù)表達(dá)式；張常光等比較了支護(hù)力系數(shù)法和位移釋放系數(shù)法的適用范圍、空間效應(yīng)實(shí)現(xiàn)及收斂約束差異，認(rèn)為位移釋放系數(shù)法適用于各種彈塑性圍巖。目前對(duì)隧道縱向變形曲線與位移釋放公式擬合的研究較多，而對(duì)不同開挖工況下特大斷面隧道位移釋放演化規(guī)律的對(duì)比研究較少。該文以福建平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)龍興嶺隧道為工程背景，在FLAC3D數(shù)值平臺(tái)上采用全斷面法、上下臺(tái)階法及單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)特大斷面隧道的開挖過程展開精細(xì)化數(shù)值模擬，研究隧道在不同開挖工法下的位移釋放演變規(guī)律。

1 工程概況

龍興嶺隧道屬福建省平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)新建麒麟大道的一部分，為市政一級(jí)公路隧道。隧道總長約500 m，由2個(gè)機(jī)動(dòng)車主洞、2個(gè)非機(jī)動(dòng)車人行輔洞和1個(gè)電力隧道構(gòu)成。主洞采用曲墻三心圓內(nèi)輪廓，凈空尺寸為14.2 m×9.46 m(寬×高)；輔洞采用曲墻單心圓內(nèi)輪廓，凈空尺寸為7.69 m×6.4 m(寬×高)。隧道主要穿越中～強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖地層，上覆砂土狀全風(fēng)化凝灰熔巖地層及坡積粉質(zhì)黏土地層，厚度6～10 m。

主洞Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)段采用全斷面法開挖，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段采用上下臺(tái)階法開挖，Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。計(jì)入支護(hù)厚度及預(yù)留變形量后，實(shí)際開挖尺寸分別為14.3 m×10.1 m(Ⅲ級(jí))、14.6 m×10.5 m(Ⅳ級(jí))、15.0 m×10.9 m(Ⅴ級(jí))。

2 數(shù)值模型建立

以K0+925—975(Ⅲ級(jí))、K0+865—915(Ⅳ級(jí))、K0+730—780(Ⅴ級(jí))段為例，采用FLAC3D對(duì)隧道開挖與支護(hù)全過程展開三維數(shù)值模擬。

2.1 單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法

單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖工序見圖1，共分為4步開挖：在Ⅰ區(qū)域開挖完成后，施作初期支護(hù)1與臨時(shí)支撐2、3；Ⅱ區(qū)域開挖完成后，施作臨時(shí)支撐4與初期支護(hù)5；Ⅲ區(qū)域開挖完成后，施作初期支護(hù)6與臨時(shí)支撐7；Ⅳ區(qū)域開挖完成后，施作初期支護(hù)8。初期支護(hù)采用I20a鋼架@50 cm、28 cm厚C25噴砼，同時(shí)呈梅花形布置3.5 m長中空注漿錨桿加固拱頂120°范圍內(nèi)圍巖。

圖1 單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖工序及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

各區(qū)域開挖進(jìn)尺為3 m，各掌子面施作間隔假定為2個(gè)進(jìn)尺。布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖1)，其中測(cè)點(diǎn)A位于隧道拱頂，測(cè)點(diǎn)B位于隧道拱肩(亦可理解為先導(dǎo)坑頂部)。

在FLAC3D數(shù)值平臺(tái)上建立大斷面隧道單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖數(shù)值模型(見圖2)，模型整體尺寸為120 m×83 m×50 m(寬度×高度×進(jìn)深)。圍巖采用六節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，共計(jì)295 650個(gè)實(shí)體單元。模型頂面為地表面，取自由邊界；側(cè)面為法向位移約束邊界；底面為全約束邊界。

圖2 隧道單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖數(shù)值模型

Ⅴ級(jí)圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，本構(gòu)參數(shù)的取值見表1。另外，提高20%錨桿加固區(qū)黏聚力、內(nèi)摩擦角，以模擬錨桿加固作用，錨桿加固區(qū)厚度t同錨桿長度。隧道初期支護(hù)中的鋼拱架與噴射砼采用三節(jié)點(diǎn)Liner單元模擬，Liner單元厚度t同鋼撐高度，并通過抗彎剛度等效原則計(jì)算其彈性模量。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖與初期支護(hù)的物性參數(shù)

2.2 上下臺(tái)階開挖法

Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域隧道的上下臺(tái)階法開挖工序(見圖3)如下：上臺(tái)階Ⅰ區(qū)域開挖完成后，施作初期支護(hù)1；下臺(tái)階Ⅱ區(qū)域開挖完成后，施作初期支護(hù)2。初期支護(hù)為I18鋼架@100 cm、26 cm厚C25噴砼，同時(shí)呈梅花形布置3.0 m長中空注漿錨桿以加固拱頂120°范圍內(nèi)圍巖。各區(qū)域開挖進(jìn)尺、施作間隔、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與前述相同。

圖3 上下臺(tái)階法開挖工序及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

在FLAC3D數(shù)值平臺(tái)上建立大斷面隧道上下臺(tái)階法開挖數(shù)值模型，模型整體尺寸、圍巖本構(gòu)均與前述相同，參數(shù)取值見表2。

表2 Ⅳ級(jí)圍巖與初期支護(hù)的物性參數(shù)

2.3 全斷面開挖法

Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)域隧道采用全斷面開挖，其循環(huán)進(jìn)尺與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與上下臺(tái)階法相同。初期支護(hù)為I14鋼架@120 cm、20 cm厚C25噴砼，同時(shí)呈梅花形布置3.0 m長中空注漿錨桿以加固拱頂120°范圍內(nèi)圍巖。在FLAC3D數(shù)值平臺(tái)上建立大斷面隧道全斷面開挖數(shù)值模型，模型整體尺寸、圍巖本構(gòu)與上下臺(tái)階法相同，參數(shù)取值見表3。

表3 Ⅲ級(jí)圍巖與初期支護(hù)的物性參數(shù)

3 不同開挖方法下位移釋放率對(duì)比

以各數(shù)值模型的縱向中心里程(即K0+950、K0+890、K0+755)為目標(biāo)斷面，研究全斷面法、上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖方式對(duì)特大斷面隧道位移釋放演化規(guī)律的影響。

3.1 隧道拱頂位移釋放率

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)，全斷面法、上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖與支護(hù)全部完成后，隧道拱頂(A點(diǎn))最終沉降位移分別為17.6、21.8、18.6 mm。以上述最終沉降位移為基準(zhǔn)，繪制目標(biāo)斷面上拱頂測(cè)點(diǎn)的位移釋放率，其隨與開挖面間距的變化見圖4。

圖4 不同開挖方法下隧道拱頂位移釋放率

由圖4可知：1) 對(duì)于全斷面開挖法(Ⅲ級(jí)圍巖)，開挖面距目標(biāo)斷面-6～6 m(約0.5倍洞徑)時(shí)，隧道拱頂處位移釋放較顯著。開挖至距目標(biāo)斷面-6、0、6 m時(shí)，其位移釋放率分別為0.18、0.52、0.80。2) 對(duì)于上下臺(tái)階開挖法(Ⅳ級(jí)圍巖)，拱頂處位移釋放規(guī)律與全斷面開挖法相近。需注意的是，由于下臺(tái)階滯后上臺(tái)階2個(gè)進(jìn)尺，隧道拱頂位移受下臺(tái)階開挖區(qū)域約束，目標(biāo)斷面上拱頂位移釋放均小于全斷面開挖法。上臺(tái)階開挖至距目標(biāo)斷面-6、0、6 m時(shí)，其位移釋放率分別為0.12、0.40、0.65。3) 對(duì)于單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法(Ⅴ級(jí)圍巖)，拱頂測(cè)點(diǎn)位于第Ⅲ開挖區(qū)域，左側(cè)第Ⅰ、Ⅱ區(qū)域分別超前4、2個(gè)進(jìn)尺，目標(biāo)斷面上拱頂位移釋放均大于全斷面開挖法。整體上看，開挖面距目標(biāo)斷面-15～10 m(-1.5～1.0倍洞徑)時(shí)，拱頂處位移釋放率大致呈線性增長；開挖至距目標(biāo)斷面-15、0、10 m時(shí)，位移釋放率分別為0.15、0.65、0.90。

3.2 隧道拱肩位移釋放率

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)，全斷面法、上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖與支護(hù)全部完成后，隧道拱肩(B點(diǎn))最終沉降位移分別為16.5、21.0、15.8 mm。以上述最終沉降位移為基準(zhǔn)，繪制目標(biāo)斷面上拱肩測(cè)點(diǎn)的位移釋放率，其隨與開挖面間距的變化見圖5。

由圖5可知：1) 對(duì)于全斷面和上下臺(tái)階開挖法，拱肩測(cè)點(diǎn)與拱頂測(cè)點(diǎn)位于相同開挖區(qū)域，故其位移釋放規(guī)律與拱頂位移釋放規(guī)律相同。2) 對(duì)于單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法，拱肩測(cè)點(diǎn)位于第Ⅰ開挖區(qū)域，下側(cè)/右側(cè)的第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域分別滯后2、4、6個(gè)進(jìn)尺，目標(biāo)斷面上拱肩位移釋放均小于另外2種開挖方法。整體上看，開挖面距目標(biāo)斷面-5～20 m(-0.5～2.0倍洞徑)時(shí)，拱肩處位移釋放率大致呈線性增長；開挖至距目標(biāo)斷面-5、0、20 m時(shí)，位移釋放率分別為0.07、0.30、0.89。

圖5 不同開挖方法下隧道拱肩位移釋放率

4 位移欠釋放與過釋放

對(duì)于全斷面開挖法，各測(cè)點(diǎn)位移釋放率都相同；對(duì)于多分部開挖法，測(cè)點(diǎn)所屬開挖分部不同，其位移釋放規(guī)律的差異十分顯著。單側(cè)壁導(dǎo)坑法與全斷面開挖法下拱頂、拱肩處位移釋放率隨開挖面間距的變化見圖6。

圖6 單側(cè)壁導(dǎo)坑法和全斷面開挖法下位移釋放率對(duì)比

由圖6可知：對(duì)于單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法，隧道拱肩測(cè)點(diǎn)位于第Ⅰ開挖區(qū)域，相較于位于第Ⅲ開挖區(qū)域的拱頂測(cè)點(diǎn)超前開挖4個(gè)進(jìn)尺，其位移受未開挖區(qū)域約束而滯后釋放，開挖至目標(biāo)斷面時(shí)，其位移釋放率相較于全斷面法減小31%，定義該現(xiàn)象為位移“欠釋放”；而拱頂測(cè)點(diǎn)的位移超前4個(gè)進(jìn)尺釋放，開挖至目標(biāo)斷面時(shí)，其位移釋放率相較于全斷面法提高27%，定義該現(xiàn)象為位移“過釋放”。

對(duì)比不同測(cè)點(diǎn)的位移釋放規(guī)律，在分部開挖過程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移釋放規(guī)律與其所在位置及開挖順序密切相關(guān)。通過模擬得到各測(cè)點(diǎn)位移釋放率隨開挖步的變化規(guī)律，可為龍興嶺隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反演分析提供基礎(chǔ)依據(jù)，并用于輔助判定合理開挖進(jìn)尺與支護(hù)時(shí)機(jī)，進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)評(píng)估圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

以平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)龍興嶺隧道為工程背景，在FLAC3D數(shù)值平臺(tái)上采用全斷面法、上下臺(tái)階法及單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)大斷面隧道開挖全過程展開精細(xì)化數(shù)值模擬，重點(diǎn)關(guān)注隧道拱頂與拱肩的位移釋放規(guī)律。結(jié)論如下：同一測(cè)點(diǎn)位移釋放率在不同工況下的演化規(guī)律特異性顯著，分部開挖工況下開挖區(qū)域的位移釋放受未開挖區(qū)域約束；針對(duì)多分部開挖工況下不同分部位移釋放相互受限的現(xiàn)象，以全斷面開挖法的位移釋放率為基準(zhǔn)，定義位移滯后釋放為“欠釋放”、超前釋放為“過釋放”；位移釋放演化規(guī)律與監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在位置及開挖順序密切相關(guān)。