李 盼

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長沙 410015)

當(dāng)隧道的開挖斷面面積超過140 m2、隧道的扁平率(高寬比)在含仰拱時(shí)<0.65或在不含仰拱時(shí)<0.55且隧道斷面的形狀近似為橢圓形扁平狀時(shí)，一般稱為超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道。隨著我國交通流量和對交通條件需求的日益增長，超大斷面扁平結(jié)構(gòu)公路隧道的建設(shè)呈現(xiàn)出逐漸增多趨勢。超大斷面扁平結(jié)構(gòu)公路隧道能有效緩解高密度的交通流量，并提高斷面利用率，逐漸成為未來隧道結(jié)構(gòu)形式的主流[1]。然而，超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的受力特性和圍巖應(yīng)力分布情況較為復(fù)雜，隧道在開挖過程中的應(yīng)力重分布趨于不利，這導(dǎo)致隧道底腳處的應(yīng)力集中過大，支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力較小[2]，從而使得隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性降低，這些問題的產(chǎn)生必然會(huì)對超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的施工帶來更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在現(xiàn)階段研究中，黃朱林[3]通過二維彈塑性有限元數(shù)值模擬就扁平率對大跨隧道圍巖及支護(hù)的穩(wěn)定性影響進(jìn)行了分析，得出了扁平率的大小對隧道安全系數(shù)的影響機(jī)理；范君黎等[4]利用擴(kuò)展有限元法(XFEM)對不同扁平率隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出了隧道扁平率的大小與隧道強(qiáng)度、損傷破壞以及裂紋產(chǎn)生的相互關(guān)系；熊根貴[5]應(yīng)用ABAQUS對超大斷面隧道施工開挖方法和分步開挖過程進(jìn)行了有限元數(shù)值分析，得出了隧道的最優(yōu)開挖工序；瞿東明等[6]應(yīng)用數(shù)值有限元法，對比分析了不同隧道開挖方法下隧道受力以及發(fā)生變形大小的差異性，得出超大斷面隧道的安全施工方法。隧道的開挖是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，因此，有必要針對超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的開挖施工問題進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出隧道在開挖過程中的受力特性及分布情況，從而提出一種最優(yōu)的超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的開挖方法，為隧道開挖施工提供一定的理論依據(jù)。

本文結(jié)合某超大斷面扁平結(jié)構(gòu)公路隧道工程，采用MIDAS/GTS有限元分析軟件，建立該隧道的三維開挖施工模型，并詳細(xì)分析該隧道在3種不同開挖方法下圍巖位移場和應(yīng)力場的變化，揭示該超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的力學(xué)特性及位移變化規(guī)律，最后通過對比分析，得到該超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的最優(yōu)開挖方法，進(jìn)而保障隧道的施工安全。

1 工程概況

該公路隧道為溫州市某隧道工程，隧道洞長1360m，開挖高度13.8m，寬度16.5m，洞凈高約6.9m，開挖斷面面積為172m2，扁平率為0.5(不含仰拱)，隧道為上下雙層四心臥式橢圓結(jié)構(gòu)。根據(jù)地質(zhì)測繪、鉆探、槽探資料，該隧道口自地面以下以殘坡積物和全風(fēng)化基巖為主，風(fēng)化物為粉質(zhì)黏土，風(fēng)化土呈可塑狀；遇水后，強(qiáng)度明顯降低，屬中軟土地基土層，隧道圍巖等級為Ⅲ～Ⅴ級。

2 不同開挖方法及數(shù)值模擬分析

2.1 隧道開挖方案

隨著對隧道工程領(lǐng)域研究不斷深入，我國逐步發(fā)展形成了一套較為完善的隧道開挖方法理論體系[7]。其中針對超大斷面公路隧道常用的開挖方法主要有臺階法、CD工法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[8-10]等。臺階法工期短、施工方便，但容易產(chǎn)生大變形；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對圍巖擾動(dòng)較小，但工序復(fù)雜、成本高。因此，根據(jù)該隧道工程的實(shí)際特點(diǎn)，提出了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法結(jié)合臺階法的施工方案，并應(yīng)用MIDAS/GTS軟件對三臺階七步法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法結(jié)合臺階法進(jìn)行對比分析，以尋求最優(yōu)的開挖施工方案。3種開挖方案的開挖工序如圖1所示。

圖1 隧道不同開挖方案的開挖工序

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置

由于該公路隧道規(guī)模較大，本文僅選取隧道進(jìn)口段圍巖條件較差的典型斷面ZK1+375～ZK1+405進(jìn)行數(shù)值模擬分析，該斷面所處的圍巖級別為Ⅴ級，其物理力學(xué)參數(shù)主要來源工程地質(zhì)勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)報(bào)告，見表1。

表1 圍巖及隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)項(xiàng)目彈性模量/GPa泊松比重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)粉質(zhì)黏土0.080.3014.324.315.1全風(fēng)化凝灰?guī)r1.100.3018.325.314.8噴射混凝土250.2522——錨桿2000.3076——

考慮邊界效應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)場工程的實(shí)際情況和圣維南原理，隧道邊界取3倍洞徑寬度作為有限元分析范圍，計(jì)算模型的左右邊界施加水平方向約束，底部施加豎向約束，上邊界為自由邊界[11]。分析中圍巖體選用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其屈服準(zhǔn)則采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，其它支護(hù)結(jié)構(gòu)如錨桿、噴混凝土等均使用彈性本構(gòu)關(guān)系，其中鋼拱架采用I25b拱架，縱向間距0.5 m×0.5 m，鋼拱架的作用采用等效方法就行分析，即將工字鋼的彈性模量折算到噴射混凝土上，計(jì)算公式為：

E=E0+Ag×Eg/Ac

(1)

式中：E為折算后混凝土彈模；E0為原混凝土彈性模量；Ag為鋼拱架截面積；Eg為鋼材彈模；Ac為噴射混凝土截面積。

由于該隧道埋深較淺，計(jì)算初始應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力場。最終，由MIDAS/GTS軟件建立3種不同開挖方案下的二維計(jì)算分析模型，如圖2所示。

a)三臺階七步法

b)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

c)雙側(cè)壁結(jié)合臺階法

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 位移場分析

圍巖的變形是最直觀的[12]，通過比較圍巖的變形量可以很好地判斷隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當(dāng)隧道開挖后，出現(xiàn)臨空面，巖體有了變形空間。由于地應(yīng)力局部釋放，巖體因卸荷作用而發(fā)生位移變化，因此，首先對平面應(yīng)變條件下圍巖的變形量進(jìn)行對比分析。由于本隧道工程屬于扁平結(jié)構(gòu)，拱頂位移是其穩(wěn)定性評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，故針對3種方案，選取了隧道斷面4個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)(見圖3)作為分析對象，得到了3種開挖施工方法下的圍巖位移計(jì)算值(見表2)。

圖3 隧道斷面關(guān)鍵點(diǎn)位置

表2 3種開挖方法下隧道圍巖位移計(jì)算值開挖方法拱頂/mm拱底/mm左拱腰水平位移/mm右拱腰水平位移/mm三臺階七步法-22.8615.4917.14-11.73雙側(cè)壁導(dǎo)坑法-17.3215.1412.99-9.94雙側(cè)壁結(jié)合臺階法-14.648.136.64-7.23

由表2可知該隧道開挖支護(hù)后，隧道圍巖水平位移較大，左邊墻位移值略大于右邊墻位移值，且兩者位移方向相反，這導(dǎo)致兩側(cè)邊墻向內(nèi)發(fā)生擠壓。三臺階七步法的最大水平位移值最大(見圖4)，左右最大水平位移分別為36.69 mm和34.43 mm，而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在開挖過程中施加了臨時(shí)支護(hù)并及時(shí)閉合成環(huán)，所以其水平位移值最小。同時(shí)由于隧道開挖后引起工程偏應(yīng)力，導(dǎo)致巖層擴(kuò)容膨脹，表現(xiàn)為隧道拱底向上隆起，隧道拱頂沉降，一般來說，開挖斷面越大，引起的偏應(yīng)力越大，所導(dǎo)致的擴(kuò)容變形也越大。在以上3種開挖方法下，三臺階七步法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的底板隆起值相差不大，分別為15.49 mm和15.14 mm，雙側(cè)壁結(jié)合臺階法拱底隆起值8.13 mm最小?？紤]到施工過程相互影響的作用，當(dāng)上臺階開挖完畢后，已經(jīng)發(fā)生一定的位移變化；在下臺階繼續(xù)開挖的過程中，因?yàn)槭┕ι吓_階圍巖繼續(xù)產(chǎn)生影響，會(huì)使上臺階圍巖產(chǎn)生的變形持續(xù)增加，直到下臺階開挖支護(hù)完成，雙側(cè)壁結(jié)合臺階法每次開挖范圍相對較小，對周邊圍巖位移影響較小，因此位移整體變化量最小。

a)三臺階七步法

b)三臺階七步法

c) 雙側(cè)壁結(jié)合臺階法

3.2 應(yīng)力場分析

隧道開挖后，隧道結(jié)構(gòu)受力發(fā)生改變，引起圍巖應(yīng)力重分布，因此隧道圍巖的受力狀態(tài)是評價(jià)施工方法優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。3種開挖方法下隧道結(jié)構(gòu)所受的最大主應(yīng)力分布如圖5所示。

a) 三臺階七步法

b) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

c) 雙側(cè)壁結(jié)合臺階法

從圖5可以看出，采用三臺階七步法和雙側(cè)壁結(jié)合臺階法開挖時(shí)，隧道所受圍巖壓力不是很大，且隧道邊墻受力較均勻，從兩側(cè)邊墻部分至拱底出現(xiàn)壓應(yīng)力，在隧道拱底處出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖支護(hù)后，最大主應(yīng)力分布趨勢有所不同，在隧道拱頂出現(xiàn)了較多的拉應(yīng)力區(qū)，隧道兩側(cè)邊墻位置處有較大的壓應(yīng)力。

采用三臺階七步法開挖時(shí)，在隧道拱腳處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力為0.17MPa，在隧道拱頂和隧道拱底處均出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，拱頂和拱底的壓應(yīng)力分別為0.25MPa和0.18MPa。而采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，在拱頂處出現(xiàn)了層次較分明的拉應(yīng)力區(qū)，且距洞口越遠(yuǎn)應(yīng)力越小，然后逐漸過渡到隧道圍巖的壓應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力為0.06MPa，在拱腰處產(chǎn)生最大壓應(yīng)力0.67MPa，隧道拱腳和拱底的壓應(yīng)力分別為0.12MPa和0.31MPa。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑結(jié)合臺階法開挖時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象分布范圍最小，主要集中在拱腳處，隧道邊墻部分出現(xiàn)拉應(yīng)力，在隧道拱腳處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力為0.22MPa，壓應(yīng)力主要分布在隧道拱底板附近，為0.15MPa，而在拱肩位置處出現(xiàn)最大壓應(yīng)力為1.14MPa。

由以上分析可知，隧道拱頂、底板和拱腳易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，是隧道施工中的薄弱部分，不利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，由新奧法的基本原理可知，隧道在開挖后，隧道圍巖從變形到破壞需要一定的時(shí)間[13]，如果在圍巖受到破壞之前及時(shí)施加初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，就可以控制圍巖的變形程度，降低圍巖變形速率，從而保證整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

因此，在隧道施工時(shí)有必要針對容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的薄弱部分及時(shí)采取相應(yīng)的支護(hù)防護(hù)措施，防止圍巖因變形過大導(dǎo)致失穩(wěn)，進(jìn)一步保障施工安全。

4 結(jié)論

以某超大斷面扁平結(jié)構(gòu)公路隧道工程為研究對象，采用了MIDAS/GTS有限元軟件，分別模擬分析了該隧道在三臺階七步法、雙單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑結(jié)合臺階法等3種開挖工法下的開挖過程，獲得了該隧道在開挖支護(hù)后圍巖的位移、應(yīng)力變化分布規(guī)律，并優(yōu)選出適用于該隧道開挖的最優(yōu)方法。主要結(jié)論如下：

1) 綜合比較3種開挖方法，隧道在開挖支護(hù)后圍巖變形均表現(xiàn)為拱頂下沉，仰拱向上隆起，兩側(cè)邊墻向洞內(nèi)擠入。拱頂、拱腰和仰拱是隧道開挖過程中應(yīng)力集中的主要部位，也是隧道工程的主要控制部位，在隧道施工時(shí)需加強(qiáng)隧道關(guān)鍵部位和薄弱部位的監(jiān)控監(jiān)測，對于變形較大的位置有必要采取相應(yīng)的局部支護(hù)措施，以保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2)超大斷面扁平結(jié)構(gòu)公路隧道由于跨度大、扁平率低，其變形和受力情況較普通隧道更加復(fù)雜。在隧道開挖時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的拱頂和仰拱位移，建議施工時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)；設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)加大兩邊墻襯砌的厚度，以減少邊墻的水平位移，控制隧道支護(hù)襯砌壓力，使超大斷面隧道的應(yīng)力分布均勻化，改善超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的受力情況。

3) 通過分析比較隧道在3種開挖方法下的圍巖變形和應(yīng)力分布情況，得出雙側(cè)壁導(dǎo)坑結(jié)合臺階法是最適用于該隧道開挖的方法。該方法每次開挖的面積最小，對其他部分圍巖的擾動(dòng)干擾較小，應(yīng)力重分布影響較小，受力更加均勻，有利于維持圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)其比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工序更簡單、施工工期更短。因此，結(jié)合本隧道工程的地質(zhì)條件和施工特點(diǎn)，認(rèn)為雙側(cè)壁導(dǎo)坑結(jié)合臺階法在控制圍巖變形，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等方面有良好的適用性和經(jīng)濟(jì)性，是該隧道工程施工方法的首選。