劉 春，劉 恒，鄭洪勛，周義舒

(1.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331；2.重慶城建控股(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400010)

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速開展，在工程實(shí)際中越來越多淺埋偏壓隧道呈現(xiàn)在隧道工作者面前亟待解決。由于淺埋偏壓隧道洞身段圍巖巖體結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力及周圍變形較大，很難保證巖體穩(wěn)定性，極易引發(fā)隧道工程事故，對(duì)施工人員生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅并嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，因此對(duì)淺埋偏壓隧道段開挖工法進(jìn)行數(shù)值模擬研究顯得尤為重要。

目前國外隧道圍巖壓力的理論計(jì)算與研究，應(yīng)用比較廣泛的是有限元分析法。Yoshimura等[1]在新奧法施工中利用有限元方法研究了圍巖變形的規(guī)律，驗(yàn)證了有限元計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)支護(hù)的正確性。國內(nèi)隧道工作者分別從理論成果、實(shí)際模型、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等方面開展研究工作[2-6]。鮑先凱等[7]依托花椒箐軟巖隧道研究不同施工工法對(duì)軟巖隧道施工的適用性，采用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，最終選取預(yù)留核心土法進(jìn)行施工。王軍祥等[8]利用ABAQUS軟件建立隧道三維模型,采用CRD法施工；模擬計(jì)算不同施工步下圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和襯砌的受力情況，并運(yùn)用正交設(shè)計(jì)法分析影響圍巖穩(wěn)定性的各項(xiàng)因素。朱衛(wèi)東[9]依托王崗山隧道研究超大斷面軟巖隧道開挖施工變形情況，利用ABAQUS軟件數(shù)值模擬分析三臺(tái)階法開挖影響隧道圍巖位移和襯砌變化等相關(guān)因素,得到開挖最優(yōu)進(jìn)尺及初支形式與參數(shù)。

近年來，三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬分析在隧道工程中的應(yīng)用已得到更高水平發(fā)展[10-13]，但由于我國地質(zhì)特征復(fù)雜多變，隧道開挖過程還是會(huì)面臨很多挑戰(zhàn)和困難，依然需不斷研究復(fù)雜工程問題并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合人和隧道工程地質(zhì)情況，運(yùn)用MIDAS/GTS軟件模擬隧道開挖過程，分析對(duì)比2種開挖方法下隧道周身圍巖位移及應(yīng)力的變化規(guī)律，選取最優(yōu)開挖方案并提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，為淺埋偏壓隧道開挖設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

人和隧道位于重慶市云陽縣境內(nèi)，為單線雙洞隧道。隧道進(jìn)口段位于巖堆上，地形高陡，中心里程為DK788+144，全長8 292m。本文選取人和隧道線路DK792+100—DK792+300段，該段巖層分布主要為泥質(zhì)砂巖塊石，碎石約占60%，粒徑10～20cm居多；塊石約占20%，粒徑20～100cm；其余為巖質(zhì)角礫及粉質(zhì)黏土填充，厚5～15cm。隧道洞身圍巖為侏羅系上沙溪廟組(J2s)和下沙溪廟組(J2xs)泥巖夾砂巖、砂巖。隧道巖層總體單斜，產(chǎn)狀變化較大，傾角較緩，巖層走向與線路夾角一般為4°～41°，傾向線路左側(cè)，橫斷面傾角14°～22°，隧道洞身右側(cè)存在地形偏壓。

2 淺埋偏壓隧道施工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 三維隧道模型建立

本次模擬針對(duì)人和隧道DK792+100—DK792+300圍巖段進(jìn)行分析，由于隧道埋深較淺，且隧道右側(cè)偏壓，同時(shí)為了減少隧道邊界條件的影響，隧道三維數(shù)值模擬左、右邊界長度及寬度均為隧洞直徑的3倍以上，三維隧道網(wǎng)格模型如圖1所示。確定隧道模型的范圍為：x軸水平方向取100m，沿y軸隧洞方向取20m；z軸垂直方向，淺埋側(cè)為45m，偏壓側(cè)為60m。三維隧道模型網(wǎng)格劃分方法為：第1，2層土體形狀分布較規(guī)則，采用相鄰匹配網(wǎng)格生成，網(wǎng)格尺寸控制在1.5。第3層土體包含隧道，采用混合網(wǎng)格方法生成排列不均勻網(wǎng)格，且越靠近隧道網(wǎng)格尺寸越小，這樣有利于分析隧道周圍巖土體位移及應(yīng)力變化規(guī)律。在隧道圍巖周身設(shè)置6個(gè)特征點(diǎn)反映偏壓隧道在水平x軸方向和豎向z軸方向的位移及應(yīng)力變化，如圖2所示。

圖1 三維隧道網(wǎng)格模型

圖2 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 生成模型材料屬性

所選隧道區(qū)段巖層分布主要以粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥巖構(gòu)成Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖。隧道數(shù)值模擬計(jì)算中，巖體材料的本構(gòu)模型有很多種且都有其適用的范圍和條件，本設(shè)計(jì)采用隧道設(shè)計(jì)中最常用的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。隧道上覆土體及周圍圍巖用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬，初支混凝土和中間鋼支撐用2D板單元進(jìn)行模擬，錨桿采用1D植入式桁架進(jìn)行模擬。隧道圍巖巖體力學(xué)參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，2所示。

表1 隧道圍巖模擬力學(xué)參數(shù)

表2 初期支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬工況方案

由于淺埋偏壓隧道地段復(fù)雜，隧道圍巖穩(wěn)定性差，其施工技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)有的隧道工程經(jīng)驗(yàn)，目前采用較多的方法為新奧法，其特點(diǎn)是邊開挖隧道圍巖邊施作初期支護(hù)，使圍巖和錨桿、噴射混凝土等支護(hù)結(jié)構(gòu)一同受力變形，最大限度地發(fā)揮圍巖自承能力。本設(shè)計(jì)綜合考慮人和隧道洞身段地形結(jié)構(gòu)及周邊地質(zhì)情況，采用上下臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模擬隧道開挖過程。

其中，上下臺(tái)階法模擬隧道開挖過程，上臺(tái)階高4m，下臺(tái)階高5m，每次開挖進(jìn)尺為2m。施工步驟為：①開挖上臺(tái)階→②上臺(tái)階開挖完成后及時(shí)施作錨桿支撐→③噴射混凝土→④開挖下臺(tái)階→⑤下臺(tái)階開挖完成后施作錨桿支撐→⑥噴射混凝土，如圖3所示。

圖3 上下臺(tái)階法施工示意

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步驟為：①開挖左上側(cè)洞→②開挖完成后外側(cè)壁施作錨桿支撐→③內(nèi)側(cè)壁用鋼格柵及時(shí)封閉成環(huán)，噴射混凝土→④左上側(cè)洞開挖4m后，同時(shí)開挖右上側(cè)洞→⑤外側(cè)壁施作錨桿支撐→⑥噴射混凝土，內(nèi)側(cè)壁用鋼格柵封閉成環(huán)→⑦右上側(cè)洞開挖6m后，同時(shí)開挖左下側(cè)洞→⑧外側(cè)壁施作錨桿支撐→⑨內(nèi)側(cè)壁用鋼格柵及時(shí)封閉成環(huán)→⑩左下側(cè)洞開挖4m后，同時(shí)開挖右下側(cè)洞→外側(cè)壁施作錨桿支撐→內(nèi)側(cè)壁用鋼格柵封閉成環(huán)→右下側(cè)洞開挖6m后，同時(shí)開挖中上核心土部分，此時(shí)左上側(cè)洞已全部開挖完成→外側(cè)壁施作錨桿支撐→施作初期支護(hù)→待中上核心土部分開挖4m后，同時(shí)開挖中下核心土部分，此時(shí)右上側(cè)洞已全部開挖完成→底層噴射混凝土。上述開挖過程同樣為2m一個(gè)進(jìn)尺，如圖4所示。2種施工方法的網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工示意

圖5 隧道開挖施工工法網(wǎng)格示意

3 數(shù)值結(jié)果模擬分析

3.1 圍巖應(yīng)力分析

隧道開挖過程中改變了圍巖地應(yīng)力，使洞身圍巖應(yīng)力重新分布，隧道以外的土體由于地質(zhì)偏壓導(dǎo)致應(yīng)力分布不均。由圖6可知，2種施工方法在拱頂、底處應(yīng)力變化較明顯，最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在隧道洞身右邊墻處，其中上下臺(tái)階法的最大壓應(yīng)力值為2.42MPa，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大壓應(yīng)力值為2.20MPa。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖偏壓隧道對(duì)圍巖應(yīng)力變化影響較上下臺(tái)階法小，由于隧道進(jìn)行導(dǎo)洞分布開挖，因此在開挖過程中圍巖應(yīng)力只在局部產(chǎn)生變化，對(duì)隧道洞身整體圍巖應(yīng)力擾動(dòng)較小。

圖6 2種開挖工法圍巖最小主應(yīng)力

3.2 圍巖位移分析

淺埋偏壓隧道施工過程中，隧道豎向位移變化主要出現(xiàn)在隧道拱部，且位移變形偏向深埋側(cè)。如圖7所示，隨著隧道開挖步驟深入進(jìn)行，隧道施工對(duì)周圍圍巖的擾動(dòng)也越來越大，拱頂和拱底周圍圍巖豎向變形逐漸擴(kuò)大，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。采用上下臺(tái)階法的圍巖豎向位移較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法變化明顯，可觀察到上下臺(tái)階法在開挖施工時(shí)對(duì)周圍巖體擾動(dòng)影響較大。且由圖8可知，上下臺(tái)階法在初步開挖時(shí)拱底和拱頂圍巖位移變化趨勢(shì)非常明顯，及時(shí)施作初期支護(hù)后，位移變化趨勢(shì)有所緩和，開挖進(jìn)尺10m后圍巖位移增加趨勢(shì)減少77%，隨著隧道進(jìn)一步開挖，圍巖位移豎向變化趨于平緩，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖位移變化趨勢(shì)有明顯的導(dǎo)洞效應(yīng)，當(dāng)開挖到某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在導(dǎo)洞時(shí)，周圍圍巖位移變化量明顯增加，隨著施工的進(jìn)行最終趨于穩(wěn)定，且開挖任一導(dǎo)洞時(shí)其圍巖位移變化值較上下臺(tái)階法都要小。上下臺(tái)階法在開挖過程中拱頂最大沉降量為-13.69mm，拱底最大隆起量為14.53mm；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)拱頂最大沉降量為-11.41mm，拱底最大隆起量為11.99mm。

圖7 2種開挖工法圍巖豎向位移變化

圖8 2種開挖工法圍巖豎向位移對(duì)比曲線

如表3所示，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖隧道相比于上下臺(tái)階法的拱肩位移收斂值減小21%，墻角位移收斂值減小50%，拱頂沉降值減小17%，拱底隆起值減小17%。

表3 2種開挖方案位移情況 mm

3.3 圍巖塑性區(qū)分布

由圖9可看出，采用上下臺(tái)階法的塑性區(qū)分布值略大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。采用上下臺(tái)階法施工時(shí)，圍巖塑性區(qū)主要分布在隧洞墻腳及左、右邊墻處，因此在施工過程中要及時(shí)施作初期支護(hù)加固隧道邊墻角處，并實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)工作，避免產(chǎn)生隧洞坍塌、邊墻開裂等不良情況。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，各導(dǎo)洞周圍的塑性分布較明顯，其中右墻腳處塑性區(qū)分布最明顯，因此在開挖各導(dǎo)洞時(shí)要及時(shí)施作初期支護(hù)確保導(dǎo)洞周圍圍巖穩(wěn)定性。

圖9 2種開挖工法圍巖塑性區(qū)分布

4 結(jié)語

1)通過隧道三維數(shù)值模型模擬計(jì)算結(jié)果可知，采用上下臺(tái)階法較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在拱部沉降量、圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布變化量方面都較明顯。

2)上下臺(tái)階法開挖對(duì)隧洞周圍圍巖及土體擾動(dòng)較大，而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖對(duì)隧道擾動(dòng)較小，在開挖某一導(dǎo)洞時(shí)，其他導(dǎo)洞周圍圍巖及土體變形幾乎不發(fā)展。

3)在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖隧道過程中，局部導(dǎo)坑易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此必須確保錨桿強(qiáng)度和鋼格柵質(zhì)量，開挖完成后，應(yīng)立即噴射混凝土，及時(shí)使開挖導(dǎo)洞封閉成環(huán)，避免隧洞坍塌。

4)本次所選人和隧道淺埋偏壓段周圍地層相對(duì)軟弱、破碎，多為Ⅴ級(jí)圍巖，因此該隧道區(qū)段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖更安全合理。