趙登科

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

近年來(lái)，隨著隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下大跨度隧道的合理施工方法越來(lái)越受到重視[1-5]。No等[6]、Sadaghiani和Dadizadeh[7]、Sharifzadeh等[8]、Bao等[9]、Boonyarak和Ng[10]以及Yoo和Choi[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、離心試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了不同開(kāi)挖方法和開(kāi)挖順序?qū)λ淼雷冃?、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和施工安全的影響。

眾多學(xué)者對(duì)隧道開(kāi)挖方法的優(yōu)選開(kāi)展了研究，并取得了豐碩成果，不同開(kāi)挖方法條件下，圍巖的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征會(huì)有不同。通常情況下，圍巖的變形表現(xiàn)為：雙側(cè)壁導(dǎo)洞法<交叉中隔墻法(CRD法)<預(yù)留核心土三臺(tái)階法[12-14]。對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)受力來(lái)說(shuō)，預(yù)留核心土三臺(tái)階法開(kāi)挖后邊墻受力較均勻，雙側(cè)壁導(dǎo)洞法和中隔墻法(CD法)均采用了臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，限制了圍巖應(yīng)力釋放，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較大[15-17]。另外，雙側(cè)壁導(dǎo)洞法能更有效控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展，有效改善圍巖受力狀態(tài)，使得圍巖主要受壓應(yīng)力作用。隧道圍巖穩(wěn)定性除受開(kāi)挖方法的影響外，與開(kāi)挖里程也密切相關(guān)，拱頂在施作支護(hù)結(jié)構(gòu)后，隨著開(kāi)挖的繼續(xù)，仍會(huì)發(fā)生較大的殘余沉降[18-20]。

在大跨段隧道施工中，結(jié)合工程的地質(zhì)條件及相關(guān)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，大多采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁或交叉中隔壁法、臺(tái)階法、全斷面法以及不同方法的組合。本文以樵坪山隧道工程為研究對(duì)象，采用有限單元法件對(duì)樵坪山隧道大跨段處開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，比較分析了CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)隧洞圍巖變形、應(yīng)力的影響以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，旨在對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

樵坪山隧道位于重慶市巴南區(qū)南泉鎮(zhèn)境內(nèi)，為正線上的雙線隧道，中心里程DK43+416，最大埋深340 m，全長(zhǎng)7 568 m。隧道區(qū)域?qū)俚蜕降孛?，海拔?biāo)高在325 m～650 m范圍，相對(duì)高差介于60 m～220 m之間，大致沿北東-南西呈彎道穿越樵坪山?；鶐r為沙溪廟組泥巖夾砂巖，泥巖巖質(zhì)較軟，巖體較完整；屬弱富水巖組，富水性差，基本不含水或含少量裂隙水，砂巖滲、透水性較好，含有少量裂隙水，預(yù)測(cè)最大涌水量7 326.8 m3/d，地下水無(wú)侵蝕性。大跨段落地質(zhì)為Ⅳ級(jí)圍巖，巖體以泥巖、砂巖為主，巖層呈緩傾，無(wú)水或少量基巖裂隙水。巖體整體穩(wěn)定性較好，無(wú)不良特殊地質(zhì)。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 施工方案簡(jiǎn)述

CD法開(kāi)挖工序橫、縱斷面如圖1所示。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法利用兩個(gè)中隔壁將整個(gè)隧道大斷面分成左中右3個(gè)斷面施工，左、右導(dǎo)洞先行，中間斷面緊跟其后；初期支護(hù)仰拱成環(huán)后，拆除兩側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支撐，形成全斷面。兩側(cè)導(dǎo)洞為倒鵝蛋形，有利于控制拱頂下沉。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖工序橫、縱斷面如圖2所示。

2.2 計(jì)算模型及邊界條件

本次數(shù)值模擬計(jì)算的主要目的是獲取隧道開(kāi)挖、支護(hù)完畢后圍巖應(yīng)力、變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征。計(jì)算范圍盡可能的包含開(kāi)挖影響區(qū)域，考慮到尺寸效應(yīng)對(duì)計(jì)算誤差的影響以及計(jì)算效率，計(jì)算范圍及邊界條件選取如下:

1)幾何模型：隧道埋深200 m，模擬區(qū)域?qū)?4.53 m，高16.13 m，屬于大斷面隧道。模擬采用地層結(jié)構(gòu)法，上下、左右模擬范圍分別按3倍～5倍隧道的洞高和洞徑進(jìn)行確定，橫向和豎向分別為180 m和120 m；為了減小前后邊界約束對(duì)所布置的監(jiān)測(cè)面(模型縱向10 m處和25 m處斷面)的影響，縱向范圍設(shè)為50 m，具體見(jiàn)圖3。

2)邊界條件：前后、左右邊界均采用法向位移約束，下邊界采用三向位移約束，上邊界采用自由面約束。在模型內(nèi)施加自重荷載，在上邊界施加與邊界以上巖層厚度等效的均布荷載來(lái)模擬深埋隧道的初始地應(yīng)力。

2.3 數(shù)值模擬參數(shù)選取

圍巖本構(gòu)關(guān)系選擇摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，采用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬；錨桿材料為鋼材，主要承受軸向拉力，本構(gòu)關(guān)系選擇線彈性模型，采用桁架單元開(kāi)展模擬；為了簡(jiǎn)化模型，模擬時(shí)將初期支護(hù)的噴射混凝土及鋼拱架聯(lián)系在一起，選擇線彈性本構(gòu)關(guān)系，采用板單元開(kāi)展模擬。在初支抗彎能力等效的基礎(chǔ)上，為了使抗壓能力也盡量等效，對(duì)材料參數(shù)和板的厚度采用式(1)，式(2)進(jìn)行折算；臨時(shí)豎撐的主要作用是承受壓力和彎矩，本構(gòu)關(guān)系選取線彈性模型，采用梁?jiǎn)卧_(kāi)展模擬。

E鋼I鋼+E混I混=E折I折

(1)

E鋼A鋼+E混A混=E折A折

(2)

依據(jù)工程實(shí)際擬定數(shù)值模擬圍巖及各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬圍巖及各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)

2.4 開(kāi)挖步序模擬

實(shí)際施工中CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖進(jìn)尺為每一步開(kāi)挖0.5 m～1 m，模型為考慮開(kāi)挖的最不利情況設(shè)為每一步開(kāi)挖1 m的進(jìn)尺；模型縱向共50 m，計(jì)算初始地應(yīng)力，待位移清零后，采用合理的荷載釋放系數(shù)對(duì)后續(xù)施工階段進(jìn)行模擬。荷載釋放系數(shù)在《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中的地層-結(jié)構(gòu)計(jì)算方法推薦值的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取?；诒敬嗡淼篱_(kāi)挖工法實(shí)際情況，本次模擬中荷載釋放系數(shù)值選取為圍巖及初支共承擔(dān)85%，分步釋放。

3 分析與討論

3.1 圍巖豎向位移

為了減小開(kāi)挖過(guò)程中模型邊界對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生影響，將模型的10 m斷面處設(shè)置為豎向位移監(jiān)測(cè)斷面。圖4為分別采用CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖、支護(hù)完畢后的該斷面的圍巖豎向位移云圖。CD法的斷面拱頂最大沉降為75.347 9 mm，最大上鼓為66.272 6 mm。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂最大沉降為32.255 7 mm，最大上鼓為34.368 9 mm，分別比CD法低了57%和48%。

計(jì)算過(guò)程，在兩種開(kāi)挖工法的模型中均設(shè)置了拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖5)，為更直觀的反映開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的豎向位移，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布于全模型的第10 m斷面，T通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，繪制得到拱頂沉降隨開(kāi)挖進(jìn)尺的變化(見(jiàn)圖6)。

從圖6可以看出，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的推進(jìn)，拱部沉降逐漸增加。隨著進(jìn)一步開(kāi)挖，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺推進(jìn)到一定程度，大約50 m，拱部沉降均趨于穩(wěn)定，其中拱頂最大，CD法約穩(wěn)定在67 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法約穩(wěn)定在32 mm。由此可知：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖工法情況下的圍巖拱頂沉降要遠(yuǎn)小于CD法開(kāi)挖工法下的拱頂沉降，因此施工中采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更安全。

3.2 圍巖應(yīng)力分析

圖7,圖8分別為模型25 m斷面在CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖支護(hù)完畢后的圍巖主應(yīng)力云圖。由圖7，圖8可知，CD法主應(yīng)力的最大值分別為3.727 6 MPa和0.571 6 MPa，其圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為2，存在較大失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主應(yīng)力的最大值分別為2.389 0 MPa和1.328 5 MPa，其圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比約為3.5，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大大降低，圍巖較穩(wěn)定。因此，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于CD法圍巖穩(wěn)定性更好。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

1)錨桿內(nèi)力分析。

分別以兩模型25 m斷面處的錨桿內(nèi)力隨開(kāi)挖過(guò)程的變化分析其受力情況。圖9為CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖完成后錨桿的軸向拉應(yīng)力云圖。從圖9可看出，開(kāi)挖完成后，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的錨桿拉應(yīng)力最大值為136.736 MPa，CD法的錨桿拉應(yīng)力最大值158.582 MPa。圖10為開(kāi)挖過(guò)程錨桿拉應(yīng)力隨開(kāi)挖過(guò)程的變化折線圖。從圖10可看出，在不同開(kāi)挖工法情況下，隨著開(kāi)挖部數(shù)的增加，錨桿最大拉應(yīng)力有不斷增大的趨勢(shì)，其原因是分部開(kāi)挖使斷面跨度驟增，頂部圍巖的應(yīng)力再一次重分布，錨桿需分擔(dān)更多的力。在分部開(kāi)挖的各階段，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的錨桿拉應(yīng)力均小于CD法，因此從安全角度考慮，施工中采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖優(yōu)于CD法。

2)初支內(nèi)力分析。

以模型25 m～26 m處的初支內(nèi)力隨開(kāi)挖過(guò)程的變化分析其受力情況。重點(diǎn)關(guān)注25 m～26 m段的初支在CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖完成后的大主應(yīng)力圖，如圖11所示。兩工法的最大值多集中于拱腰、臨時(shí)豎撐與初支接觸位置附近。開(kāi)挖完成后CD法初支的最大主應(yīng)力為6.277 35 MPa；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法初支的最大主應(yīng)力為5.846 88 MPa。依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》得C25噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度極限值取19 MPa，且不同開(kāi)挖工法下的初支的強(qiáng)度應(yīng)力比均大于規(guī)范規(guī)定的2.0，因此兩種工法的軸向抗壓均能滿足規(guī)范要求，但從初支的最大主應(yīng)力來(lái)看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更有利于安全施工和隧道圍巖的穩(wěn)定性。

3)臨時(shí)豎撐分析。

圖12為開(kāi)挖至全模型35 m時(shí)已激活的豎撐的軸向應(yīng)力云圖，CD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大壓應(yīng)力分別為202.201 MPa和181.465 MPa，與HPB300鋼材的強(qiáng)度應(yīng)力比分別為2.1和2.3，均大于安全系數(shù)2.0。雖然兩種工法都可以滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)要求，但雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的安全系數(shù)比CD法稍高，擁有更多的安全儲(chǔ)備，且力的集中程度較低，從受力的角度來(lái)看，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)部分更有利。因此雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在臨時(shí)支撐的受力方面比起CD法更稍有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)樵坪山隧道大跨段處不同開(kāi)挖工法的數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

1)在控制圍巖變形方面：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱部沉降低于CD法，最后穩(wěn)定在35 mm左右，因此在控制圍巖變形方面，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法稍有優(yōu)勢(shì)。

2)在圍巖豎向位移分析中，對(duì)于拱頂最大沉降和最大上鼓，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法比CD法分別低57%和48%。因此雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在豎向位移控制上優(yōu)于CD法。

3)在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)(錨桿、初支、臨時(shí)支撐)受力方面：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的錨桿拉應(yīng)力、初支的最大主應(yīng)力和臨時(shí)支撐最大壓應(yīng)力均低于CD法，且雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有更高的安全系數(shù)，因此在結(jié)構(gòu)受力方面，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于CD法。

4)考慮到施工中的不確定因素和諸多安全問(wèn)題，即使兩種工法在數(shù)值模擬中初支軸向抗壓、安全系數(shù)均能滿足隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在安全性上稍優(yōu)。