秦煜杰，黎應(yīng)書，李 微

(昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650031)

0 引 言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，基礎(chǔ)施設(shè)建設(shè)日益完善，人們?cè)絹碓阶非蠼煌ǖ谋憷c快捷，高速公路和高鐵飛速發(fā)展。相對(duì)于平原地區(qū)，在山區(qū)公路建設(shè)中，隧道建設(shè)的重要性更加不言而喻，能有效克服地形障礙，使公路路程縮短且路況平直舒緩。我國(guó)西部山區(qū)隧道修建因其地質(zhì)條件復(fù)雜而困難重重，在建設(shè)過程中地質(zhì)災(zāi)害頻繁，很容易發(fā)生圍巖變形破壞等地質(zhì)災(zāi)害[1-2]，保證隧道施工安全是工程面臨的一大難題。

隧道開挖方法直接決定了隧道施工的難易程度和施工過程中的安全性[3- 4]，開挖方法又受地質(zhì)條件及環(huán)境因素制約[5- 6]。本文以云縣至臨滄高速公路某一隧道為例[7]，探究在軟弱圍巖的地質(zhì)背景下，通過分析圍巖的受力形態(tài)、位移等，得到最適宜此類軟弱圍巖的開挖方法。

1 工程背景

該工程位于云縣至臨滄高速公路，隧道區(qū)海拔高度介于1 197.6～2 525.3 m 之間，相對(duì)高差1 321.7 m，屬高中山構(gòu)造剝蝕地貌區(qū)。研究區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)性氣候，年內(nèi)雨季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，降雨量巨大。研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，出露地表水，地下水分為第四系孔隙水和基巖裂隙水2種類型，補(bǔ)給主要靠大氣降水及地表水入滲。地層巖性為粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)砂巖及花崗質(zhì)片巖。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，隧道進(jìn)口有南汀河斷裂，出口有勐撒—曼崗山斷裂。受2條斷層的影響，研究區(qū)范圍內(nèi)巖體軟弱破碎，圍巖穩(wěn)定性差。

本次工程項(xiàng)目擬建路段地形起伏大，將隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道。隧道左幅起點(diǎn)里程ZK12+600、止點(diǎn)里程ZK22+835，全長(zhǎng)10 235 m，右幅起點(diǎn)里程K12+620、止點(diǎn)里程K22+830，全長(zhǎng)10 210 m。隧道左幅最大埋深1 210.85 m，右幅最大埋深1 199.53 m，左右幅隧道累計(jì)總長(zhǎng)20 445 m，左右幅線間距約為28～40 m。隧道洞身擬采用復(fù)合式襯砌混凝土結(jié)構(gòu)。

2 研究方法

2.1 隧道開挖方法

隧道開挖過程中將對(duì)圍巖造成擾動(dòng)，使得隧道圍巖應(yīng)力重分布，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)塌落、掉塊、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)問題。為防治此類問題的出現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)選擇最適宜的開挖方法及支護(hù)措施。隧道開挖常見的方法有全斷面法、臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、環(huán)形法、CD法(中隔壁法)、CRD法(交叉中隔壁法)[8]。本工程從施工條件出發(fā)，結(jié)合成本、工期、施工工序，最終選定CD開挖法、環(huán)形開挖法、兩臺(tái)階開挖法對(duì)隧道進(jìn)行開挖模擬及穩(wěn)定性分析。3種開挖方法見圖1。圖1中，①～⑤為施工步驟。

圖1 3種開挖方法步驟示意

2.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬以有限元軟件MIDAS GTS NX作為隧道工程建模分析工具，建立3種不同開挖方式對(duì)應(yīng)的模型進(jìn)行模擬分析。根據(jù)收集到的工程地質(zhì)勘查資料，隧道模型地質(zhì)參數(shù)以隧道K13+600～K13+900段的實(shí)際地質(zhì)條件為準(zhǔn)，該段圍巖分級(jí)為Ⅳ～Ⅴ級(jí)，主要由中風(fēng)化花崗質(zhì)片巖構(gòu)成，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，整體上呈碎石、碎塊狀碎裂結(jié)構(gòu)。巖體富水性較強(qiáng)，經(jīng)物探探測(cè)后可知屬于低電阻區(qū)，故在隧道開挖時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)滴水、滲水等現(xiàn)象，且圍巖巖體本身自穩(wěn)能力較差，在開挖過程中若支護(hù)不及時(shí)或者支護(hù)不當(dāng)，則可能引起大規(guī)模的坍塌[9]。圍巖上覆地層為花崗質(zhì)片巖，地表出露地層為粉質(zhì)黏土。材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)選取

隧道拱頂埋深D=55 m、高H=8.8 m、跨度B=11.7 m。整體模型尺寸為136 m×150 m×100 m，一次掘進(jìn)尺寸為5 m，分30段開挖。環(huán)形法模型共13 680個(gè)單元，14 694個(gè)節(jié)點(diǎn)。CD法模型共13 200個(gè)單元，14 446個(gè)節(jié)點(diǎn)。臺(tái)階法模型共14 580 個(gè)單元，16 244個(gè)節(jié)點(diǎn)。選用M-C準(zhǔn)則為數(shù)值模擬屈服準(zhǔn)則，M-C準(zhǔn)則作為一種經(jīng)典的本構(gòu)模型被廣泛應(yīng)用于研究巖土體的力學(xué)性能和變形性質(zhì)中。實(shí)踐證明，數(shù)值模擬時(shí)，采用M-C準(zhǔn)則進(jìn)行巖土體的受力與變形分析，得到的結(jié)果與實(shí)際情況基本一致[10]。為保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量減少邊界約束條件對(duì)有限元計(jì)算精度的影響[11]，故對(duì)模型邊界進(jìn)行定義：將位于模型頂部的大地表面設(shè)置為自由邊界，在模型前后兩側(cè)施加Y方向位移約束，左右兩側(cè)施加X方向位移約束，模型底部施加Z方向位移約束。隧道圍巖初始應(yīng)力主要考慮巖層自重應(yīng)力[12]。錨桿用植入式桁架、噴混用板單元進(jìn)行模擬。3種開挖方法的有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

3 研究結(jié)果分析

3.1 位移場(chǎng)

位移場(chǎng)分析主要是分析隧道開挖后豎向位移及水平位移的變化。將隧道圍巖的拱頂、拱底、左隧道左側(cè)拱腰、右隧道右側(cè)拱腰同一位置，通過3種不同開挖方式開挖后產(chǎn)生的位移進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。通過對(duì)比3種開挖方式產(chǎn)生的位移量可知：

(1)CD法開挖后隧道的橫向變形最大，其次是臺(tái)階法，環(huán)形法開挖后的拱腰收斂最小，左隧道左側(cè)拱腰橫向位移僅為0.086 cm，右隧道右側(cè)拱腰橫向位移僅為0.069 cm，而CD法和兩臺(tái)階法開挖后左隧道左拱腰處橫向位移均為0.23 cm左右，右隧道右拱腰處達(dá)到0.15 cm左右。

圖3 環(huán)形法位移云圖

圖4 CD法位移云圖

(2)3種開挖方法豎向拱底位移相差不大。環(huán)形法豎向拱頂位移僅為3.234 cm；CD法開挖后的豎向拱頂位移最大，達(dá)到3.629 cm。通過比對(duì)3種方法開挖施工后得到的豎向位移量可知，開挖時(shí)斷面產(chǎn)生的巖土分塊較多的開挖方法相對(duì)比較穩(wěn)定，其所產(chǎn)生的拱頂沉降比較小。3種開挖方式拱底都出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，這是由于開挖過程使得圍巖應(yīng)力重分布以及地下水滲流引起周圍巖土體擾動(dòng)。

表2 3種不同開挖方式開挖后產(chǎn)生的位移 cm

不同開挖方法形成的位移變化云圖見圖3、4、5(均選取開挖結(jié)束后的正面位移云圖)。從圖3、4、5可知：

(1)3種開挖方法產(chǎn)生的位移云圖相差不大，變形趨勢(shì)具有一致性，橫向位移在左隧洞的拱腰左側(cè)、拱頂右側(cè)和拱底右側(cè)達(dá)到最大；在右隧洞的拱腰右側(cè)、拱頂左側(cè)和拱底左側(cè)達(dá)到最大。

(2)隧道圍巖內(nèi)側(cè)面產(chǎn)生橫向位移，向洞內(nèi)收斂，雙隧道中間部分由于雙向水平應(yīng)力抵消，基本沒有產(chǎn)生位移。在雙隧道外側(cè)，由于水平地應(yīng)力與圍巖拱腰之間的夾角垂直，受應(yīng)力作用相比于拱頂與拱底更明顯，隧道外側(cè)拱腰在橫向上變形量較大。

(3)豎向位移在左右隧洞的拱頂和拱底處達(dá)到最大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隧道拱頂和拱底的臨空面垂直于豎向應(yīng)力，使拱頂和拱底的水平面與豎向應(yīng)力之間的夾角為90°應(yīng)力作用效果明顯，位移量大。

在進(jìn)行隧道開挖時(shí)，相比于環(huán)形法和臺(tái)階法，CD法對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)較多，因此在橫向位移上CD法位移值最大。

圖5 臺(tái)階法位移云圖

圖6 環(huán)形法應(yīng)力云圖

3.2 應(yīng)力場(chǎng)

選取3種開挖方式的同一位置點(diǎn)進(jìn)行比較，提取該點(diǎn)水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力和最大主應(yīng)力數(shù)值，結(jié)果見表3。從表3可知，采用CD法開挖引起的圍巖的水平應(yīng)力比采用臺(tái)階法和環(huán)形法開挖要大，而環(huán)形法開挖后周圍圍巖產(chǎn)生的水平應(yīng)力是最小的；CD法開挖時(shí)產(chǎn)生的豎向應(yīng)力最小，臺(tái)階法的豎向應(yīng)力最大。因此，CD法開挖所產(chǎn)生的最大主應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他2種方法，環(huán)形法開挖產(chǎn)生的最大主應(yīng)力最小。這是因?yàn)槔?種開挖方法開挖時(shí)，隧道涌水量各不相同，環(huán)形法自身的防水性能是3種開挖方法中最差的，而CD法最好，環(huán)形法開挖后涌水量過多，導(dǎo)致圍巖內(nèi)部孔隙水壓力減少，從而導(dǎo)致了隧洞洞口周圍圍巖應(yīng)力的減少。

表3 不同開挖方法產(chǎn)生的應(yīng)力 kPa

3種不同開挖方法形成的應(yīng)力云圖見圖6、7、8，從圖6、7、8可知：

(1)3種不同開挖方法形成的應(yīng)力云圖形狀相差不大，只是應(yīng)力大小不同，而且3種開挖方法產(chǎn)生的應(yīng)力都集中于隧道開挖面附近，說明隧道開挖后，在隧道洞口出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)通過水平應(yīng)力云圖可知，3種方法開挖后都在拱底處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其他地方在水平方向上應(yīng)力釋放比較充分。在雙隧道中間部分，隧道開挖后分布在圍巖中的應(yīng)力出現(xiàn)變化，在應(yīng)力重分布的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力增加較為顯著，所以此處在水平方向上基本沒有產(chǎn)生位移。

(3)通過豎直應(yīng)力云圖可知，3種方法產(chǎn)生豎向應(yīng)力的位置都是一致的，但環(huán)形法相比于其他2種方法應(yīng)力值范圍更小，應(yīng)力釋放更為充分，特別是在拱頂和拱底處，與其他2種方法開挖后產(chǎn)生的應(yīng)力值相比，差距十分明顯。

圖7 CD法應(yīng)力云圖

圖8 臺(tái)階法應(yīng)力云圖

圖9 塑性區(qū)云圖

通過對(duì)比水平方向和豎直方向上的應(yīng)力變化發(fā)現(xiàn)，采用臺(tái)階法進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)力值變化范圍大，采用環(huán)形法和CD法進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)力值變化范圍較小。從應(yīng)力角度考慮，采用環(huán)形法或CD法開挖比采用臺(tái)階法更有利于隧道的穩(wěn)定。

3.3 塑性區(qū)

隧道開挖后，3種不同開挖方法形成的塑性應(yīng)變?cè)茍D見圖9。從圖9可知，大應(yīng)變區(qū)集中在拱底及隧道側(cè)壁底部。3種開挖方法產(chǎn)生的塑性應(yīng)變?cè)茍D圖形有所區(qū)別，CD法與臺(tái)階法產(chǎn)生的塑性應(yīng)變區(qū)域在隧洞的左右兩側(cè)及拱腳處，而環(huán)形法產(chǎn)生的塑性應(yīng)變不僅位于隧洞兩側(cè)及拱腳處，同時(shí)還位于拱頂上方。但CD法和臺(tái)階法在拱腰和拱底產(chǎn)生的塑性應(yīng)變值比環(huán)形法大，且臺(tái)階法最大。從塑性應(yīng)變區(qū)來看，環(huán)形法要比CD法和臺(tái)階法更加穩(wěn)定。

4 穩(wěn)定性分析

將MIDAS GTS NX中建好的模型運(yùn)用FPNtoFLAC3D.exe格式轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序，使從MIDAS GTS NX中輸出的FPN格式的文件轉(zhuǎn)換為flac3d格式的文件，再將其導(dǎo)入到FLAC 3D 5.0中，計(jì)算3種不同開挖方法開挖后隧道的安全系數(shù)。

由強(qiáng)度折減法計(jì)算出來的CD法、環(huán)形法、臺(tái)階法的安全系數(shù)分別是1.80、1.81、1.78，說明CD法和環(huán)形法相對(duì)于臺(tái)階法圍巖的穩(wěn)定性更加好，而CD法比環(huán)形法略差一點(diǎn)。因此，環(huán)形法相比于CD法和臺(tái)階法，更適合此類軟弱圍巖隧道的開挖。

5 結(jié) 語

本文基于云南云縣至臨滄高速公路中某隧道，選取了CD法、環(huán)形法和臺(tái)階法3種開挖方法，建立有限元模型，進(jìn)行軟弱圍巖的位移、應(yīng)力、塑性應(yīng)變分析，得出以下結(jié)論：

(1)從位移變化來看，環(huán)形法的拱頂沉降和橫向拱腰位移是最小的，CD法的拱頂沉降是最大的。從應(yīng)力角度看，CD法的應(yīng)力比其他2種方法都要大，環(huán)形法開挖后周圍圍巖應(yīng)力是最小的。從塑性應(yīng)變角度看，環(huán)形法產(chǎn)生塑性應(yīng)變的位置與CD法和臺(tái)階法不同，不僅位于隧洞兩側(cè)及拱腳處，同時(shí)還位于拱頂上方，但CD法和臺(tái)階法產(chǎn)生的應(yīng)變值大于環(huán)形法。

(2)采用強(qiáng)度折減法對(duì)3種開挖方式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，環(huán)形法安全系數(shù)是最大的，其次是CD法，最后是臺(tái)階法。

(3)綜合考慮地質(zhì)條件、施工條件和施工安全等情況，并結(jié)合3種開挖方法對(duì)比結(jié)果得出，在軟弱圍巖隧道開挖中，環(huán)形法相比于其他2種方法更合適。