丁 瑩,馮思超
(華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450000)
隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,國家對各基建工程的投入也在不斷增長,各大基建工程都在往地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)發(fā)展。為響應(yīng)國家“十四五”規(guī)劃,各地啟動修建的許多抽水蓄能工程,需要修建許多淺埋水工隧道。水工隧洞承載著引水、輸水和排水等重要功能,在實(shí)現(xiàn)規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)中扮演著十分重要的角色。然而,當(dāng)隧道埋深較淺,地表地質(zhì)條件較差時,隧洞開挖極易發(fā)生塌陷、突水等安全事故。
對于淺埋隧洞而言,其地表地質(zhì)條件較差,隧洞圍巖自穩(wěn)能力較弱,開挖極易出現(xiàn)冒頂、涌水等問題。因此,許多專家學(xué)者在隧洞開挖變形方面做出了研究。伍良波等[1]基于Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則,采用極限分析法計算淺埋隧道的圍巖壓力和穩(wěn)定系數(shù);李生杰等[2]以高速公路隧道安遠(yuǎn)隧道為例,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)比對分析得出軟巖大變形的特性和發(fā)生變形的主要原因;張衛(wèi)國[3]對某超淺埋風(fēng)積砂質(zhì)新黃土隧道在施工時運(yùn)用超前小導(dǎo)管進(jìn)洞技術(shù)進(jìn)行研究,得出超前小導(dǎo)管進(jìn)洞技術(shù)在該類隧道現(xiàn)場施工時各方面的優(yōu)勢極大。袁青等[4]對富水淺埋軟巖隧道軟巖大變形機(jī)理進(jìn)行研究,得出大變形是由多種因素耦合形成的,地下水為主要控制因素,并對此提出“內(nèi)外結(jié)合”的主動控制技術(shù)。
本文以某淺埋水工隧洞工程為例,通過FLAC3D模擬隧洞開挖過程,對比不同開挖工法下隧洞圍巖位移、錨桿應(yīng)力和噴混位移,選擇該工程適合的開挖工法,并對其他工程提供一定參考。
本文以該工程隧洞所穿Ⅴ圍巖段為原基礎(chǔ),隧洞寬5.1 m,高5.835 m,該段埋深約為18~20 m,其圍巖主要以角閃片巖為主,隧洞所穿巖層為強(qiáng)風(fēng)化角閃片巖,其巖體強(qiáng)度弱,節(jié)理發(fā)育,為Ⅴ級圍巖。
該隧洞支護(hù)方案為初期支護(hù)使用噴錨支護(hù),之后進(jìn)行二次襯砌,Ⅴ級圍巖段灌漿錨桿設(shè)計參數(shù):灌漿錨桿采用3 m 徑向錨桿,間距1.0 m,排距1.0 m,噴混部分采用C20 混凝土掛網(wǎng)噴護(hù),厚20 cm,襯砌部分采用C25 混凝土進(jìn)行襯砌,厚60 cm。
該模型建立基于應(yīng)盡量減少“邊界效應(yīng)”影響的原則,邊界橫向上取隧洞中心到左右邊界的距離約3~5倍洞徑,而下邊界到洞底的距離為2~3 倍洞徑。根據(jù)上述原則,建模時橫向從隧洞中線位置向兩側(cè)各取25 m、豎向取仰拱底部以下30 m、豎向上邊界為地表,沿隧洞縱向取30 m。網(wǎng)格基本為1.5 m×1.5 m×1.5 m 的六面體網(wǎng)格,隧洞附近加密處理。模型共包括實(shí)體單元46 317 個,節(jié)點(diǎn)45 519 個,建立模型如圖1 所示。
圖1 地層模型示意圖
隧洞施工分為2 種開挖工況,分別為全斷面開挖和三臺階法開挖,2 種工況的進(jìn)尺都為3 m。其中,全斷面開挖工法一個進(jìn)尺為3 m,每個進(jìn)尺按順序進(jìn)行開挖,共10 個進(jìn)尺,每個進(jìn)尺開挖完成后即刻進(jìn)行初期支護(hù),隨即開始下一步開挖并進(jìn)行初期支護(hù),在每一個進(jìn)尺開挖和支護(hù)完成以后,再對前一個進(jìn)尺隧洞施加二次襯砌;臺階法開挖通過將隧洞分成3 部分進(jìn)行分層開挖,并保持邊開挖邊支護(hù)原則,首先開挖上臺階并施加初期支護(hù),之后中臺階滯后上臺階一個進(jìn)尺進(jìn)行開挖并施加初期支護(hù),下臺階同理。3 個臺階可以同時進(jìn)行獨(dú)立開挖,等同一進(jìn)尺的三臺階開挖完成后,一次性施加二次襯砌。表1 為隧洞圍巖物理參數(shù),表2 為隧洞圍巖物理參數(shù)和各支護(hù)參數(shù)。
表1 2#隧洞圍巖物理參數(shù)
表2 隧洞支護(hù)方案設(shè)計參數(shù)
以下是通過FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬后,獲得三臺階法和全斷面法完全開挖后形成的位移云圖,如圖2—圖3 所示。
圖2 三臺階法開挖隧洞圍巖位移云圖
圖3 全斷面法開挖隧洞圍巖位移云圖
隧洞開挖結(jié)束后,對比2 種開挖工法,2 種開挖工法均圍繞隧洞開挖面產(chǎn)生變形,2 種工法最大位移均位于拱頂,三臺階法隧洞各臺階開挖總位移最大的位置均位于拱頂,地表次之,而隧洞側(cè)壁位移最小。2 種工法中地表、隧洞拱頂和隧洞側(cè)壁的位移見表3。
表3 不同開挖工法下各關(guān)鍵點(diǎn)位移
綜合上述分析可知,2 種工法圍巖位移呈現(xiàn)趨勢基本相同,只是量值上呈現(xiàn)差異,并與實(shí)際工程圍巖位移相符合。全斷面法的位移小于三臺階法主要原因在于三臺階法開挖時,二次襯砌支護(hù)需要等到三個臺階全部開挖完成后進(jìn)行支護(hù),隧洞最大位移在上臺階拱頂位置,其開挖完成后雖立即增設(shè)初期支護(hù),但二次襯砌時間與進(jìn)尺跨度大,不利于限制圍巖的變形。并且全斷面法開挖時間和對圍巖的擾動相較于三臺階法更小,減少人為對隧洞圍巖變形的影響。
本節(jié)對支護(hù)體系結(jié)構(gòu)中的灌漿錨桿的不同工況進(jìn)行有限元建模計算,分析各種工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),從而對比兩種工法適用性。
由于全斷面開挖與三臺階法開挖一個循環(huán)的進(jìn)尺不同,故采用2 種工法全段開挖完成后的錨桿應(yīng)力進(jìn)行分析。如圖4 所示。
圖4 不同工況下錨桿應(yīng)力云圖
由圖4 可知,2 種工法錨固段的受力以洞軸線對稱分布,其中拱頂、拱頂兩側(cè)受力比較大,最大受力點(diǎn)在拱頂處,拱腳位置受力較小;對于全段隧洞而言,主要在臨近每個進(jìn)尺的掌子面受力較大。對于2 種不同開挖工法來說,三臺階法開挖使錨桿受力更大,軸向應(yīng)力最大為30.2 MPa;而全斷面法開挖使錨桿受力較小,軸向應(yīng)力最大為20.7 MPa。
由于全斷面開挖與三臺階法開挖一個循環(huán)的進(jìn)尺不同,故采用2 種工法全段開挖完成后的噴混位移進(jìn)行分析。如圖5、圖6 所示。
圖5 三臺階法噴混位移云圖
圖6 全斷面法開挖噴混云圖
由上圖可知,2 種工況的噴混位移云圖趨勢大致相同,噴混位移都表現(xiàn)出圍繞隧洞中線對稱分布的現(xiàn)象,并且最大變形位置都為拱頂與側(cè)壁,表4 為二者不同位置位移比較。
表4 不同工法噴混變形位移mm
隧洞開挖結(jié)束后,對比2 種開挖工法,2 種開挖工法噴混均圍繞隧洞開挖面產(chǎn)生變形,2 種工法最大位移均位于拱頂。對比2 種工法在整體位移、拱頂和側(cè)壁位置位移全斷面法開挖要小于三臺階法。
從以上結(jié)論可得到全斷面法和三臺階法各有優(yōu)劣,全斷面法開挖時噴混的變形小于三臺階法開挖時噴混的變形,但在底板位置有較大位移。
通過三臺階法和全斷面法2 種開挖方法進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析模擬結(jié)果,總結(jié)如下。
1)在圍巖位移方面,2 種工法最大位移均位于拱頂,地表次之,而隧洞側(cè)壁位移最小。整體來看,全斷面法在控制隧洞圍巖變形方面效果更佳。
2)在初期支護(hù)錨桿應(yīng)力方面,2 種工法錨固段的受力以洞軸線對稱分布,最大受力點(diǎn)在拱頂處,拱腳位置受力最小。三臺階法開挖使錨桿受力較大,軸向應(yīng)力最大為30.2 MPa;而全斷面法開挖使錨桿受力較小,軸向應(yīng)力最大為20.7 MPa。全斷面法的錨桿應(yīng)力相較于三臺階法的錨桿應(yīng)力偏小,與圍巖位移趨勢相符合。
3)在初期支護(hù)噴混位移方面,2 種工況的位移云圖趨勢大致相同,最大變形位置都為拱頂與側(cè)壁。全斷面法開挖過程中噴混底板位置有較大豎向位移,而三臺階法中噴混側(cè)壁位置位移較集中,整體位移上全斷面法小于三臺階法,2 種工法各有優(yōu)劣。
綜上所述,對于該工程而言,全斷面法較三臺階法開挖更具穩(wěn)定性,符合規(guī)范要求。