趙帥 徐新興 劉鵬

摘要：佛嶺隧道地處軟弱圍巖條件，采用臺(tái)階法施工，其開挖過(guò)程的變形情況關(guān)系著隧道的穩(wěn)定性。采用 MIDAS/GTS 軟件對(duì)佛嶺隧道施工過(guò)程中的變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到兩種進(jìn)尺情況下不同開挖階段軟弱圍巖的變形情況，論證了隧道開挖施工方案的合理性。結(jié)果表明：采用臺(tái)階法預(yù)留核心土施工，該隧道安全可靠。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；數(shù)值模擬；變形分析

中圖分類號(hào)：U452.2+7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）05-0170-04

Theinfluenceof tunnelgeologicalconditionsonexcavationdeformationandtheoptimizationanalysisof numericalsimulationof stepmethodconstruction

ZHAO Shuai1， XU Xinxing2， LIU Peng3

（1. Shanxi Institute of Economic Management，Taiyuan 030024，China;

2. Taikang Health Industry Investment Holding Co.， Ltd.，Beijing Branch， Beijing 100020，China;

3. China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China）

Abstract： The Fouling Tunnel is located in weak surrounding conditions and is constructed using the step method. The deformation during the excavation process is related to the stability of the tunnel. This article uses MIDAS/GTS software to numerically simulate the deformation of the Fouling Tunnel during construction，and obtains the defor? mation of weak surrounding rock at different excavation stages under two different footage conditions，demonstrat? ing the rationality of the tunnel excavation construction plan. The results indicate that using the step method to re? serve core soil for construction is safe and reliable for the tunnel.

Keywords： weak surrounding；numerical simulation；deformation analysis

軟弱圍巖隧道開挖工程中變形大小對(duì)隧道穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要，也是目前研究隧道變形的一個(gè)熱點(diǎn)話題，眾多學(xué)者對(duì)軟弱圍巖大斷面隧道開挖方式進(jìn)行了探討，使用數(shù)值模擬方法，為軟弱地層中的隧道開發(fā)提出了合理的建議。對(duì)于臺(tái)階法隧道開挖的研究，數(shù)值模擬基于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力已成為主要的分析手段。針對(duì)分別使用FLAC 3D、 MIDAS/GTS 軟件對(duì)不同工程的隧道開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬[11-14]，為施工中選擇合理的開挖方式提供了模擬，輔助選定了最佳的隧道開挖方式。本文以佛嶺隧道為例，對(duì)軟弱圍巖條件下新奧法施工的開挖方式進(jìn)行了數(shù)值模擬，為實(shí)際開挖方式提供了合理的建議。

1 工程概況

佛嶺隧道位于五臺(tái)縣陳家莊鄉(xiāng)至盂縣梁家寨間佛嶺處，是一座雙向4車道分離式隧道，隧道寬為10.5 m，高5.0 m。隧道左線全長(zhǎng)8803 m，右線全長(zhǎng)8805 m。本文以左線隧道為對(duì)象進(jìn)行研究，隧道進(jìn)口位于移城河南岸二級(jí)階地上，覆蓋土層為黃土，屬于較平緩地勢(shì)；隧道出口位于牛道溝西岸斜坡處。隧道圍巖以黃土、殘破積碎石、泥質(zhì)巖等軟弱巖體為主；隧道所處地區(qū)的降水量小，雨季最高水位較隧道路面低0.5 m，同時(shí)，路徑的地表水系對(duì)擬建隧道影響不大。

隧道施工基于新奧法原理，對(duì)該隧道的施工開挖方式采用臺(tái)階法施工，擬采用上、下半斷面的形式進(jìn)行開挖成型，為控制隧道地層變形，主洞采取“超前小導(dǎo)管周邊注漿加固”、“環(huán)形開挖預(yù)留核心土”、“長(zhǎng)管棚超前支護(hù)”的方法，具體如圖1所示。如此便可從經(jīng)濟(jì)和安全的角度能夠最大程度上保障隧道開挖穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步探究隧道黃土化學(xué)成分，利用XRD 分析隧道黃土化學(xué)礦物成分。為了全面分析試樣的元素組成，選擇了大布拉格角（29）10°～90°和0.13°/s 的掃描速率，使用Ni 濾波，電壓30 kV，電流30 mA，掃描速度6°/min，溫度22℃ ，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，土壤中的主要非粘土礦物仍然是石英、方解石和長(zhǎng)石，且非粘土礦物成分含量占比較大。而主要的粘土礦物是伊利石和綠泥石。

2 有限元分析

基于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力和巖土本構(gòu)研究的發(fā)展，通過(guò)有限元數(shù)值模擬的方法能夠更為有效的通過(guò)試驗(yàn)分析隧道開挖過(guò)程中的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等的變化情況。目前研究中使用的有限元軟件以 FLAC 3D 和 MIDAS/GTS 為主流，本文主要使用 MI? DAS/GTS 軟件對(duì)佛嶺隧道開挖過(guò)程進(jìn)行工況模擬，進(jìn)而分析其變形情況并判斷隧道穩(wěn)定性[15-18]。

2.1數(shù)值模型建立

基于MIDAS/GTS軟件對(duì)佛嶺隧道開挖過(guò)程工況進(jìn)行模擬分析。本文軟弱圍巖采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，襯砌結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

在力學(xué)參數(shù)方面，開挖過(guò)程以釋放荷載的形式體現(xiàn)在模型中，研究?jī)H考慮自重荷載作用下的初始應(yīng)力大小。根據(jù)施工圖紙，結(jié)合新奧法施工的特點(diǎn)，二次襯砌前，圍巖及初次支護(hù)結(jié)構(gòu)已然承受了釋放出的荷載，故而可假定二次襯砌結(jié)構(gòu)不受力。結(jié)合佛嶺隧道軟弱圍巖的地質(zhì)情況，判定圍巖類型為Ⅴ級(jí)，其荷載釋放分配比例按照圍巖承擔(dān)20%、初次支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)80%進(jìn)行分?jǐn)偂?/p>

考慮到MIDAS/GTS 具有初始位移自動(dòng)清零的功能，可以避免在分析變形時(shí)初始位移對(duì)于變形分析的干擾，因此在設(shè)置初始應(yīng)力場(chǎng)能夠按照初始自重應(yīng)力形成應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)其后的變形分析影響不大。由于佛嶺隧道屬于淺埋隧道，因此在設(shè)置圍巖參數(shù)時(shí)以實(shí)際勘察資料為準(zhǔn)即可。

在支護(hù)結(jié)構(gòu)的模型建立中，按照表1的設(shè)計(jì)要求建立支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，其具體參數(shù)如表2所示，最終建立的隧道及支護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型分別如圖3、圖4所示。

2.2 工況設(shè)置

按照?qǐng)D1所示的開挖過(guò)程，在 MIDAS/GTS 中設(shè)置荷載釋放不同階段，形成了不同的工況；具體如表3所示。

3 變形結(jié)果分析

由于隧道是一個(gè)縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于水平尺寸的模型，因此可以視為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析。基于不同工況的模擬，得到了不同的位移云圖，進(jìn)而得以判斷該隧道開挖過(guò)程中的位移場(chǎng)變化情況[19-20]。

3.1 上環(huán)形臺(tái)階開挖階段

通過(guò)計(jì)算，得到上環(huán)形臺(tái)階開挖階段的水平位移及豎向位移云圖，具體如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，該開挖階段，拱頂沉降明顯，且集中于拱頂周邊，其位移數(shù)值隨著距離拱頂?shù)拈L(zhǎng)度越遠(yuǎn)呈現(xiàn)衰減，且衰減形態(tài)呈現(xiàn)出扇形的擴(kuò)散狀。該形態(tài)進(jìn)一步說(shuō)明在上環(huán)形臺(tái)階開挖中拱頂?shù)拿撾x區(qū)存在的客觀性。從圖5（b）可以看出，該階段拱腳周邊的水平位移較大，但不足拱頂豎向位移的二分之一，說(shuō)明拱腳處的約束作用明顯，其抗力區(qū)開始發(fā)揮作用。同時(shí)，從圖5（a）還可以看到，核心土處出現(xiàn)明顯的向上隆起，達(dá)到27.4 mm；但對(duì)于隧道底部設(shè)計(jì)標(biāo)高而言影響較小，說(shuō)明采用保留核心土的開挖方式可以減輕開挖初期對(duì)隧道設(shè)計(jì)底部標(biāo)高處的變形影響。

3.2 核心土開挖階段

通過(guò)計(jì)算得到的核心圖開挖階段的位移云圖如圖6所示。

從圖6可以看出，該階段的位移云圖分部呈現(xiàn)出與上環(huán)形臺(tái)階開挖階段相同的特征。從計(jì)算數(shù)值上看，拱頂?shù)呢Q向位移增加到2.89 mm，較前一階段增加了0.35 mm；而拱腳周邊的水平位移數(shù)值較前一段的增量為0.6 mm，說(shuō)明核心土開挖對(duì)于拱頂?shù)淖畲蟪两档挠绊懚溉幌陆怠：诵耐恋撞柯∑鸱矫?，新增隆起量?.63 mm，變化與拱腳水平位移接近，說(shuō)明該階段對(duì)隧道圍巖拱腳及底部的變形影響大于拱頂?shù)挠绊懀坏傮w而言較前一階段變化不大。

3.3 下臺(tái)階土開挖階段

下開挖階段，拱頂豎向位移增量為0.46 mm，拱腳水平位移增量為0.27 mm，其分部情況大體與前2階段相同，從數(shù)值增量來(lái)看，雖然圍巖整體的位移增量變化不大，但豎直位移增量明顯大于水平位移增量?？拥茁∑鹞灰茷?.48 mm，達(dá)到開挖以來(lái)的最大值。下臺(tái)階開挖階段位移云圖如圖7所示。

從圖7可以看出，通過(guò)不同階段的位移云圖對(duì)比分析，可以得到隧道圍巖變形的最大值為拱頂沉降，其值達(dá)3.36 mm；其次是圍巖底部隆起，其值達(dá)3.49 mm。而水平位移最大值為2.05～2.13 mm，這與新奧法施工中隧道圍巖的脫離區(qū)與抗力區(qū)的分布理論相一致，同時(shí)也指導(dǎo)施工中監(jiān)測(cè)重點(diǎn)要更多關(guān)注拱頂及底部位移。

整體分析隧道開挖過(guò)程，上環(huán)形土體開挖階段的豎向位移變形量占據(jù)總變形量的78.5%，是監(jiān)測(cè)中重點(diǎn)關(guān)注的開挖階段。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立佛嶺隧道左線隧道的有限元模型，定義3個(gè)階段的施工過(guò)程，對(duì)軟弱圍巖條件下的隧道開挖進(jìn)行了模擬，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）采用臺(tái)階法保留核心土的開挖方式中，上環(huán)形土體開挖的變形最為顯著，應(yīng)當(dāng)在新奧法施工中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率；

（2）各開挖階段的沉降值都明顯大于收斂值，故而軟弱圍巖隧道開挖中控制沉降值更為關(guān)鍵。

（3）選擇進(jìn)尺越小，軟弱圍巖隧道開挖后的沉降值及收斂值越小，在考慮開挖方案時(shí)如遇變形超過(guò)限值時(shí)，減小進(jìn)尺長(zhǎng)度是一項(xiàng)有效措施。

（4）通過(guò)各開挖階段的數(shù)值模擬分析，佛嶺隧道采用超前小導(dǎo)管注漿加固、臺(tái)階法預(yù)留核心土的開挖方式能夠確保軟弱圍巖的變形在可控范圍之內(nèi)，其施工方案安全合理。

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