王兆亮,孫 圣,劉守花,莊 帥

(1.淮安市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司,江蘇 淮安 223004; 2.中大智能科技股份有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410036; 3.淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇 淮安 223003)

0 引言

目前,針對(duì)三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工方面的研究較多,但對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中受力機(jī)理的研究匱乏;調(diào)查發(fā)現(xiàn),三臺(tái)階七步開(kāi)挖法雖在隧道施工中應(yīng)用廣泛,但對(duì)施工過(guò)程中支護(hù)、圍巖的力學(xué)行為認(rèn)識(shí)不足,實(shí)際應(yīng)用效果差異較大,主要體現(xiàn)在施工速度和安全控制方面。因此,為充分發(fā)揮隧道三臺(tái)階七步開(kāi)挖法應(yīng)用效果,確保隧道施工進(jìn)度和安全,有必要開(kāi)展隧道開(kāi)挖過(guò)程中受力的變形研究。

本文依托某在建公路隧道工程,借助FLAC3D有限差分軟件建立三維數(shù)值模型,分析隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的各種物理力學(xué)參數(shù),通過(guò)對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果,并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析開(kāi)挖過(guò)程中位移、應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)規(guī)律,以期為后續(xù)隧道三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工提供必要的理論依據(jù)。

1 工程概況

某在建公路隧道左、右兩洞分離,中線(xiàn)點(diǎn)至拱頂高度10.5m,左、右拱墻寬5m。隧道洞口段地層主要為亞黏土,含水量達(dá)23.3%,孔隙比為0.698,塑性指數(shù)為17.4,該段圍巖的自穩(wěn)能力差。隧道采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法掘進(jìn),參數(shù)(見(jiàn)圖1)為:循環(huán)進(jìn)尺0.75m,核心土長(zhǎng)6m,臺(tái)階間距3m。

圖1 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法示意

隧道采用復(fù)合式襯砌,開(kāi)挖斷面為12.8m(寬度)×9.2m(高度),開(kāi)挖面積為110.2m2。隧道超前支護(hù)采用超前小導(dǎo)管加固,小導(dǎo)管長(zhǎng)4m,導(dǎo)管外徑50cm,環(huán)向間距50cm,縱向搭接1.2m。初期支護(hù)采用26cm厚C20混凝土,環(huán)向鋼拱架采用I18,縱向間距75cm,縱向采用φ22鋼筋連接,換線(xiàn)間距取80cm。二次襯砌采用45cm厚C25混凝土。

2 隧道開(kāi)挖三維數(shù)值模擬

2.1 隧道開(kāi)挖數(shù)值模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和施工過(guò)程建立三維隧道開(kāi)挖數(shù)值模型,為消除模型邊界對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響,模型的橫向?qū)挾热?20m(約10D,D為洞徑);沿線(xiàn)路縱向長(zhǎng)度為60m;豎向自隧底向下取48m。模型側(cè)面限制水平位移,底面限制豎向位移。

巖體采用三維實(shí)體單元(zone)模擬,服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,初期支護(hù)單元選擇三維殼單元(shell),仰拱、二次襯砌選擇三維實(shí)體單元(zone),初期支護(hù)、仰拱和二次襯砌均按彈性體考慮。該模型單元總數(shù)327 920個(gè),結(jié)點(diǎn)總數(shù) 342 306 個(gè)。具體參數(shù)如表1所示,其中巖體的體積模量(K)、剪切模量(G)由式(1)和式(2)換算獲得,初期支護(hù)的彈性模量按式(3)折算獲得。

表1 數(shù)值模型參數(shù)

(1)

(2)

E=E0+(Sg·Eg)/Sc

(3)

式中:E為折算后的混凝土彈性模量(GPa);E0為原混凝土彈性模量(GPa),混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20;Eg為鋼拱架(I18)彈性模量(GPa),Eg=210GPa;Sg為鋼拱架截面面積(cm2),取30.756cm2;Sc為噴射混凝土截面面積(cm2),取1 950cm2。

將各參數(shù)代入式(3)計(jì)算可得:E=24.3×109Pa。

2.2 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工步模擬

具體施工流程為:①初始地應(yīng)力場(chǎng)模擬;②拱部超前支護(hù),開(kāi)挖上弧導(dǎo)坑,施作初期支護(hù);③左、右、中臺(tái)階交錯(cuò)施工,施作支護(hù),且左、右保持錯(cuò)開(kāi)3m;④左、右交錯(cuò)開(kāi)挖下臺(tái)階邊墻,施作支護(hù)并左、右保持錯(cuò)開(kāi)3m;⑤中、下臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖;⑥仰拱斷面土體開(kāi)挖,二襯、仰拱每9m施作1次。循環(huán)進(jìn)尺為0.75m。

3 隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)實(shí)際施工步建立隧道開(kāi)挖的FLAC3D模型,分析圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)狀態(tài)。選取中間斷面的拱頂(A點(diǎn))、地表(B點(diǎn))和拱腰(C點(diǎn))作為主要特征點(diǎn)(見(jiàn)圖2),分別對(duì)三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工中位移、應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)進(jìn)行分析。

圖2 特征點(diǎn)位置

3.1 位移分析

3.1.1整體位移分析

臺(tái)階法7個(gè)施工步均通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后的總豎向位移云圖如圖3所示,由云圖看出,拱頂最大豎向位移10.5cm,隧道底部隆起約10.1cm。地表沉降在水平方向上的作用跨度約為3.5倍洞徑,在路線(xiàn)前進(jìn)方向超前于上導(dǎo)洞開(kāi)挖面約1倍的開(kāi)挖洞徑。

圖3 豎向位移云圖

3.1.2數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

臺(tái)階法7個(gè)施工步開(kāi)挖依次監(jiān)測(cè)通過(guò)斷面過(guò)程中,拱頂(A點(diǎn))數(shù)值計(jì)算豎向沉降量和3個(gè)斷面實(shí)測(cè)沉降量對(duì)比、拱頂(A點(diǎn))縱向數(shù)值計(jì)算位移與3個(gè)斷面實(shí)測(cè)位移對(duì)比及邊墻(C點(diǎn))計(jì)算收斂分別如圖4～6所示。

圖4 拱頂沉降對(duì)比

由圖4和圖5看出,各施工步依次通過(guò)典型斷面時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)相同,平均誤差為17.9%,數(shù)值模擬參數(shù)選取合理,計(jì)算結(jié)果可靠。同時(shí)看出,數(shù)值模擬結(jié)果小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,主要是由于數(shù)值模擬中圍巖假設(shè)為均一的彈塑性體,但現(xiàn)場(chǎng)圍巖復(fù)雜;且模擬設(shè)計(jì)時(shí)各施工步是依次有序銜接,即隧道開(kāi)挖完成,立即運(yùn)行施作初期支護(hù),未體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工的時(shí)間效應(yīng)。數(shù)值模擬中拱頂穩(wěn)定沉降值為10.2cm,其中上臺(tái)階開(kāi)挖后拱頂沉降值為5.64cm,占總沉降的55.3%。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中(斷面1)拱頂穩(wěn)定沉降值為17.6cm,其中上臺(tái)階開(kāi)挖后拱頂沉降值為10.2cm,占總沉降的58.0%;拱頂縱向位移穩(wěn)定值為2.65cm,其中上臺(tái)階開(kāi)挖后拱頂縱向位移為1.47cm,占總位移的55.5%;其他施工步開(kāi)挖造成的拱頂位移值大致相同,仰拱施作后初期支護(hù)閉合成環(huán)拱頂沉降值趨于穩(wěn)定。

圖5 拱頂縱向位移對(duì)比

圖6顯示各施工步通過(guò)典型斷面時(shí)邊墻的收斂過(guò)程,穩(wěn)定收斂值為2.8cm,其中上導(dǎo)洞開(kāi)挖后的收斂值為1.8cm,占穩(wěn)定收斂值的64.3%;其他施工步開(kāi)挖對(duì)邊墻收斂影響大致相同,其中下左導(dǎo)、下右導(dǎo)、仰拱開(kāi)挖施工較上左導(dǎo)、上右導(dǎo)及核心土開(kāi)挖對(duì)邊墻位置處收斂影響大。

圖6 邊墻收斂

各工序依次通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)地表特征點(diǎn)(B點(diǎn))沉降分析對(duì)比曲線(xiàn)如圖7～9所示。

圖7 地表特征點(diǎn)B沉降對(duì)比

圖7顯示,3個(gè)斷面地表特征點(diǎn)B現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降值較數(shù)值計(jì)算值大,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的相對(duì)平均誤差為13.5%。各施工步依次通過(guò)典型斷面直至穩(wěn)定后地表總沉降為5.7cm,上導(dǎo)洞開(kāi)挖后地表沉降為3cm,占總沉降的52.6%,其他各施工步開(kāi)挖對(duì)地表特征點(diǎn)沉降的影響大致相同。

圖8所示數(shù)值模擬結(jié)果顯示,地表沉降槽顯示基本上對(duì)稱(chēng),左、右交替施工對(duì)中心線(xiàn)的偏離影響不明顯,掌子面推進(jìn)才是地表沉降的主要影響因素。由圖9所示數(shù)值模擬結(jié)果看出,與掌子面距離越遠(yuǎn)地表沉降越小,上導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)地表沿縱向沉降影響最大。所以,控制上導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)掌子面的穩(wěn)定性是三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工的關(guān)鍵。

圖8 地表水平沉降曲線(xiàn)

圖9 地表縱向沉降曲線(xiàn)

3.2 應(yīng)力分析

圍巖的大、小主應(yīng)力云圖如圖10,11所示,體現(xiàn)的是隧道的應(yīng)力狀態(tài)。由圖看出,最大和最小主應(yīng)力呈左右對(duì)稱(chēng)分布,圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布隨斷面各施工步開(kāi)挖而變化。初始應(yīng)力場(chǎng)因隧道開(kāi)挖而發(fā)生改變,應(yīng)力重分布,同初始狀態(tài)相比,在拱頂一定區(qū)域內(nèi)的圍巖應(yīng)力狀態(tài)改變,形成低應(yīng)力區(qū);在隧道兩側(cè)邊墻的中部及仰拱區(qū)域的圍巖,最大主應(yīng)力在應(yīng)力變化中向逐漸增大的方向發(fā)展,隨著開(kāi)挖的進(jìn)行,應(yīng)力逐漸往某一區(qū)域增大擴(kuò)展,最終在拱腰位置處顯現(xiàn)(即開(kāi)挖跨度最大處)。

圖10 最大主應(yīng)力云圖

圖11 最小主應(yīng)力云圖

3.3 圍巖塑性區(qū)分析

1個(gè)施工循環(huán)完成時(shí)隧道周邊圍巖塑性區(qū)分布如圖12所示,由圖看出,隧道周邊圍巖塑性區(qū)在隧道施工時(shí)貫通,影響范圍沿橫向約0.4D,隧道前方土體在開(kāi)挖方向上的塑性區(qū),超前上導(dǎo)洞掌子面的距離在約0.5D,地表塑性區(qū)在開(kāi)挖方向與上導(dǎo)洞前進(jìn)距離體現(xiàn)較好的一致性;橫斷面塑性區(qū)隨開(kāi)挖推進(jìn)分布區(qū)域不同,拱腳位置變化尤為明顯,在隧道前進(jìn)方向,塑性區(qū)超前上導(dǎo)洞掌子面的距離在0.5D,不同點(diǎn)在于橫斷面塑性區(qū)主要受上導(dǎo)洞推進(jìn)的影響;核心土體提供的側(cè)向力對(duì)掌子面的穩(wěn)定性起積極作用,所以該區(qū)域內(nèi)掌子面未出現(xiàn)塑性區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)拱頂位置和地表沉降的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果平均誤差分別為17.9%,13.5%,說(shuō)明數(shù)值模擬參數(shù)選取合理,計(jì)算結(jié)果可靠。

2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果表明,上臺(tái)階開(kāi)挖誘發(fā)的變形超過(guò)隧道總體變形的50%,該施工步是三臺(tái)階七步開(kāi)挖法中控制圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而初期支護(hù)及時(shí)地形成閉環(huán)對(duì)控制總體變形有較好效果。因此,上臺(tái)階開(kāi)挖是隧道開(kāi)挖中確保圍巖穩(wěn)定和限制圍巖變形的關(guān)鍵一環(huán),施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)該工序的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制。

3)圍巖應(yīng)力因隧道開(kāi)挖而重新分布,拱頂附近圍巖形成較大范圍的低應(yīng)力區(qū),而拱腰處圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高拱腰部位襯砌強(qiáng)度。

4)隧道前方土體的縱向塑性區(qū)超前上導(dǎo)洞掌子面約為0.5D,后續(xù)在亞黏土地層中進(jìn)行三臺(tái)階七步法開(kāi)挖時(shí),超前支護(hù)沿縱向應(yīng)≥0.5D;地表塑性區(qū)縱向與上導(dǎo)洞推進(jìn)里程基本一致;核心土體對(duì)應(yīng)掌子面未出現(xiàn)塑性區(qū),核心土有利于掌子面穩(wěn)定。