大跨度軟巖隧道淺埋區(qū)開挖方法優(yōu)選

劉偉

(陜西省公路局，陜西西安 710068)

0 引言

集寧—呼和浩特高速公路旗下營(yíng)隧道位于內(nèi)蒙古自治區(qū)察哈爾右翼中旗烏蘭哈葉蘇木，屬大跨軟弱圍巖淺埋隧道。隧道斷面形式為三心圓曲墻式斷面，普通斷面開挖寬度16 m，高12 m，開挖面積約156.6 m2。隧道穿越剝蝕低山丘陵，最大埋深約150 m。隧道區(qū)屬于剝蝕丘陵山地地貌，隧址區(qū)上覆為第四系全新統(tǒng)沖積成因粉土、碎石、卵石、漂石等，下伏基巖為第三系礫巖、砂巖、砂礫巖及砂質(zhì)泥巖等。隧道圍巖為Ⅴ級(jí)，巖質(zhì)極軟，巖體破碎。在雨水浸潤(rùn)易軟化，圍巖自穩(wěn)能力差，無(wú)支護(hù)時(shí)拱部易塌方，側(cè)壁易失穩(wěn)。

本文采用ABAQUS有限元軟件，就三臺(tái)階七步開挖方法與CD法的全過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)兩種工藝下地表沉降、拱頂沉降以及周邊收斂情況的對(duì)比分析表明，較三臺(tái)階七步開挖方法而言，CD法更適合于旗下營(yíng)隧道的施工。

1 有限元模型

1.1 開挖工藝

三臺(tái)階七步法和CD法的開挖工藝如圖1所示。

1.2 有限元模型及參數(shù)選取

圖1 施工工藝

本文有限元分析按平面應(yīng)變問(wèn)題建立二維模型。為減少模型的邊界效應(yīng)，選取的模型范圍為:下部取至隧道底部以下60 m，左右面邊界取至隧道外側(cè)55 m，上部取至隧道頂部以上20 m。模型的左、右邊界施加水平約束，底邊界施加豎向約束。有限元模型如圖2所示。

數(shù)值分析中，地表沉降沿垂直于隧道軸向方向間隔3 m均勻布置1～7共7個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中4號(hào)測(cè)點(diǎn)位于隧道拱頂正上方。拱頂沉降和周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，圍巖采用實(shí)體單元，初期支護(hù)采用ABAQUS中具有“追蹤功能”的單元來(lái)模擬(通過(guò)ELCOPY關(guān)鍵字完成)，錨桿加固區(qū)通過(guò)等效強(qiáng)度方法實(shí)現(xiàn)。圍巖初始力可以通過(guò)未開挖前自重應(yīng)力下提取各單元的應(yīng)力，然后在模擬過(guò)程中將提取的各單元應(yīng)力文件通過(guò)initial conditions關(guān)鍵字施加到模型上，從而可以在初始應(yīng)力平衡下進(jìn)行開挖模擬。

圖2 有限元模型

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

模型相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 三臺(tái)階七步開挖模擬結(jié)果分析

圖4給出了隧道三臺(tái)階七步法開挖完成后的豎向位移云圖。由圖4可知，隧道開挖完成后拱頂左、中、右三個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向沉降值分別為7.34 mm，7.49 mm和7.38 mm;中間測(cè)點(diǎn)的豎向沉降最大，由于隧道對(duì)稱開挖，左、右兩測(cè)點(diǎn)的沉降值相當(dāng)。

圖4 豎向位移云圖（一）

圖5給出了隧道三臺(tái)階七步法開挖完成后的橫向位移云圖。由圖5可知，對(duì)于周邊收斂，拱腰處水平凈空收斂值約為0.15 mm，邊墻處水平凈空收斂值約為0.32 mm。

表2給出了隧道開挖完成后的地表沉降值。由表2可知，地表最大沉降值位于隧道正上方4號(hào)測(cè)點(diǎn)，約為6.17 mm;其他測(cè)點(diǎn)沉降值隨距4號(hào)點(diǎn)距離增加漸小。

表2 地表沉降(一)

2.2 CD法開挖模擬結(jié)果分析

圖6給出了隧道CD法開挖完成后豎向位移云圖。由圖6可知，隧道開挖完成后拱頂左測(cè)點(diǎn)的最終豎向沉降值約為6.14 mm，中間測(cè)點(diǎn)的最終豎向沉降值約為6.52 mm，右測(cè)點(diǎn)的最終豎向沉降值約為6.33 mm。

圖5 橫向位移云圖（一）

圖6 豎向位移云圖（二）

圖7給出了隧道CD法開挖完成后的橫向位移云圖。由圖7可知，對(duì)于周邊收斂處拱腰水平凈空收斂值約為0.33 mm，邊墻處水平凈空收斂值約為2.88 mm。

圖7 橫向位移云圖（二）

表3給出了隧道開挖完成后的地表沉降值。由表3可知，地表最大沉降值位于隧道正上方4號(hào)測(cè)點(diǎn)，約為5.12 mm;其他測(cè)點(diǎn)沉降值隨距4號(hào)點(diǎn)距離增加漸小。

表3 地表沉降(二)

2.3 兩種施工工藝的對(duì)比分析

由以上兩節(jié)分析可知，較三臺(tái)階七步法而言，采用CD法施工時(shí)隧道開挖完成后的拱頂沉降值較小，但水平凈空收斂值較大。

將表2和表3所得結(jié)果繪于圖8。由圖8可知，兩種施工工藝下隧道開挖完成后，地表沉降最大沉降值均位于拱頂正上方4號(hào)測(cè)點(diǎn)，左、右測(cè)點(diǎn)地表沉降值基本上對(duì)稱于測(cè)點(diǎn)4分布。較三臺(tái)階七步開挖方法而言，CD法施工完成后隧道地表沉降值較小。

圖8 地表沉降

3 結(jié)語(yǔ)

以集呼高速旗下營(yíng)隧道為工程背景，采用有限元軟件得到了CD法和三臺(tái)階七步法兩種開挖方案的數(shù)值結(jié)果。通過(guò)拱頂位移、水平凈空收斂以及地表沉降值的分析對(duì)比，得到了一些有益結(jié)論。

采用CD法施工時(shí)隧道開挖完成后的拱頂沉降值較小，但水平凈空收斂值略大。兩種施工工藝下隧道開挖完成后，地表沉降最大沉降值均位于拱頂正上方，左、右測(cè)點(diǎn)地表沉降值基本上對(duì)稱于隧道中心線分布;較三臺(tái)階七步開挖方法而言，CD法施工完成后隧道地表沉降值較小。綜合分析可知大跨度軟巖隧道淺埋區(qū)采用CD法開挖對(duì)隧道的穩(wěn)定性更加有利可靠。

［1］ 王 志.大跨度公路隧道淺埋段設(shè)計(jì)施工方案研究［J］.山西建筑，2011，37(18)：161-162.