不同施工工法對淺埋小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究

岳曉蕾，李曉靜，張 巖，朱冬梅

(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟南 250101)

小凈距隧道是介于普通分離式隧道和連拱隧道之間的一種隧道結(jié)構(gòu)形式，因不受地形地質(zhì)條件限制，施工工藝簡單，造價易于控制，可有效提高運輸效率，利于保護環(huán)境，目前在國內(nèi)外已有很多工程實例。

目前，國內(nèi)對于小凈距隧道的研究尚處于邊施工邊探討的階段，沒有明確的設(shè)計和施工規(guī)范，理論研究滯后于工程建設(shè)需求。在隧道施工過程中，不同的開挖方式對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響變化較大，開挖方式?jīng)Q定著隧道圍巖的荷載釋放和變形方式，關(guān)系隧道的施工安全。小凈距隧道的間距較小，中夾巖柱厚度小，兩隧道的施工工序相互影響程度較大。因此，不同開挖方式引起的應(yīng)力重分布和圍巖擾動程度有較大區(qū)別，有必要對不同開挖方式下圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形及力學(xué)特征進行研究。

某隧道設(shè)計為雙洞八車道上下行分離式隧道，隧道最大埋深約60 m，最小埋深約7 m。隧址區(qū)屬丘陵地貌單元類型，地形起伏很大;地層結(jié)構(gòu)主要為第四系黏性土及變粒巖、片巖等變質(zhì)巖，基巖裸露地段風(fēng)化嚴(yán)重，其中，變粒巖及片巖等變質(zhì)巖物理力學(xué)性質(zhì)較差，巖性較軟，巖體較破碎。區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為斷裂構(gòu)造、韌性擠壓變形構(gòu)造和節(jié)理裂隙斷裂構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，區(qū)內(nèi)共有大的斷層四處，斷層處巖體破碎，擠壓劈理發(fā)育。該隧道屬于典型的淺埋、小凈距、大跨度隧道，地質(zhì)條件復(fù)雜，不同的施工工法將對隧道的安全性產(chǎn)生顯著影響。

本文采用數(shù)值模擬的方法探索不同開挖方法對隧道圍巖變形和力學(xué)特性的影響，優(yōu)化隧道施工方案，確保隧道的施工和運營安全，并對類似工程的設(shè)計和施工提供較好的理論依據(jù)。

1 施工方法介紹

CRD工法又稱交叉中隔壁法，施工中先開挖隧道一側(cè)的一部或二部，施作部分臨時中隔壁墻及臨時仰拱，再開挖隧道另一側(cè)的一部或二部，然后再開挖最先施工一側(cè)的最后部分，并延長中隔壁墻，最后開挖剩余部分的施工方法。其施工開挖步序如圖1所示。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是新奧法的一個分支，又稱眼鏡工法。施工中先開挖一側(cè)導(dǎo)坑，施作初期支護，再開挖另一側(cè)導(dǎo)坑并作支護，然后開挖上部核心土，作頂拱支護，最后開挖下臺階部分，作仰拱支護。其施工開挖步序如圖2所示。

圖1 CRD工法的開挖步序

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖步序

2 數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 數(shù)值模型

巖體初始地應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力場的作用。隧道斷面形狀為三心圓加仰拱形式，取隧道毛洞單洞跨度為17.52 m，高為11.5 m。由FLAC3D建立數(shù)值模型，圍巖采用四邊形網(wǎng)格實體單元模擬，支護采用FLAC3D的結(jié)構(gòu)單元模擬。

CRD工法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的有限差分網(wǎng)格分別如圖3和圖4所示。

圖3 CRD工法的有限差分網(wǎng)格

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的有限差分網(wǎng)格

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)

圍巖采用摩爾—庫侖屈服準(zhǔn)則，根據(jù)該隧道巖石試樣的室內(nèi)試驗結(jié)果，并考慮到巖塊與巖體的力學(xué)參數(shù)差異，在計算中采用如表1所示的參數(shù)。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 支護參數(shù)

把二襯作為強度儲備考慮，只模擬計算初期支護的作用。設(shè)計的隧道初期支護主要由系統(tǒng)錨桿、工字鋼鋼拱架、C20噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)組成。其中中間支撐為臨時支撐，支護參數(shù)稍弱于洞周圍巖支護，各支護參數(shù)如表2所示。

表2 隧道的初期支護條件

為模擬鋼拱架與圍巖的共同作用，先施加梁單元，在梁單元的預(yù)支護下開挖。CRD工法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各開挖步的梁單元施加圖分別如圖5和圖6所示。圓圈表示梁單元的節(jié)點，兩個節(jié)點連成一個梁單元，若干梁單元連接成一根梁。

圖5 CRD工法的梁單元施加

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的梁單元施加

3 計算結(jié)果及分析

3.1 關(guān)鍵點位移

為查看開挖及支護后的位移和結(jié)果，在洞周設(shè)立部分關(guān)鍵點，關(guān)鍵點的分布如圖7和圖8所示。

圖7 CRD工法的洞周關(guān)鍵點分布

圖8 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的洞周關(guān)鍵點分布

使用FLAC3D計算程序按照兩種工法的開挖步序逐步開挖，計算應(yīng)力重分布至平衡，提取出隧道開挖完畢后洞周關(guān)鍵點的位移數(shù)值如表3和表4所示。

表3 CRD工法開挖步4關(guān)鍵點的位移值 mm

表4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖步4關(guān)鍵點的位移值 mm

分析以上計算結(jié)果得出:CRD工法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各開挖步洞周的水平和豎向位移值接近，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的位移值略大。

CRD工法最大豎向沉降位移約73 mm，在拱頂稍偏右處;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大豎向沉降位移約為83 mm，在拱頂區(qū)域。兩種工法的豎向沉降位移變化均較為平穩(wěn)，CRD工法的開挖步1與開挖步2之間位移變化幅度稍大，隧道上部全部開挖，施工中應(yīng)注意開挖步2的施工安全和支護時機;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖步2和開挖步3之間位移變化幅度稍大，隧道上部核心土全部開挖后，應(yīng)及時支護。

CRD工法的最大水平收斂位移約為20 mm，在兩側(cè)拱肩處最大;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大約為40 mm，在兩側(cè)拱腰處最大。且先開挖一側(cè)導(dǎo)洞水平收斂大，兩種工法的水平收斂位移變化幅度均較為平緩，尤其是CRD工法。兩種工法的底部隆起位移接近，CRD工法略小。

3.2 塑性區(qū)分布

兩種工法開挖步4的塑性區(qū)分布見圖9、圖10。

由隧道開挖完之后塑性區(qū)分布圖可以看到，因巖體較為破碎，強度低，兩種工法均有較大剪切塑性區(qū)。CRD工法相對于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的要小，這也與開挖變形分布規(guī)律相一致。在施工過程中，應(yīng)針對不同的施工方法采用合理的加固措施，如錨桿和注漿支護等，切實提高隧道圍巖的穩(wěn)定性，提高隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

圖9 CRD工法的塑性區(qū)分布(開挖步4)

圖10 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的塑性區(qū)分布(開挖步4)

4 結(jié)論

通過以上對小凈距隧道兩種開挖工序中豎向位移、水平位移、塑性區(qū)分布的計算結(jié)果比較得出，CRD工法的豎向位移和水平位移均較小，但與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的差別不大，CRD工法在控制位移和變形方面優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。無論采用何種方法，由于圍巖條件相對較差，均需進行必要的加固補強措施，以確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

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