改進(jìn)CRD方案施工過程圍巖安全穩(wěn)定性分析

張叢峰,宋 林,2,羅承平

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司, 西安 710054; 2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,西安 710055)

1 概述

交通建設(shè)發(fā)展至今，隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn)仍沒有統(tǒng)一的指標(biāo)。強(qiáng)度折減法已廣泛應(yīng)用于邊坡和大壩工程中，有限元強(qiáng)度折減法通過對(duì)巖土強(qiáng)度參數(shù)的折減使巖土體處于極限狀態(tài)，從而使其顯示潛在的破壞面，并求得安全系數(shù)，在邊坡穩(wěn)定分析中取得了成功[1-3]，證明了有限元強(qiáng)度折減法對(duì)于分析圍巖穩(wěn)定問題有很好的適用性。近些年，該方法也逐漸應(yīng)用于隧道工程中，研究成果對(duì)施工方案的選擇和施工階段安全控制具有很好的指導(dǎo)意義[4-6]。

哈大客運(yùn)專線筆架山隧道是是當(dāng)今國內(nèi)斷面最大的高速鐵路隧道，隧道圍巖地質(zhì)條件往往呈現(xiàn)不均質(zhì)性、復(fù)雜性[7]，以筆架山隧道為研究背景，將有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用于隧道施工過程的安全研究中，基于ANSYS有限元程序，對(duì)改進(jìn)的CRD法施工過程的安全系數(shù)進(jìn)行了定量研究，同時(shí)對(duì)開挖過程中圍巖塑性應(yīng)變進(jìn)行了分析，預(yù)測改進(jìn)工法后施工階段圍巖的穩(wěn)定性和破壞形式。

2 安全系數(shù)計(jì)算方法

傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定極限平衡方法計(jì)算安全系數(shù)用公式表示如下

(1)

式中，w，s，τ分別為傳統(tǒng)的安全系數(shù)，滑面上的抗剪強(qiáng)度和實(shí)際剪切力。式(1)兩邊同除以w，則變?yōu)?/p>

(2)

式中，w為安全系數(shù)，傳統(tǒng)極限平衡方法是將土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ值降低。

有限元中廣泛采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，此時(shí)屈服面為一圓形，其表達(dá)式如下

式中，F(xiàn)是莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，α，k是與巖土材料黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ有關(guān)的常數(shù)，變化不同的α，k值就可在有限元中實(shí)現(xiàn)不同的屈服準(zhǔn)則。有限元強(qiáng)度折減法通過采用下式定義安全系數(shù)

(6)

用ANSYS有限元軟件對(duì)施工過程分析時(shí)，巖土的彈塑性主要通過D-P模型考慮，采用莫爾-庫倫等面積圓屈服準(zhǔn)則，通過推導(dǎo)，其強(qiáng)度折減形式表示為[5]

(7)

在D-P準(zhǔn)則中，有限元強(qiáng)度折減法可通過c和tanφ值進(jìn)行折減，進(jìn)而編程輸入有限元程序，對(duì)有限元模型進(jìn)行迭代計(jì)算，若計(jì)算收斂則進(jìn)一步增大折減系數(shù)，直至計(jì)算不收斂為止。臨界破壞狀態(tài)下的折減系數(shù)即為安全系數(shù)w。對(duì)施工開挖過程每個(gè)階段進(jìn)行有限元安全系數(shù)計(jì)算時(shí)，對(duì)開挖過程逐步依次進(jìn)行參數(shù)折減，直至試算出折減系數(shù)。開挖過程中，當(dāng)進(jìn)行下一步開挖工序的安全系數(shù)試算時(shí)，上一步開挖工序的計(jì)算參數(shù)將恢復(fù)為原值。

3 有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用

3.1 概況

筆架山隧道全長345 m，最大埋深為31 m，穿越巖層為石英砂巖、泥頁巖，其中Ⅲ級(jí)圍巖159 m，Ⅳ級(jí)圍巖186 m，隧道按Ⅳ級(jí)圍巖防護(hù)。筆架山隧道是國內(nèi)同類隧道中開挖面積最大的隧道，為保證施工安全，原開挖方案采用 CRD 法施工，如圖1(a)所示，由于CRD法廣泛應(yīng)用于軟巖大斷面隧道，當(dāng)在硬巖中采用該方案時(shí)，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。因此，研究人員對(duì)原方案進(jìn)行了優(yōu)化了，提出了改進(jìn)的CRD施工方案，如圖1(b)所示，如下所述：

(1)中隔壁改為豎撐，初支工字鋼型號(hào)不變，取消噴射混凝土；

(2)臨時(shí)仰拱改為水平支撐，不噴射混凝土，由原設(shè)計(jì)的I20a改為I25a，并做好縱向連接。

圖1 隧道施工方案(單位：mm)

施工工序如圖2所示。

圖2 隧道開挖工序

3.2 有限元模型

隧道開挖后的應(yīng)力、應(yīng)變影響范圍僅在隧道周圍距隧道中心點(diǎn)3～5倍開挖寬度[8，9]，因此有限元模型橫向?qū)挾热?02 m，高度取80 m，考慮隧道最大埋深為31 m。

有限元建模時(shí)，圍巖采用平面PLANE42單元模擬，考慮圍巖的彈塑性，選用Drucker-Prager模型(D-P模型)，錨桿采用Link1單元模擬，初期支護(hù)混凝土和二襯混凝土均采用PLANE42單元模擬，格柵鋼構(gòu)架采用Beam3梁單元模擬。邊界條件：模型兩側(cè)邊界施加X方向約束，模型底邊界施加Y方向約束。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

3.3 材料參數(shù)

圍巖按Ⅳ級(jí)圍巖參數(shù)進(jìn)行選取，支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)設(shè)計(jì)文件和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2001)[10]選取，詳見表1和表2。

表1 隧道圍巖參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.4 工況

圍巖開挖后，巖體應(yīng)力重新分布，為體現(xiàn)圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)，將圍巖地應(yīng)力按照施工過程分為幾步逐步釋放[4]。圍巖較好時(shí)，初期支護(hù)取大值，二次襯砌取小值。根據(jù)實(shí)際的圍巖情況，數(shù)值計(jì)算時(shí)，毛洞開挖釋放應(yīng)力：初期支護(hù)釋放應(yīng)力：二次襯砌后釋放應(yīng)力=0.5∶0.25∶0.25。依據(jù)改進(jìn)CRD法施工開挖工序，數(shù)值分析時(shí)共9個(gè)施工步。

施工步驟：(1)超前支護(hù)，①工序開挖；(2)①部初期支護(hù)；(3)超前支護(hù)，③工序開挖；(4)③工序初期支護(hù)，支護(hù)40 m后，架設(shè)橫向支撐。(5)超前支護(hù)，②工序開挖；(6)②部初期支護(hù)；(7)超前支護(hù)，④工序開挖；(8)④部初期支護(hù)；(9)仰拱填筑，二次襯砌支護(hù)。

施工開挖過程中，通過圍巖的穩(wěn)定性決定某一工況是否安全，采用有限元強(qiáng)度折減法通過對(duì)巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減，當(dāng)強(qiáng)度指標(biāo)折減至隧道圍巖不收斂時(shí)的折減系數(shù)即是該工況下的安全系數(shù)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 等效塑性應(yīng)變

采用改進(jìn)CRD施工開挖方案，圖4～圖8為不同開挖工序下圍巖強(qiáng)度折減至破壞時(shí)的等效塑性應(yīng)變圖。

圖4 區(qū)域①等效塑性應(yīng)變

圖5 區(qū)域③等效塑性應(yīng)變

圖6 區(qū)域②的等效塑性應(yīng)變

圖7 區(qū)域④的等效塑性應(yīng)變

圖8 二襯支護(hù)后的等效塑性應(yīng)變

由圖5～圖8分析可得，筆架山隧道埋深淺，在Ⅳ級(jí)圍巖下，洞頂處的圍巖塑性區(qū)較少，隧道洞頂穩(wěn)定。

由開挖區(qū)域①和③分析可得，圍巖的失穩(wěn)形式以局部失穩(wěn)為主，主要出現(xiàn)在右拱腰和左拱腰位置。

由開挖區(qū)域②分析可得，圍巖的失穩(wěn)形式以局部失穩(wěn)為主，出現(xiàn)右拱腰和左拱腰位置。

由開挖區(qū)域④分析可得，隨著隧道一個(gè)斷面的開挖逐漸結(jié)束，圍巖的失穩(wěn)形式接近整體失穩(wěn)，出現(xiàn)在拱腰和拱腳位置。

開挖結(jié)束施作二襯后，由圖8可得，隧道的安全系數(shù)很高，通過圍巖強(qiáng)度的折減，塑性區(qū)產(chǎn)生在隧道底部不遠(yuǎn)處的圍巖，即該工況下圍巖和隧道的整體性能已較好。

4.2 安全系數(shù)動(dòng)態(tài)變化

結(jié)合改進(jìn)CRD法開挖工藝，安全系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化曲線見圖9。

圖9 施工開挖過程安全系數(shù)

由圖9分析可得，安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在第三步開挖工序，即開挖隧道區(qū)域③時(shí)的施工工序，安全系數(shù)為2.7。第三步開挖施工步之后，安全系數(shù)隨著開挖過程逐漸增大。

施作初期支護(hù)后，隧道的整體性增強(qiáng)，安全度增大，初期支護(hù)及時(shí)閉合有利于隧道的安全，對(duì)穩(wěn)定圍巖有較大作用。

施作二襯后隧道的安全系數(shù)很高，值為13.2，有很高的安全儲(chǔ)備。

5 結(jié)論

以哈大客運(yùn)專線筆架山隧道為研究背景，考慮圍巖-結(jié)構(gòu)的相互作用，對(duì)筆架山隧道所采用的改進(jìn)CRD開挖方案進(jìn)行了全程動(dòng)態(tài)安全度研究，分析了每步開挖工序下圍巖的穩(wěn)定性和失穩(wěn)形式，為隧道的安全、合理施工提供了技術(shù)支持，同時(shí)對(duì)類似隧道工程有較大的參考價(jià)值。結(jié)合數(shù)值分析可得如下結(jié)論。

(1)筆架山隧道埋深淺，在Ⅳ級(jí)圍巖下，洞頂處的圍巖塑性區(qū)較少，隧道洞頂穩(wěn)定。

(2)施作初期支護(hù)后，隧道的整體性增強(qiáng)，安全系數(shù)增大，安全度更高，初期支護(hù)及時(shí)的閉合有利于隧道的安全，對(duì)穩(wěn)定圍巖有較大作用。

(3)隧道前3個(gè)區(qū)域的開挖過程中，圍巖的失穩(wěn)形式以局部失穩(wěn)為主，主要出現(xiàn)在右拱腰和左拱腰位置，隧道最后一個(gè)區(qū)域的開挖過程中，圍巖的失穩(wěn)形式接近整體失穩(wěn)，失穩(wěn)出現(xiàn)在拱腰和拱腳位置。

(4)安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在第三步開挖工序，即開挖隧道區(qū)域③時(shí)的施工工況，安全系數(shù)為2.7。第三步開挖之后，安全系數(shù)隨著開挖過程逐漸增大。

(5)隧道施作二襯后，安全系數(shù)很高，有較高的安全儲(chǔ)備。

[1] 趙尚毅，鄭穎人.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(3):343-346．

[2] 張魯渝，劉東升，等.擴(kuò)展廣義Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2003,25(2):216-249.

[3] 欒茂田，武亞軍，年廷凱.強(qiáng)度折減有限元法中邊坡失穩(wěn)的塑性區(qū)判斷及其應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2003，23(3):1-8．

[4] 王旭東，遲建平，袁勇.淺埋暗挖隧道施工過程安全系數(shù)動(dòng)態(tài)變化特征[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，10(S1):1454-1458．

[5] 張黎明，鄭穎人，王在泉，王建新.有限元強(qiáng)度折減法在公路隧道中的應(yīng)用探討[J].巖土力學(xué)，2007，28(1):97-101．

[6] 鄭穎人，趙尚毅.巖土工程極限分析有限元法及其工程應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2005，38(1):91-98．

[7] 劉小軍，張永興.淺埋偏壓隧道洞口段合理開挖工序及受力特征分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(S1):3066-3073．

[8] Cheng C Y， Dasari G R， Chow Y K， et al. Finite Element Analysis of Tunnel-soil-pile Interaction Using Displacement Controlled Model[J]. Tunneling and Underground Space Technology， 2007(22):450-466．

[9] 趙永國，邵生俊，韓常領(lǐng).淺埋、偏壓隧道開挖施工方案的仿真分析[J].巖土力學(xué)，2009，30(S2):509-513．

[10] 中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.