明洞暗作隧道施工過程數(shù)值模擬研究

李世峰 何曉然 王文玉

(1.昌邑市屹立建設(shè)工程檢測有限公司，山東 昌邑 261300； 2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

0 引言

20世紀(jì)50年代新奧法施工的創(chuàng)立，不僅使隧道施工方法得到顯著改善，并且成為當(dāng)前最常用的方法[1-3]。由于隧道開挖前圍巖的復(fù)雜性和不決定性，需要根據(jù)現(xiàn)場勘查情況對隧道當(dāng)前的狀況進(jìn)行合理的風(fēng)險分析，制定針對性的支護(hù)方案，合理選定支護(hù)方法(噴射混凝土、管棚、錨桿、鋼拱架及格柵鋼架等)，并及時監(jiān)控量測跟蹤圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性狀，根據(jù)實際施工情況調(diào)整變更支護(hù)方案。劉遠(yuǎn)明等人[4]利用ANSYS對公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隧道荷載的增大，軟弱圍巖隧道襯砌的最大軸力增幅較大。而針對本隧道明洞暗作施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性狀研究較少。

1 工程概況

某在建鐵路隧道全長3 355 m，進(jìn)口里程DK1070+988，出口里程DK1074+343最大深埋150 m，淺埋深約4 m～10 m。隧道線路穿越低山丘陵，隧道區(qū)自然坡度為20°～40°，部分穿越山間凹地，存在較多淺埋段，地形高差大。現(xiàn)選取隧道(DK1073+680～DK1073+725)部分對其進(jìn)行分析。由于該段右上部為高速公路的隧道棄砟，為碎石土，隧道埋深較淺，且存在輕微偏壓，一般情況都會采用明挖法，但是因其開挖量大，對周圍環(huán)境的破壞較為嚴(yán)重，易誘發(fā)山體滑坡，為減少對周圍圍巖結(jié)構(gòu)的擾動和地表生態(tài)環(huán)境的破壞，所以在淺埋、偏壓隧道的基礎(chǔ)上總結(jié)提煉了明洞暗作技術(shù)。

2 數(shù)值模擬分析

采用有限元計算軟件ABAQUS對隧道(DK1073+680～DK1073+725)典型斷面進(jìn)行有限元模擬計算[5-7]，隧道埋深4 m～10 m，左右邊界計算范圍取40 m，模擬臺階開挖方式。

2.1 圍巖參數(shù)的選取

通過地址勘察報告可知，花崗巖部分全為Ⅴ級圍巖，且主要以混合花崗巖為主，灰白色、黃褐色、強(qiáng)風(fēng)化，主要成分為石英、長石、黑云母等，塊狀構(gòu)造，粗中粒結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育。計算時圍巖參數(shù)統(tǒng)一取值，見表1。

表1 圍巖有限元模擬計算參數(shù)表

2.2 錨桿區(qū)圍巖的參數(shù)選取

隧道(DK1073+680～DK1073+725)部分，注漿采用φ42小導(dǎo)管，t=3.5 mm，L=3.5 m～7 m，間距1.5 m，梅花形布置。注漿壓力為0.2 MPa～0.5 MPa，孔隙率以現(xiàn)場試驗為準(zhǔn)，若無試驗資料，可按30%注漿量。臨時邊坡采用坡率為1∶0.75，永久坡率為1∶1，仰坡采用坡率1∶1。邊仰坡采用φ22砂漿錨桿1.5 m×1.5 m(L=3 m)、φ8鋼筋網(wǎng)@25 cm×25 cm網(wǎng)噴15 cm混凝土進(jìn)行臨時防護(hù)。

根據(jù)有關(guān)的研究，注漿施工后可將注漿加固區(qū)域視為約0.6 m～1.2 m厚的環(huán)狀加固圈，在此次模擬中，將圍巖等級提高到Ⅳ級，見表2，環(huán)狀加固圈半徑為1.0 m。

表2 圍巖有限元模擬計算參數(shù)表

2.3 初期支護(hù)參數(shù)

支護(hù)方式采用格柵鋼架，既可以提高初期支護(hù)的強(qiáng)度和剛度，又有一定的吸能讓壓效果，可減小圍巖的收斂，加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。同時格柵鋼架還是超前支護(hù)的支承構(gòu)件。在數(shù)值模擬時，可將格柵鋼架強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度折算后統(tǒng)一賦值，如式(1)：

(1)

其中，E為折算后混凝土的彈性模量；E0為原混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架截面面積；Eg為鋼材彈性模量；Sc為混凝土截面面積。

通過查閱設(shè)計資料可以得知，E0=28 GPa，Eg=210 GPa，Sg=48.5 cm2，Sc=1 680 cm2，將參數(shù)代入式(1)可以求得E=52.9 GPa，取其泊松比為0.2。

2.4 二次襯砌參數(shù)選取

在Ⅳ級和Ⅴ級圍巖中，由于巖土體較為破碎，圍巖的自穩(wěn)能力差，因此襯砌往往協(xié)助承受圍巖的壓力，并保持隧道凈空面。

此次分析的斷面采用的是C35防水鋼筋混凝土，具體取值參數(shù)，如表3所示。

表3 C35防水鋼筋混凝土具體參數(shù)

2.5 開挖模擬

支護(hù)過程的模擬一般通過強(qiáng)化周圍參數(shù)來實現(xiàn)，設(shè)初期鋼拱支護(hù)彈性模量為52.9 GPa，二襯混凝土護(hù)拱的彈性模量為31.5 GPa，通常情況不考慮它們進(jìn)入塑性階段。開挖過程是通過邊開挖邊支護(hù)來實現(xiàn)的，軟件通過開挖一部分→添加一部分支護(hù)→釋放應(yīng)力→支護(hù)→釋放應(yīng)力→支護(hù)，來模擬這一過程。通過查閱相關(guān)資料，確定應(yīng)力釋放的具體數(shù)值分別為：70%，80%。此次模擬通過定義以下分析步，對整個臺階法施工過程進(jìn)行模擬，具體內(nèi)容見表4。

表4 整個臺階法施工過程

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過ABAQUS的有限元計算，得到隧道的拱頂沉降、仰拱上仰，邊墻水平位移云圖，見圖1。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知：臺階法開挖隧道支護(hù)完成以后，從控制點的橫向位移變化情況來看，拱頂水平位移很小分別為0.054 mm和拱底處的橫向位移0.060 mm；左拱肩處橫向位移為0.189 mm，右拱肩處的水平收斂值為0.070 mm且小于左右邊墻處的收斂值0.253 mm與0.152 mm，左右拱腳處的水平收斂為0.094 mm和0.214 mm，介于拱肩及左右邊墻之間；從主要控制點的沉降情況，拱肩處沉降最大為 0.957 mm，邊墻處的豎向位移為0.839 mm，左右拱腳處沉降為0.554 mm，拱頂沉降為0.346 mm。從模擬結(jié)果來看，在明洞暗作法施工時應(yīng)關(guān)注水平差異收斂變形及沉降情況。

4 結(jié)論

通過對明洞暗做施工方法的數(shù)值模擬可以得出如下結(jié)論：

1)軟巖隧道臺階法施工時圍巖位移變化量隨施工步序呈現(xiàn)較大差異性，下臺階施工時的圍巖位移量顯著高于上臺階；

2)地應(yīng)力平衡過程中上拱變化明顯，基坑開挖后拱頂變化較大。當(dāng)隧道上臺階開挖支護(hù)完成后，上臺階拱頂和拱肩處豎直位移變化不大，拱腳處的水平位移指向洞外；下臺階開挖支護(hù)完成后，拱頂沉降與邊墻水平收斂位移較大；

3)隧道上臺階施工完成后，圍巖主要控制點的變形情況成非對稱分布，下臺階施工完成并封閉成環(huán)后，圍巖應(yīng)力重分布使變形趨于穩(wěn)定。

綜上所述，軟巖隧道開挖時應(yīng)采取合理的圍巖預(yù)加固措施，及時施作臨時支撐及初期支護(hù)，確保洞室圍巖開挖的穩(wěn)定性。