某軟巖大斷面隧道微臺階法開挖圍巖變形特性研究

鄧皇根

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

三車道、四車道等大斷面隧道被大量修建對施工技術提出了更高的要求。微臺階開挖工法是由全斷面法和短臺階法衍變而來，通過減小臺階長度和特制的臺架，實現了上、下臺階的同時鉆孔、裝藥、爆破、出渣，減少了爆破對隧道圍巖的擾動次數，同時起爆同時出渣，以此縮短工序間的銜接時間差，同時給后續工序仰拱施工提供更大的空間，縮小了掌子面與仰拱之間的距離，提高了圍巖的穩定性，保障了隧道施工安全和進度[1]。

有限元分析采用數學近似的方法來仿真實際的物理和荷載工況，用有限量的未知去靠近無限未知量的真實系統。有限元法發展至今由于其實用性強的特點已成為工程領域運用最普遍的數值分析方法。目前已經有了許多的有限元計算軟件應用在實際工程分析當中[2-4]，包括ANSYS、ABAQUS、Midas/GTS以及本文使用的FLAC 3D有限元分析軟件，其進行數值模擬分析的基本過程可歸納為：建立幾何模型、網格劃分、施加荷載及邊界條件、分析、后處理。以FLAC 3D作為建模軟件，因其具有強大的線性、非線性分析能力以及幾何建模功能和網格劃分技術，能夠很大程度上模擬絕大部分的巖土工程，且計算結果相對準確、安全，因此在土木領域中已經被廣泛應用[5-6]。針對某大斷面隧道，采取微臺階法的施工方法，數值模擬分析了該大斷面隧道的應力變形特性，并通過布設相應監測點分析隨施工工序推進，隧道拱頂沉降與兩側拱腰水平位移的變化情況，為今后微臺階法在大斷面隧道施工中的應用提供參考。

1 工程概況及施工方法

1.1 工程概況

據地質調繪及鉆孔揭露，該隧道隧址區分布地層主要為侏羅系中統新田溝組、第四系上更新統沖洪積層、第四系全新統殘坡積層及崩積層。隧道區海拔高程1688.3～2037.68m之間，相對高差349.38m，屬構造侵蝕中山地貌區。據隧址區工程地質測繪表明，隧址區未見滑坡、崩塌、泥石流、危巖等不良地質作用。

該隧道為雙向四車道分離式大斷面隧道，設計圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級，選取隧道斷面所在地層位于圍巖軟弱破碎帶，圍巖級別為Ⅴ級，埋深60m，隧道尺寸如圖1所示，圍巖巖體物理力學參數如表1所示。

表1 巖體物理力學參數

1.2 施工工藝

具體施工工藝流程見表2，相關支護參數見表3。

表2 微臺階法施工工序

表3 錨桿力學參數

2 有限元模型建立

在利用FLAC 3D軟件建立隧道模型時，一般需要考慮隧道開挖影響范圍，圖1為隧道斷面尺寸圖，該隧道斷面最長為14.30m，高度最高為11.50m，而一般地下工程的影響范圍為3～5倍洞室內徑[7-8]，因此建立模型時x軸取60m，y軸沿隧道軸方向取60m，Z軸取至地表據隧道截面中心60m處，向z軸負方向取40m處，模型尺寸為120m(x軸)60m×(y軸)×100m(z軸)，除去上邊界外，其他邊界均設置法向約束，除上邊界其他三條邊界設置為位移約束，模型如圖2所示。

3 結果分析

3.1 圍巖及掌子面變形結果

通過FLAC 3D模擬分析上臺階開挖完成后的圍巖等效塑性及掌子面變形結果如圖3所示。

由圖3(a)、圖3(b)對比分析可見上臺階開挖完成后與下一進尺開挖完成后圍巖等效塑性應變區域則從開挖完成后的隧道兩側拱腰區域轉移至隧道兩側拱腳處。等效塑性區面積有所增大，但最大塑性應變值減小了0.13×10-3，分析認為隨著下一進尺的施工，中臺階與下臺階開挖后臺階土體的減少導致隧道拱腰至拱腳處圍巖應力發生重分布，部分圍巖應力得到釋放，緩解了上臺階剛開挖完成后隧道拱腰處的圍巖應力集中現象，等效塑性應變最大值也轉移至拱腳處，且最大塑性應變值有所減小。

上臺階開挖完成后掌子面的塑性應變如圖4所示。

分析圖3(a)和圖4可知，在上臺階開挖完成后隧道圍巖最大等效塑性應變為2.95×10-3，掌子面最大等效塑性應變值為3.76×10-3，圍巖最大等效塑性應變值相對較小，分析認為由于分臺階開挖，中下臺階的存在能夠減小圍巖的變形，有利施工安全。分析發現圍巖等效塑性應變區位于近隧道拱腰處，掌子面等效塑性應變區位于掌子面上臺階開挖后形成的轉角區域，并且隧道底部仰拱區域出現較小塑性應變。

上臺階開挖后掌子面變形如圖5所示。

分析圖5發現，掌子面的位移呈現出由開挖輪廓線向內逐漸增大的趨勢，最大位移為7.31mm，位于掌子面中間區域，總體看上臺階開挖完成后圍巖、掌子面等效塑性應變及掌子面變形都較小。

3.2 位移監測結果分析

為了更清楚地了解在開挖過程中的圍巖位移變化規律，通過在模型中布設相應監測點：隧道拱頂位移監測點A，拱腰水平位移監測點C1、C2，監測點示意圖如圖6所示。

整理分析監測點A處數據繪制出拱頂沉降量隨著施工步的變化曲線圖如圖7所示。

由圖7可以看出，隧道拱頂的豎向位移隨著施工的進行呈現先增后逐漸趨于平衡的狀態，且增長速率由大到小，最終豎向位移最大值在21.8mm。分析原因認為在初始應力狀態下圍巖達到平衡后，由于受上臺階開挖的影響，導致隧道拱頂部位切向應力增加，變形沉降量相對較大，但隨著初期支護的施加，當開挖到中臺階時，隧道拱腳處以及隧道底部的豎向沉降位移因鎖腳錨桿的存在以及開挖到下臺階時底部仰拱的及時施作而受到限制，拱頂位移量變化率逐漸減緩，并趨于平衡。

整理分析監測點C1、C2處數據繪制隧道左右兩側拱腰水平位移隨施工步的變化曲線圖如圖8所示。

由圖8可以看出，隧道左右兩側拱腰處的水平位移同樣隨著施工的進行呈現先增后逐漸趨于平衡的狀態，兩側拱腰水平位移變化趨勢基本一致，且增長率也由大到小，拱腰最大水平位移值為12.4mm，分析原因認為在上臺階開挖支護后，監測點因距開挖臨空面較遠而對拱腰位移值變化影響較小，在施工前幾步時圍巖水平位移值基本不變。隨著中臺階的開挖，拱腰部分出現臨空面，使得洞周巖體應力釋放出現卸荷回彈現象，此時仰拱未施作，隧道圍巖的側向壓力主要由隧道拱腰至拱腳處巖體承擔，使隧道左、右兩側圍巖產生向洞內收斂的水平位移，水平位移值迅速增大。但隨著仰拱以及襯砌支護結構的施作，洞周圍巖應力重分布，水平位移值逐漸減小并最終趨于穩定。

4 結論

通過FLAC 3D有限元分析軟件，研究分析了某軟巖大斷面隧道在微臺階施工方法下的隧道圍巖變形特性及隧道拱頂位移與兩側拱腰位移的變化規律，主要結論如下：

(1)上臺階開挖完成后圍巖最大等效塑性應變值略小于掌子面最大等效塑性應變值，兩者等效塑性應變區域位置基本一致；下一進尺開挖完成后圍巖等效塑性應變區域從隧道兩側拱腰區域轉移至隧道兩側拱腳區域，最大塑性應變有所減小。

(2)掌子面的位移呈現出由開挖輪廓線向內逐漸增大的趨勢，最大位移為7.31mm，位于掌子面中間區域。

(3)隨著施工工序推進，拱頂沉降速率與兩側拱腰水平位移變化速率都呈現由大到小的變化趨勢，最終趨于平衡，拱頂最大沉降量為21.8mm，拱腰最大水平位移量為12.4mm。