某軟巖大斷面隧道微臺(tái)階法開挖圍巖變形特性研究

鄧皇根

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)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(duì)施工技術(shù)提出了更高的要求。微臺(tái)階開挖工法是由全斷面法和短臺(tái)階法衍變而來，通過減小臺(tái)階長度和特制的臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)了上、下臺(tái)階的同時(shí)鉆孔、裝藥、爆破、出渣，減少了爆破對(duì)隧道圍巖的擾動(dòng)次數(shù)，同時(shí)起爆同時(shí)出渣，以此縮短工序間的銜接時(shí)間差，同時(shí)給后續(xù)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(wěn)定性，保障了隧道施工安全和進(jìn)度[1]。

有限元分析采用數(shù)學(xué)近似的方法來仿真實(shí)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(shí)系統(tǒng)。有限元法發(fā)展至今由于其實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)已成為工程領(lǐng)域運(yùn)用最普遍的數(shù)值分析方法。目前已經(jīng)有了許多的有限元計(jì)算軟件應(yīng)用在實(shí)際工程分析當(dāng)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(jìn)行數(shù)值模擬分析的基本過程可歸納為：建立幾何模型、網(wǎng)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(qiáng)大的線性、非線性分析能力以及幾何建模功能和網(wǎng)格劃分技術(shù)，能夠很大程度上模擬絕大部分的巖土工程，且計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確、安全，因此在土木領(lǐng)域中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[5-6]。針對(duì)某大斷面隧道，采取微臺(tái)階法的施工方法，數(shù)值模擬分析了該大斷面隧道的應(yīng)力變形特性，并通過布設(shè)相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)分析隨施工工序推進(jìn)，隧道拱頂沉降與兩側(cè)拱腰水平位移的變化情況，為今后微臺(tái)階法在大斷面隧道施工中的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況及施工方法

1.1 工程概況

據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔揭露，該隧道隧址區(qū)分布地層主要為侏羅系中統(tǒng)新田溝組、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層、第四系全新統(tǒng)殘坡積層及崩積層。隧道區(qū)海拔高程1688.3～2037.68m之間，相對(duì)高差349.38m，屬構(gòu)造侵蝕中山地貌區(qū)。據(jù)隧址區(qū)工程地質(zhì)測繪表明，隧址區(qū)未見滑坡、崩塌、泥石流、危巖等不良地質(zhì)作用。

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

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 施工工藝

具體施工工藝流程見表2，相關(guān)支護(hù)參數(shù)見表3。

表2 微臺(tái)階法施工工序

表3 錨桿力學(xué)參數(shù)

2 有限元模型建立

在利用FLAC 3D軟件建立隧道模型時(shí)，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(nèi)徑[7-8]，因此建立模型時(shí)x軸取60m，y軸沿隧道軸方向取60m，Z軸取至地表據(jù)隧道截面中心60m處，向z軸負(fù)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(shè)置法向約束，除上邊界其他三條邊界設(shè)置為位移約束，模型如圖2所示。

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖及掌子面變形結(jié)果

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

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

上臺(tái)階開挖完成后掌子面的塑性應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

分析圖3(a)和圖4可知，在上臺(tái)階開挖完成后隧道圍巖最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.95×10-3，掌子面最大等效塑性應(yīng)變值為3.76×10-3，圍巖最大等效塑性應(yīng)變值相對(duì)較小，分析認(rèn)為由于分臺(tái)階開挖，中下臺(tái)階的存在能夠減小圍巖的變形，有利施工安全。分析發(fā)現(xiàn)圍巖等效塑性應(yīng)變區(qū)位于近隧道拱腰處，掌子面等效塑性應(yīng)變區(qū)位于掌子面上臺(tái)階開挖后形成的轉(zhuǎn)角區(qū)域，并且隧道底部仰拱區(qū)域出現(xiàn)較小塑性應(yīng)變。

上臺(tái)階開挖后掌子面變形如圖5所示。

分析圖5發(fā)現(xiàn)，掌子面的位移呈現(xiàn)出由開挖輪廓線向內(nèi)逐漸增大的趨勢，最大位移為7.31mm，位于掌子面中間區(qū)域，總體看上臺(tái)階開挖完成后圍巖、掌子面等效塑性應(yīng)變及掌子面變形都較小。

3.2 位移監(jiān)測結(jié)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(guī)律，通過在模型中布設(shè)相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)：隧道拱頂位移監(jiān)測點(diǎn)A，拱腰水平位移監(jiān)測點(diǎn)C1、C2，監(jiān)測點(diǎn)示意圖如圖6所示。

整理分析監(jiān)測點(diǎn)A處數(shù)據(jù)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?shù)呢Q向位移隨著施工的進(jìn)行呈現(xiàn)先增后逐漸趨于平衡的狀態(tài)，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(rèn)為在初始應(yīng)力狀態(tài)下圍巖達(dá)到平衡后，由于受上臺(tái)階開挖的影響，導(dǎo)致隧道拱頂部位切向應(yīng)力增加，變形沉降量相對(duì)較大，但隨著初期支護(hù)的施加，當(dāng)開挖到中臺(tái)階時(shí)，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(tái)階時(shí)底部仰拱的及時(shí)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(jiān)測點(diǎn)C1、C2處數(shù)據(jù)繪制隧道左右兩側(cè)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(cè)拱腰處的水平位移同樣隨著施工的進(jìn)行呈現(xiàn)先增后逐漸趨于平衡的狀態(tài)，兩側(cè)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(rèn)為在上臺(tái)階開挖支護(hù)后，監(jiān)測點(diǎn)因距開挖臨空面較遠(yuǎn)而對(duì)拱腰位移值變化影響較小，在施工前幾步時(shí)圍巖水平位移值基本不變。隨著中臺(tái)階的開挖，拱腰部分出現(xiàn)臨空面，使得洞周巖體應(yīng)力釋放出現(xiàn)卸荷回彈現(xiàn)象，此時(shí)仰拱未施作，隧道圍巖的側(cè)向壓力主要由隧道拱腰至拱腳處巖體承擔(dān)，使隧道左、右兩側(cè)圍巖產(chǎn)生向洞內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)的施作，洞周圍巖應(yīng)力重分布，水平位移值逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)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(tái)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(cè)拱腰位移的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

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

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

(3)隨著施工工序推進(jìn)，拱頂沉降速率與兩側(cè)拱腰水平位移變化速率都呈現(xiàn)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。