臺(tái)階法開(kāi)挖高度對(duì)小凈距隧道圍巖力學(xué)特性及穩(wěn)定性的影響分析

陳文宇，廖建東，高鵬興，青松勇，陳 行，劉 陽(yáng)

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都，610031；2.中鐵隆工程集團(tuán)有限公司，四川成都，610045；3.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都，610041；4.廣安市交通運(yùn)輸局，四川廣安，638000)

隨著我國(guó)交通建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道也在向更復(fù)雜地層方向發(fā)展，其工法也逐漸多種多樣。而臺(tái)階法是隧道施工中最常見(jiàn)的施工方法之一，但由于臺(tái)階法本身容易引起隧道工程出現(xiàn)大面積的塌方，所以說(shuō)施工期間對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必不可少的[1]。

在近些年間，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各種復(fù)雜地層和特殊情況下，采用臺(tái)階法對(duì)隧道變形和穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究[2-4]。王明勝等[5]是采用有限元數(shù)值模擬分析對(duì)高地應(yīng)力大變形隧道采用臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖變形規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并針對(duì)其開(kāi)挖過(guò)程中的預(yù)留核心土長(zhǎng)度對(duì)變形的影響進(jìn)行了探討；江阿蘭等[6]利用有限元軟件，建立隧道彈塑性數(shù)值模型，研究短臺(tái)階法施工過(guò)程中地表沉降、拱頂沉降和水平收斂的發(fā)展規(guī)律，通過(guò)和施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，調(diào)整施工措施和方法，以確保施工安全性；楊波等[7]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)隧道臺(tái)階法施工過(guò)程進(jìn)行了分析，獲得了隧道圍巖變形的規(guī)律，為隧道支護(hù)與加固提供依據(jù)；

針對(duì)以上較少考慮施工中臺(tái)階高度變化對(duì)小凈距隧道圍巖力學(xué)特性和穩(wěn)定性的影響，以順河高架南延二期工程地下道路小凈距隧道臺(tái)階法施工為背景，分別建立不同上臺(tái)階高度的模型，對(duì)比不同上臺(tái)階高度下小凈距隧道的塑性區(qū)大小、拱頂沉降、變形、豎向和水平位移、掌子面變形等變化規(guī)律，得到臺(tái)階法施工中合理的開(kāi)挖臺(tái)階高度，并為有關(guān)工程施工提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

順河高架南延二期工程地下道路位于濟(jì)南市玉函路，范圍從現(xiàn)狀玉函立交落地點(diǎn)至七里山路路口以南，全長(zhǎng)3.12km，其中地下段2.84km，北端敞口段95m，南端敞口段190m，屬長(zhǎng)距離地下道路。該地區(qū)處于第四系地貌單元屬于山前坡洪積群，第四系地層主要為人工填土、坡洪積成因的黃土、黏性土及碎石土。圍巖等級(jí)為V級(jí)，較軟巖巖體破碎，圍巖自穩(wěn)定能力差，較硬巖巖體破碎，局部較完整，節(jié)理、裂隙發(fā)育。選取此地下隧道為研究對(duì)象，該隧道為雙線隧道，斷面為馬蹄形，高度7.2m，寬9.15m。隧道四周采用系統(tǒng)錨桿進(jìn)行加固，交錯(cuò)分布，長(zhǎng)為3m，間距為1.5m。隧道距地面為6.81m。

2 計(jì)算模型

2.1 模型的建立

采用有限元軟件Midas-GTS-NX軟件建立了在V級(jí)圍巖下的小凈距隧道的數(shù)值模型，該模型長(zhǎng)、高、寬分別為57.7m、50m、100m，埋深為50m，兩隧道間距12.6m。約束模型左右邊界的水平位移以及下邊界的豎向位移，上部為自由邊界(圖1)。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格模型

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

該模型的圍巖主要為V級(jí)，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，相關(guān)圍巖以及初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際工程中提供的參數(shù)如表1所示。初期支護(hù)采用C25的鋼纖維混凝土，厚25cm;錨桿采用D25注漿錨桿，長(zhǎng)3m。

關(guān)于初期支護(hù)混凝土的計(jì)算參數(shù)，采用劉陽(yáng)[8]運(yùn)用的V級(jí)圍巖初期支護(hù)在考慮鋼筋網(wǎng)的條件下，按照提高混凝土一級(jí)強(qiáng)度的近似處理方法。在提高一級(jí)的混凝土強(qiáng)度達(dá)到C25，通過(guò)等效法，將鋼架的彈性模量折算給噴射混凝土。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

2.3 方案工況設(shè)計(jì)

為了更好地研究小凈距隧道優(yōu)化臺(tái)階高度在施工進(jìn)程中圍巖力學(xué)特性和穩(wěn)定性的變化規(guī)律，結(jié)合實(shí)際的工程以及有關(guān)地質(zhì)水文情況資料，先行開(kāi)挖左隧道，后開(kāi)挖右隧道，兩隧道掌子面距離為20m，臺(tái)階高度的優(yōu)化方案采用三種工況，分別對(duì)應(yīng)上臺(tái)階高度為1.5m，2.5m，3.5m。相關(guān)的計(jì)算工況如表2所示。

表2 不同上臺(tái)階高度工況 m

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 地表沉降分析

圖2為兩隧道中軸線監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線圖，從圖2中可以看出，不同上臺(tái)階高度工況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線具有相似的規(guī)律。隨著左隧道的先行開(kāi)挖，不同上臺(tái)階高度下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)緩慢的沉降，當(dāng)左隧道開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)點(diǎn)下部時(shí)(20m附近)，沉降較為明顯，1.5m工況下，沉降(16m處)從-0.352mm增加到了-0.985mm，增大了180 %，同理，工況2.5m和3.5m下，沉降增加了183 %和270 %。隨著隧道的開(kāi)挖，右隧道到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下部時(shí)(40m附近)，沉降進(jìn)一步增加，工況1.5m、2.5m和3.5m下沉降分別增大了70.7 %、86.9 %和92.1 %。由此可知，隨著小凈距隧道的開(kāi)挖，上臺(tái)階高度越大，造成的沉降越大，且后行隧道通過(guò)時(shí)造成的沉降比先行隧道大。

圖2 兩隧道中軸線監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線

3.2 Mises應(yīng)力分析

圖3為隧道圍巖Mises應(yīng)力分布云圖，由圖3可知，Mises應(yīng)力主要分布于兩隧道圍巖四周，應(yīng)力主要集中出現(xiàn)在兩隧道之間的中隔墻的拱腰和拱腳處。從數(shù)值大小可知，隨著上臺(tái)階高度的增大，Mises應(yīng)力也趨向于增大，但增加幅度不大，從1.5m工況下的362kPa增加到385kPa(2.5m工況下),增加了6.35 %；同理，從2.5m工況下的385kPa增加到388kPa(3.5m工況下)，僅增加0.7 %。說(shuō)明隨著上臺(tái)階高度的增大，在一定程度上對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力分布有一定的影響，因結(jié)合具有施工進(jìn)行考慮選取。

(a)1.5 m

3.3 塑性區(qū)

圖4為隧道圍巖塑性區(qū)的分布圖，由圖4可知，塑性區(qū)分布于兩隧道四周，且在中隔墻后行隧道(右隧道)拱腰處有最大值。從數(shù)值可知，從工況1.5m下的0.026 1增加到0.026 4(工況2.5m)，增加了1.15 %，但從2.5m工況下的0.026 4減小到了0.025 3，減小了4.17 %。塑性區(qū)最大值隨著臺(tái)階高度的增加出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明選取合理的上臺(tái)階高度能有效地減小隧道圍巖的塑性區(qū)大小，這對(duì)實(shí)際施工具有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

以順河高架南延二期工程地下道路施工為研究背景，分析了在不同上臺(tái)階高度下隧道圍巖的力學(xué)特性和穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：

(1)隨著小凈距隧道的開(kāi)挖，上臺(tái)階高度越大，造成的沉降越大，且后行隧道通過(guò)時(shí)造成的沉降比先行隧道大。

(2)隨著上臺(tái)階高度的增大，Mises應(yīng)力也趨向于增大，但增加幅度不大，說(shuō)明隨著上臺(tái)階高度的增大，在一定程度上對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力分布有一定的影響，應(yīng)結(jié)合具體施工進(jìn)行考慮選取。

(3)塑性區(qū)最大值隨著臺(tái)階高度的增加出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明選取合理的上臺(tái)階高度能有效的減小隧 道圍巖的塑性區(qū)大小。

(a)1.5 m