順層偏壓地層下隧道開(kāi)挖參數(shù)優(yōu)化探討

■劉 遠(yuǎn)

(貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢有限公司， 貴陽(yáng) 550000)

在山地丘陵地區(qū)修建交通基礎(chǔ)設(shè)施， 不可避免地會(huì)進(jìn)行隧道工程開(kāi)挖，所遇到的復(fù)雜地質(zhì)條件也是多種多樣，地質(zhì)構(gòu)造偏壓就是其中一種，由于地質(zhì)構(gòu)造偏壓對(duì)圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力會(huì)產(chǎn)生一定的影響，增加了開(kāi)挖過(guò)程中的施工風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要選擇合理的開(kāi)挖方式和開(kāi)挖參數(shù)[1-3]。

進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工方法需根據(jù)地質(zhì)圍巖情況進(jìn)行選取，主要包括全斷面法、臺(tái)階法、CD 法、CRD法、預(yù)留核心土法、單/雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。 其中，臺(tái)階開(kāi)挖法在圍巖條件較為復(fù)雜的洞段應(yīng)用最為廣泛。秦斌等[4]以重慶軌道交通環(huán)線彈子石—涂山站區(qū)間隧道為例，對(duì)臺(tái)階法隧道施工合理開(kāi)挖高度及步距進(jìn)行了模擬探討；蔣亮等[5]通過(guò)模擬分析認(rèn)為適當(dāng)減小臺(tái)階開(kāi)挖長(zhǎng)度可有效降低隧道拱頂和地表沉降；耿啟軍等[6]對(duì)比分析了三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法和微臺(tái)階法在砂質(zhì)黃土隧道中應(yīng)用效果， 認(rèn)為三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法在控制隧道圍巖變形方面效果更好。

文章以后坪隧道順層偏壓Ⅳ級(jí)圍巖段為例，對(duì)不同臺(tái)階開(kāi)挖參數(shù)下的隧道應(yīng)力變形進(jìn)行了模擬分析，并確定最佳的開(kāi)挖參數(shù)，可為指導(dǎo)實(shí)際工程提供借鑒。

1 工程概況

保神高速后坪隧道進(jìn)口段DK490+747 ～DK492+000 左側(cè)存在順層偏壓，長(zhǎng)1253 m，出口段DK497+100～DK497+652 右側(cè)存在順層及順層偏壓， 長(zhǎng)552 m， 兩段總長(zhǎng)1805 m。 隧道進(jìn)口段DK490+747 ～DK492+000 巖 層 產(chǎn) 狀 為E-W/30°～64°，線路與巖層走向夾角為16°，巖層真傾角30°～64°，橫斷面視傾角29°～64°，一般大于20°，該段洞身左側(cè)存在順層偏壓。 洞身附近基巖為砂質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖。 隧道出口段DK497+100～DK497+652 巖層產(chǎn)狀為65°NW/35°SW， 線路與巖層走向夾角為32°，巖層真傾角35°，橫斷面視傾角30°，大于20°，該段右側(cè)存在順層及順層偏壓。

根據(jù)隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況， 得到地質(zhì)圍巖統(tǒng)計(jì)及施工方法見(jiàn)表1。該段隧洞主要以Ⅳ和Ⅴ級(jí)圍巖為主，其中，Ⅳ級(jí)圍巖段長(zhǎng)度為975 m，Ⅴ級(jí)圍巖段長(zhǎng)度為808 m。經(jīng)多方論證，決定采用臺(tái)階法進(jìn)行Ⅳ級(jí)圍巖段隧道開(kāi)挖，采用臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱法對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖段進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工，詳見(jiàn)圖1。 本文以隧道順層偏壓Ⅳ級(jí)圍巖 (DK491+235～DK491+885)段為例，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以確定最佳的開(kāi)挖參數(shù)。

表1 偏壓段地質(zhì)圍巖統(tǒng)計(jì)

2 有限元模型

2.1 模型假設(shè)

模擬軟件采用MIDAS/GTS，模擬過(guò)程中做以下幾點(diǎn)假設(shè)：(1)材料均為各向同性、均勻、連續(xù)的彈塑性材料；(2)圍巖服從摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則；(3)暫不考慮地下水及溫度的影響；(4)初期支護(hù)、二次襯砌以及錨桿均為彈性體；(5)圍巖開(kāi)挖階段、初始支護(hù)階段以及二次襯砌各階段的應(yīng)力釋放比例定位40%、30%和30%。

2.2 邊界條件

在模型模擬范圍左右(X 軸方向)各取100 m，上下(Y 方向)各取150 m，隧道開(kāi)挖方向(Z 軸方向)取40 m，除地表為自由面外，其余方向均施加固定約束。

2.3 網(wǎng)格劃分

采用四面體和六面體混合網(wǎng)格法，網(wǎng)格內(nèi)外邊界分別為1 m 和2 m，共劃分為30548 個(gè)單元共計(jì)15282 個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

2.4 材料參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)各材料采取如下的參數(shù)進(jìn)行模擬，見(jiàn)表2。

圖1 施工方法示意圖

圖2 臺(tái)階施工法三維數(shù)值模型

表2 材料參數(shù)

2.5 工況設(shè)置

根據(jù)該段地層傾角情況， 選取平均值55°作為模擬情況；臺(tái)階高度分別取4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m和6.0 m 5 種工況進(jìn)行模擬分析；臺(tái)階長(zhǎng)度取4.0 m、8.0 m、12 m、16 m、20 m、24 m 和28 m 7 種工況進(jìn)行模擬分析；開(kāi)挖進(jìn)尺取1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m 4 種工況進(jìn)行模擬分析。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 臺(tái)階高度的影響

模擬得到的不同臺(tái)階高度下的圍巖總體位移和應(yīng)力變化情況見(jiàn)圖3。從圖中可以看到：不同臺(tái)階高度對(duì)拱頂、左右拱肩以及拱底的總體位移影響不大，對(duì)左右邊墻和拱腳的影響較大，其中，對(duì)左拱腳的影響最大，其次為右邊墻，并均隨著臺(tái)階高度的增大而逐漸減小，左拱腳的位移量最大差值為3.3 mm，右拱腳的位移量最大差值為2.2 mm，但是，隨著臺(tái)階高度的增大，位移的遞增量在逐漸減小；同一臺(tái)階高度下， 拱底的位移變形量最大，4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m、6.0 m 的拱底位移量分別為24.7 mm、24.6 mm、24.5 mm、24.4 mm 和24.2 mm，之后依次為拱頂、拱肩、邊墻和拱腳。 當(dāng)臺(tái)階高度為4～5 m時(shí)，圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)在左邊墻處，應(yīng)力最大值分別為419.9 MPa、358.3 MPa 和351.1 MPa， 當(dāng)臺(tái)階高度為5.5 m 和6.0 m 時(shí)， 圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)在左拱腳處， 應(yīng)力最大值分別為352.6 MPa 和379.2 MPa，臺(tái)階高度對(duì)左邊墻、右邊墻及左拱腳的影響較大，但是影響程度也是隨臺(tái)階高度增大而減小，隧洞其余位置受臺(tái)階高度的影響較小。 由于該段隧道為左側(cè)順層偏壓，因而洞室左側(cè)的位移和應(yīng)力大于洞室右邊。

圖3 圍巖總體位移和應(yīng)力變化情況

對(duì)偏壓現(xiàn)象進(jìn)行量化， 計(jì)算得到隧洞左/右應(yīng)力比情況見(jiàn)圖4。 從圖中可以看到：隨著臺(tái)階高度的增加，左拱肩/右拱肩的應(yīng)力比在逐漸減小，從1.49 減小至1.37，減小幅度為0.12，左邊墻/右邊墻的應(yīng)力比在逐漸增加，從1.05 增長(zhǎng)至1.16，增長(zhǎng)幅度為0.11，左拱腳/右拱腳的應(yīng)力比在逐漸增大， 特別是當(dāng)臺(tái)階高度大于5 m 后， 左拱腳/右拱腳的應(yīng)力比增長(zhǎng)幅度顯著增快， 當(dāng)臺(tái)階高度為6 m 時(shí)， 應(yīng)力比達(dá)到了1.39；從隧洞不同位置所受的偏壓情況來(lái)講，隧洞拱肩處的偏壓現(xiàn)象最為嚴(yán)重， 在4 m 臺(tái)階高度時(shí)達(dá)到了1.49，其次為拱腳，在6 m 臺(tái)階高度時(shí)達(dá)到了1.39，最小的為邊墻；臺(tái)階高度較小時(shí)，拱肩的偏壓現(xiàn)象較為嚴(yán)重，臺(tái)階高度較大時(shí)，拱腳和拱肩處的偏壓現(xiàn)象較為嚴(yán)重，綜合考慮隧洞各部位的偏壓情況，認(rèn)為選取臺(tái)階高度為5 m 時(shí)控制偏壓現(xiàn)象的效果最佳，此時(shí)洞室各位置的應(yīng)力比均控制在一個(gè)合理水平。

圖4 應(yīng)力比與臺(tái)階高度的關(guān)系

3.2 臺(tái)階長(zhǎng)度的影響

模擬分析得到的不同臺(tái)階長(zhǎng)度下的洞室拱頂和水平收斂位移變化情況見(jiàn)圖5。從圖5 可見(jiàn)：隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的增加， 隧洞拱頂沉降值逐漸增大，從15.52 mm 增加至18.44 mm， 增長(zhǎng)幅度為2.92 mm，洞室水平位移收斂值也呈逐漸增大趨勢(shì)， 從32.6 mm 增加至35.4 mm，增長(zhǎng)幅度為2.8 mm，這是因?yàn)樗矶撮_(kāi)挖完成后， 洞室會(huì)向臨空面發(fā)生位移變形，臺(tái)階長(zhǎng)度越短，隧洞上下斷面完成支護(hù)的時(shí)間越及時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)位移變形的約束作用越好，從而可以減小洞室的拱頂沉降和收斂變形， 臺(tái)階越長(zhǎng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合越晚，對(duì)洞室的位移變形和安全穩(wěn)定越不利；當(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度大于16 m 后，隧洞的拱頂沉降和收斂位移增長(zhǎng)幅度明顯降低； 臺(tái)階法施工要求上、下臺(tái)階距離不應(yīng)超過(guò)30 m，考慮到實(shí)際工程中需要上下斷面同時(shí)施工，為避免上下臺(tái)階工作時(shí)的相互干擾、提高施工進(jìn)度，同時(shí)控制好洞室的位移變形，建議將臺(tái)階長(zhǎng)度定為16 m 左右。

圖5 臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)洞室沉降變形的影響

3.3 開(kāi)挖進(jìn)尺的影響

取臺(tái)階高為5 m，長(zhǎng)度為16 m，對(duì)不同開(kāi)挖進(jìn)尺下的洞室沉降變形進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6 中可以看到：開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)拱頂?shù)某两涤绊戄^小，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為1 m 時(shí)，拱頂沉降為14.1 mm，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為1.5 m、2.0 m 及2.5 m 時(shí)， 拱頂沉降值分別為15.8 mm、16 mm 及16.1 mm，開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)拱頂沉降的影響程度遠(yuǎn)小于臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)拱頂?shù)挠绊懀婚_(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)掌子面變形的影響較大，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的不斷增大，掌子面變形基本呈線性增長(zhǎng)，從7 mm增大至13.4 mm，增長(zhǎng)幅度為6.4 mm，開(kāi)挖進(jìn)尺增大，掌子面受前方及上方壓力的影響逐漸增大，導(dǎo)致掌子面向臨空面發(fā)生較大變形， 因此仍然建議臺(tái)階法施工時(shí)上臺(tái)階每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不應(yīng)大于2.0 m，當(dāng)圍巖穩(wěn)定性較差時(shí)，應(yīng)控制在1～1.5 m。

圖6 開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)洞室沉降變形的影響

3.4 討論

通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)后坪隧道順層偏壓Ⅳ級(jí)圍巖段的開(kāi)挖參數(shù)進(jìn)行了模擬分析，從臺(tái)階高度、臺(tái)階長(zhǎng)度和開(kāi)挖進(jìn)尺3 個(gè)方面進(jìn)行綜合考量， 認(rèn)為：臺(tái)階高度取5 m、臺(tái)階長(zhǎng)度取16 m、開(kāi)挖進(jìn)尺取2.0 m時(shí)，可確保隧道拱頂沉降較小，掌子面變形不大，同時(shí)隧道各個(gè)位置處的偏壓現(xiàn)象均在合理范圍內(nèi)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)開(kāi)挖斷面測(cè)量結(jié)果表明： 拱頂?shù)钠骄两抵禐?7.34 mm，左邊墻的平均水平位移量為17.151 mm， 右邊墻的平均水平位移量為18.002 mm，洞室的平均水平收斂值為35.153 mm，表明采取本文提出的開(kāi)挖方法合理，能夠有效抑制隧道開(kāi)挖變形量，保證施工安全。

4 結(jié)論

以后坪隧道順層偏壓Ⅳ級(jí)圍巖段為研究對(duì)象，對(duì)不同臺(tái)階高度、臺(tái)階長(zhǎng)度和開(kāi)挖進(jìn)尺工況下的圍巖受力變形情況進(jìn)行了模擬分析，通過(guò)計(jì)算分析并結(jié)合實(shí)際工程施工需要，認(rèn)為當(dāng)臺(tái)階高度取5 m、臺(tái)階長(zhǎng)度取16 m、 開(kāi)挖進(jìn)尺取2.0 m 時(shí)為最佳的開(kāi)挖施工參數(shù)，可確保隧道拱頂沉降較小，掌子面變形不大，同時(shí)控制隧道各個(gè)位置處的偏壓現(xiàn)象均在合理范圍內(nèi)。