大斷面公路隧道開挖數值模擬與監(jiān)測研究

李福獻

（中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

隧道作為交通工程的重要組成部分，眾多學者對其進行了廣泛的研究［1－3］。砂巖巖體的各向異性特征使其變形和穩(wěn)定性問題變得十分復雜［4－5］，成為當前國內外學者研究的熱點。韓昌瑞等［6］獲得橫觀各向同性彈塑性本構模型，并對隧道進行數值模擬分析，結果與現場監(jiān)測的圍巖破壞特征基本吻合。鐘正強等［7］建立了層狀巖體隧道開挖計算模型，探討了傾斜層狀巖體中隧道開挖的穩(wěn)定性。黃書嶺等［8］將層狀巖體復合材料硬化、軟化模型嵌入到FLAC3D，通過單軸和三軸壓縮試驗模擬出不同圍壓和傾角情況下層狀巖體的力學響應特征。趙大洲等［9］建立了有關巖層傾角、走向的互層巖體本構模型，研究砂、板互層巖體中隧道圍巖的力學特性。

隨著計算機學科快速發(fā)展，數值分析方法在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中得到廣泛應用。Passaris等［10］利用有限元法研究了層狀巖體中隧道頂板的穩(wěn)定性。Tonon等［11］運用邊界元法對彈性各向異性的隧道進行斷面收斂影響研究。宮成兵等［12］運用ANSYS對龍頭山單向四車道隧道雙側壁導坑法進行二維與三維數值仿真模擬分析。王穗輝等采用優(yōu)化的B-P網絡算法，預測了上海地鐵2號線隧道上方的地表沉降趨勢。王彥清等［13］采用位移反演分析法對廈門翔安海底隧道變形進行有效預測。

為進一步研究臺階法及CD法施工對大斷面公路隧道圍巖受力及變形的影響，以大斷面砂巖地層公路隧道工程為依托，結合現場試驗和數值模擬方法，對不同施工工法條件下大斷面公路隧道圍巖及支護結構的受力及變形特性進行模擬與監(jiān)測分析，研究成果可為類似工程提供參考及指導建議。

2 工程概況

連湖隧道為大斷面公路隧道，進、出口分別位于重慶市彭水縣三義鄉(xiāng)、重慶市彭水縣連湖鎮(zhèn)境內，為左右行分離式雙洞特長隧道。左線長4 610 m，里程K41＋573～K46＋183，右線長 4 603.8 m，里程YK41＋597.5～YK46＋201.3。隧道大體垂直構造線方向布設，與巖層走向呈大角度相交，近于垂直巖層走向，隧道最大埋深約549 m。隧址區(qū)在山脊一帶植被較發(fā)育，部分為基巖裸露。隧道出口段為二疊系中統(tǒng)韓家店組砂巖，巖質軟，抗風化能力差，層間結合一般，薄層狀結構為主。隧道洞身為Ⅲ～Ⅴ級圍巖，根據不同圍巖情況選擇合適的施工工法進行施工，有利于縮短工期及節(jié)約成本，本文對左線出口局部段落采用CD法及臺階法進行隧道開挖模擬與監(jiān)測分析。

3 數值模擬分析

3.1 計算模型構建

基于數值模擬軟件對隧道的施工階段進行模擬分析。巖體本構采用摩爾－庫倫彈塑性模型，模型長100 m、寬120 m，上邊界為山體自由面，側面及底部采用邊界位移自動約束。選取混合網格單元劃分模型網格，隧道圍巖、開挖錨桿支護、噴混和二次襯砌分別采用3D實體單元、植入式桁架單元和板單元進行模擬。分析時通過“鈍化”和“激活”相應單元來模擬隧道的開挖與支護，把隧道圍巖設置為均質彈塑性材料，其開挖變形服從摩爾－庫倫屈服準則。圍巖計算參數見表1。

表1 模型計算參數

3.2 兩臺階法開挖應力分析

選取里程樁號為LZK5＋200～LZK5＋480的施工段采用兩臺階法進行隧道洞室開挖，建立有限元模型進行數值模擬，應力云圖見圖1。洞室開挖完成后施作二次襯砌，其應力最大值為3.125 MPa，說明二次支護的支撐作用加強了隧道結構的整體穩(wěn)定性，抑制了圍巖變形。從云圖可以看出隧道圍巖應力的影響范圍約為5～20 m，在1.5D（D為洞徑）范圍以內。整個計算區(qū)域隧道圍巖和支護結構均為壓應力，并未出現拉應力。

圖1 兩臺階法隧道開挖完成后應力云圖

3.3 兩臺階法開挖位移分析

圖2為兩臺階法開挖圍巖位移隨開挖步的變化關系圖。可以看出，豎向最大位移為192.50 mm，水平方向最大位移為168.10 mm；前7個開挖步拱頂沉降和水平收斂的形變位移發(fā)展較快，第7至10步位移量緩慢增加，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 兩臺階法開挖圍巖位移隨開挖步變化曲線

3.4 CD法開挖應力分析

對同一里程樁號施工段采用CD法進行隧道洞室開挖模擬，見圖3。隧道施工完成后，最大應力值為3.006 MPa，出現在拱腳處。隧道施工搭設的臨時支撐移除后，圍巖應力場范圍及大小僅發(fā)生微小變動，表明CD法開挖完成后隧道圍巖的應力基本釋放完畢，隧道圍巖逐漸達到新的平衡狀態(tài)。CD法開挖臨時支撐結構能有效地控制水平方向的變形，模擬施工過程中最大應力為4.071 MPa，發(fā)生在拱腳處，整個計算模型均處于受壓狀態(tài)。

圖3 CD法隧道開挖完成后應力云圖

3.5 CD法開挖位移分析

采用CD法進行隧道施工模擬的拱頂沉降和水平收斂變化見圖4。可以看出拱頂下沉最大值為139.07 mm，水平收斂最大位移值為109.15 mm；前11個開挖步拱頂沉降和水平收斂的形變位移發(fā)展較快，從第12至第17步位移量緩慢增加，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 CD法隧道位移隨開挖步變化曲線

3.6 不同開挖工法模擬結果對比分析

不同開挖工法模擬結果見表2。分析可知：相較于臺階法而言，采用CD法施工時隧道圍巖發(fā)生的位移較小，拱頂下沉和水平收斂的位移變形量與兩臺階法開挖發(fā)生的位移變形量相比分別減少了27.8%和34.0%。CD法對控制大斷面軟弱圍巖的變形較臺階法更好，能夠保障施工安全，但速度慢，對投資控制不利。在Ⅲ、Ⅳ級等整體穩(wěn)定性較好的隧道圍巖中，常選擇臺階法施工，而在Ⅳ、Ⅴ級等穩(wěn)定性較差的軟弱圍巖中，根據模擬結果應選擇CD法施工。

表2 不同工法施工條件下隧道應力和位移對比

4 現場監(jiān)測結果與分析

選擇在典型斷面LZK5＋400處埋設測量元件，在隧道圍巖與初期支護、初期支護與二次襯砌之間分別埋設8個土壓力盒，鋼筋計焊接在內外兩個土壓力盒之間鋼拱架的腹板上，在拱頂和拱底設置1個，拱腰設置2個，左、右邊墻各1個，仰拱兩側各1個。隧道斷面垂向和水平方向的位移變形通過事先埋設的測點利用高精度徠卡全站儀進行動態(tài)監(jiān)測。

4.1 圍巖位移分析

圖5為斷面拱頂下沉和水平收斂變形時程曲線圖。可以看出圍巖開始變形至穩(wěn)定狀態(tài)大致經歷了急劇變形、持續(xù)增長和緩慢增長三個階段；拱頂沉降最終穩(wěn)定值為190.5 mm，水平收斂的最終穩(wěn)定值為207.2 mm；急劇增長階段一般發(fā)生在洞室開挖的前5 d，此階段變形量占總體變形量的50%～60%，持續(xù)增長階段為6～8 d，這部分變形占總變形量的30%～40%。

圖5 拱頂沉降和水平收斂時程曲線

4.2 拱架軸力分析

圖6為斷面初期支護監(jiān)測的拱架軸力隨時間變化曲線圖。由圖6可知，拱架的軸力以受壓為主，局部受拉（受壓為正，受拉為負），且其拉應力普遍偏小；隧道開挖初期拱架軸力增加較快，到第10天左右達到峰值，之后拱架受力不斷減小并在第15天后逐漸趨于穩(wěn)定；隧道拱頂處鋼架所受壓應力最大，為32.57 kN，拱底處鋼架所受拉應力最大，為－12.37 kN。整體來看，該斷面鋼架所受軸力量級不大，安全系數相對較高。

圖6 拱架軸力時程曲線

4.3 初支-圍巖受力監(jiān)測分析

圖7為隧道初支與圍巖壓力時程曲線圖。斷面左拱肩處的圍巖受力明顯大于其他布點處圍巖壓力，主要是因為該側巖土體較破碎，密實性差，承載能力較低，且在施工過程中該處有局部坍塌，導致圍巖受力較大，需加強監(jiān)控量測工作；圍巖與初支接觸壓力整體呈先增大后減小的規(guī)律，前12 d圍巖受力增至最大，之后由于仰拱施工增強了整體的支護強度，致使圍巖受力逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖7 圍巖與初支接觸壓力時程曲線

圖8為二襯圍巖壓力分布圖。從圖中可以看出，二襯受力分布大致呈現中間小、兩側大的馬鞍型，但左拱肩受力明顯較右拱肩大，這是由于隧道洞周兩側圍巖受力分布不均勻，有明顯偏壓所造成。在隧道施工過程中需要加強左半斷面的監(jiān)控工作。

圖8 初支與二襯接觸壓力分布（單位：kPa）

5 結論

（1）采用CD法開挖的隧道拱頂下沉和水平收斂的累計位移變形量相比兩臺階法開挖分別減少了27.8%和34.0%。在穩(wěn)定性較好的Ⅲ、Ⅳ級圍巖中，建議采用兩臺階預留核心土法施工；在穩(wěn)定性較差的Ⅴ級圍巖段施工時，建議選擇圍巖變形量較小的CD法施工。

（2）圍巖受力急劇增長階段發(fā)生在洞室開挖的前5 d，持續(xù)增長階段一般在6～8 d。模擬臺階法開挖的拱頂下沉和水平收斂位移變形值相比實測值分別減少7.1%和11.8%，較符合實際；而模擬CD法施工時拱頂下沉和水平收斂位移變形值相比實測值分別減少32.9%和41.8%。因此針對本試驗段CD法控制圍巖變形的能力較好。

（3）隧道圍巖整體受力呈先急劇增加后緩慢增加再趨于穩(wěn)定的規(guī)律，二襯受力穩(wěn)定值分布大致呈現中間小、兩側大的馬鞍型分布形狀，但左拱肩受力明顯較右拱肩大，故隧道施工過程中需加強左半斷面的監(jiān)控量測工作。