黃土隧道施工穩(wěn)定性數(shù)值模擬對比研究

胡繼實 張勵云＊ 張 鑫

（1、重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 400010 2、重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331）

隨著國家經(jīng)濟快速發(fā)展，公路隧道建設(shè)廣泛應(yīng)用于黃土地區(qū)。黃土相比于其他圍巖而言，這類黃土結(jié)構(gòu)較松散，由于具有針狀孔隙、大孔隙比、低含水量的特征，導(dǎo)致其抗壓強度低、自承載力弱以及開挖變形大[1-5]。這類土體在隧道開挖過程中容易發(fā)生侵蝕、變形和破壞，在施工時易發(fā)生垮塌。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量的研究[6-8]。目前黃土隧道受力狀態(tài)和變形特征的分析方法主要包括經(jīng)驗公式法[9]、數(shù)值分析法[10]、現(xiàn)場實測法[11]等。如基于隧道結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值仿真模擬，劉金慧[12]針對大斷面黃土隧道地基沉降的數(shù)值計算分析，針對軟巖小凈距隧道施工開挖進(jìn)行土層應(yīng)力狀態(tài)分析等；如根據(jù)模型試驗和施工現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行黃土穩(wěn)定性的計算分析，藍(lán)華[13]以黃土隧道工程為研究對象，針對隧道施工過程中弧形導(dǎo)坑法施工工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，得到黃土隧道圍巖開挖后的變形特征，并根據(jù)隧道沉降變形規(guī)律給出隧道施工的有效建議。

綜上所述，本文在相關(guān)問題研究方法基礎(chǔ)上，以銀川至昆明公路上的張家塬黃土隧道為研究對象，針對區(qū)域地質(zhì)條件劃分三層三維地質(zhì)模型，模擬隧道CD 法、CRD 法以及留核心土開挖法三種不同開挖方式的實際過程，得到黃土隧道圍巖在開挖之后的變形特征，并對隧道圍巖穩(wěn)定性給出施工的有效建議。

1 工程概況

某黃土隧道位于吳忠市同心縣境內(nèi)，是銀川至昆明公路(G85)太陽山開發(fā)區(qū)至彭陽(寧甘界)段的重要工程。隧道總體軸線方向230°，左右幅線間距由進(jìn)口段30m 漸變至出口段41m，左線起訖樁號ZK102+510～ZK103+300，總長790m，最大埋深約102m；右線起訖樁號K102+500～K103+292，總長792m，最大埋深約100m，圖1 為隧道開挖斷面及輪廓設(shè)計圖。

圖1 隧道開挖斷面及輪廓設(shè)計圖

隧址區(qū)屬黃土梁峁地貌，山高谷深，整個山體呈饅頭狀，局部坡面較緩，植被稍發(fā)育，洞身段上部為退耕還林地，地面標(biāo)高介于1525～1625 之間，相對高差100m。隧道軸線在出口段與地形等高線近直交，進(jìn)出口段大角度斜交，圖2 為隧道開挖地質(zhì)剖面圖。研究區(qū)斷裂、構(gòu)造及褶皺不發(fā)育，無區(qū)域性斷裂、無全新活動斷裂構(gòu)造。隧道區(qū)土體主要有第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭黃土，下部為中更新統(tǒng)沖洪積物高石黃土，馬蘭黃土主要分布于整個隧道山體表層，呈披衣戴帽狀，厚度不均，垂直節(jié)理發(fā)育。離石黃土主要分布于隧道洞身中下部，結(jié)構(gòu)致密，整體性稍好。隧道洞身段由松軟結(jié)構(gòu)黃土(Q3、Q2)組成，綜合判定隧道的圍巖級別為Ⅴ級。

圖2 隧道開挖地質(zhì)剖面圖

2 黃土隧道施工過程模擬

2.1 模型建立

選擇隧道中間最大埋深處ZK102+764 段作為研究對象，此處隧道埋深57.7m。結(jié)合實際情況，利用Midas/GTS 建模分析，建立模型為開挖橫斷面為65.8m，隧道底部以下為24.5 米，隧道頂部至模型上邊界23m。隧道斷面為馬蹄狀結(jié)構(gòu)，寬為11.6m，上面由半徑5.8m 三心圓組成，除模型上邊界以外，其他邊界采用位移和邊界進(jìn)行約束。隧道支護(hù)形式為初支和二次支護(hù)，初支噴漿厚度為25cm，二次襯砌厚度為40cm，錨桿長度為3.0m，直徑為25mm，間距為2m，橫斷面總計31 根。隧道圍巖采用實體單元建立，錨桿和襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，均采用的摩爾-庫倫本構(gòu)模型，模型網(wǎng)格總計4248 個。表1 給出了土體、襯砌的相關(guān)物理力學(xué)計算參數(shù)。

表1 計算模型力學(xué)參數(shù)表

圖3 隧道網(wǎng)格劃分模型圖

2.2 施工過程模擬

結(jié)合隧道設(shè)計相關(guān)規(guī)范，本文采用3種不同施工方法，如圖4 所示，分別為CRD 法、CD 法以及留核心土開挖法。留核心土開挖法在開挖之前對隧道周圍網(wǎng)格進(jìn)行初始邊界約束以及重力荷載，該法分為七個施工階段：(1)對隧道頂部進(jìn)行開挖；(2)左邊墻開挖；(3)右邊墻體開挖；(4)留核心土開挖；(5)隧底開挖；(6)仰拱開挖；(7)二襯。CRD 法分為七個施工階段：(1)左上二襯開挖；(2)左中二襯開挖；(3)左下二襯開挖；(4)右上二襯開挖；(5)右中二襯開挖；(6)右下開挖；(7)上下內(nèi)襯。CD法分為三個施工階段：(1)仰拱開挖及二襯左側(cè)開挖；(2)仰拱和二襯右側(cè)開挖；(3)內(nèi)襯三個施工階段。在隧道開挖過程中，分別在隧道頂部、隧道底部、隧道左右兩側(cè)以及隧道左右底腳共計六處位置設(shè)位移監(jiān)測點，圖中圓圈中的數(shù)字代表開挖順序。

圖4 三種隧道開挖方式示意圖(圖中黑色圓代表監(jiān)測點位置、數(shù)字代表開挖順序)

3 隧道施工穩(wěn)定性分析

3.1 位移對比分析

通過圖5 可以看出隧道圍巖在CD 法、CRD 法以及留核心土開挖法三種不同方式下的豎直和水平位移云圖。在隧道開挖過程中，由于初始應(yīng)力的釋放使得應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化出現(xiàn)了卸荷位移。隧道上部圍巖整體形成U 型沉降區(qū)，由隧道表面延伸到拱腳處，邊界接近垂直，拱頂和拱腳沉降基本不一致。由圖可知：CD 法開挖引起的拱頂沉降最大值為0.064m，位于隧道中心線左側(cè)2m 附近；CRD 法開挖引起的拱頂最大沉降值為0.055m，位于隧道中心線上；留核心土法開挖引起的拱頂最大沉降為0.043m。在垂直方向左右邊墻形成最大豎向沉降，在距隧道中線20m 范圍內(nèi)，沉降值隨著距隧道中心線距離的增加而減小，由地表至隧道拱腳處垂直向，沉降量較為接近。通過水平位移變化圖對比可發(fā)現(xiàn)，隧道底角以及拱腰處容易出現(xiàn)水平位移變化，這與實際工程中加強對拱腳以及拱腰支護(hù)相符合。通過表2 對三種不同開挖方法進(jìn)行拱頂沉降和水平位移對比發(fā)現(xiàn)，相比于CRD 法和CD 法，留核心土法拱頂沉降最小，水平位移僅發(fā)生在小范圍之內(nèi)且優(yōu)于CRD 法和CD 法。

表2 三種開挖方法位移對比表

3.2 隧道支護(hù)強度對比分析

CD 法、CRD 法以及留核心土法三種開挖方式在連接處均出現(xiàn)軸力相對集中的狀態(tài)。開挖過程中，CD 法開挖引起的最大彎矩為22.51KN/m，最大軸力為518KN；CRD 法開挖引起的最大彎矩為15.274KN/m，最大軸力為253KN；留核心土法開挖引起的最大彎矩為21.52KN/m，最大軸力為255.7KN。可以看出，CRD法和留核心土法的承重結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布是對稱的，內(nèi)力狀態(tài)優(yōu)于CD 法（圖6）。

圖6 三種不同開挖方式隧道支護(hù)強度結(jié)果云圖

3.3 監(jiān)測點變形對比分析

圖7 采用CD 法施工時關(guān)鍵點的監(jiān)測沉降值。由圖7 可知，隧道拱頂、左右拱腰和拱腳都在下沉，對于上述幾個測點，位移隨著施工階段的增加而增加，其中在第二階段時的位移值增幅較為明顯，相比于第一階段，隧道拱頂、拱底、左拱腰、右拱腰、左拱腳位移值在第三階段分別增大了12%、3%、21.2%、4%和9.7%。對于右拱腳，則發(fā)生階段性變化，這是因為由于傾斜節(jié)理的影響導(dǎo)致初期拱底隆起會向右拱腳偏移。最終拱頂沉降值為0.02m，拱底隆起值為0.65mm。從以上分析來看，采取CD 法施工時，應(yīng)重點關(guān)注拱頂、右拱腰和右拱腳三個關(guān)鍵點，做好控制沉降準(zhǔn)備。

圖7 CD 法施工關(guān)鍵點監(jiān)測沉降位移

圖8 采用CRD 法施工時關(guān)鍵點的監(jiān)測沉降值。由圖8 可知，隧道拱頂、左右拱腰和左拱腳均下沉，拱底發(fā)生隆起，相比于第一階段，隧道拱頂、拱底、左拱腰、右拱腰、左拱腳位移值在第三階段分別增大了14.6%、4%、40%、5%和11%，對于右拱腳，則發(fā)生階段性變化。最終拱頂沉降值為0.01m，拱底隆起值為0.53mm。相較于CD 法開挖，CRD 法的左右拱腳沉降量較小，采用CRD 法優(yōu)于CD 法開挖。

圖8 CRD 法施工關(guān)鍵點監(jiān)測沉降位移

圖9 采用留核心土法施工時關(guān)鍵點的監(jiān)測沉降值。由圖9可知，隧道拱頂、左右拱腰和左拱腳均下沉，拱底發(fā)生隆起。隨著施工的進(jìn)行在第四階段時豎向位移達(dá)到最大，相比于CD 法和CRD 法位移的變化趨勢明顯減少。

圖9 留核心土法施工關(guān)鍵點監(jiān)測沉降位移

綜上可知，采用留核心土開挖法更適合黃土隧道施工，其次是CRD 法，最差的是CD 法。

4 結(jié)論

通過對隧道CRD 法、CD 法和留核心土法開挖方法的數(shù)值模擬，比較得出以下結(jié)論：

4.1 留核心土法開挖引起的最大拱頂沉降0.043m，小于CRD 法和CD 法，對附近隧道開挖施工有顯著的改善作用。

4.2 三種開挖方式施工過程中，拱體的臨時支護(hù)和初期支護(hù)均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象?，F(xiàn)場施工時，應(yīng)根據(jù)梁的動力變形理論及動態(tài)監(jiān)測結(jié)果，及時對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

4.3 開挖過程中，CD 法開挖引起的最大彎矩為22.51KN/m，最大軸力為518KN；CRD 法開挖引起的最大彎矩為15.274KN/m，最大軸力為253KN；留核心土法開挖引起的最大彎矩為21.52KN/m，最大軸力為255.7KN?？梢钥闯觯珻RD 法和留核心土法的承重結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布是對稱的，內(nèi)力狀態(tài)優(yōu)于CD法。

綜上所述，對于黃土隧道，留核心土法開挖引起的圍巖位移場和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力優(yōu)于CRD 法和CD 法，實際施工優(yōu)先選擇留核心土法。