隧道淺埋偏壓段不同開挖工法數值模擬分析*

劉 春，劉 恒，鄭洪勛，周義舒

(1.重慶科技學院安全工程學院，重慶 401331；2.重慶城建控股(集團)有限責任公司，重慶 400010)

0 引言

隨著我國交通基礎設施建設迅速開展，在工程實際中越來越多淺埋偏壓隧道呈現在隧道工作者面前亟待解決。由于淺埋偏壓隧道洞身段圍巖巖體結構特征復雜，隧道開挖過程中圍巖應力及周圍變形較大，很難保證巖體穩定性，極易引發隧道工程事故，對施工人員生命和財產安全造成嚴重威脅并嚴重影響施工進度，因此對淺埋偏壓隧道段開挖工法進行數值模擬研究顯得尤為重要。

目前國外隧道圍巖壓力的理論計算與研究，應用比較廣泛的是有限元分析法。Yoshimura等[1]在新奧法施工中利用有限元方法研究了圍巖變形的規律，驗證了有限元計算進行設計支護的正確性。國內隧道工作者分別從理論成果、實際模型、數值模擬和現場實踐等方面開展研究工作[2-6]。鮑先凱等[7]依托花椒箐軟巖隧道研究不同施工工法對軟巖隧道施工的適用性，采用MIDAS/GTS軟件進行數值模擬分析，從位移、應力、塑性區等數據進行對比分析，最終選取預留核心土法進行施工。王軍祥等[8]利用ABAQUS軟件建立隧道三維模型,采用CRD法施工；模擬計算不同施工步下圍巖應力場、位移場和襯砌的受力情況，并運用正交設計法分析影響圍巖穩定性的各項因素。朱衛東[9]依托王崗山隧道研究超大斷面軟巖隧道開挖施工變形情況，利用ABAQUS軟件數值模擬分析三臺階法開挖影響隧道圍巖位移和襯砌變化等相關因素,得到開挖最優進尺及初支形式與參數。

近年來，三維動態數值模擬分析在隧道工程中的應用已得到更高水平發展[10-13]，但由于我國地質特征復雜多變，隧道開挖過程還是會面臨很多挑戰和困難，依然需不斷研究復雜工程問題并進行優化設計。結合人和隧道工程地質情況，運用MIDAS/GTS軟件模擬隧道開挖過程，分析對比2種開挖方法下隧道周身圍巖位移及應力的變化規律，選取最優開挖方案并提出相應的優化設計措施，為淺埋偏壓隧道開挖設計與施工提供參考。

1 工程概況

人和隧道位于重慶市云陽縣境內，為單線雙洞隧道。隧道進口段位于巖堆上，地形高陡，中心里程為DK788+144，全長8 292m。本文選取人和隧道線路DK792+100—DK792+300段，該段巖層分布主要為泥質砂巖塊石，碎石約占60%，粒徑10～20cm居多；塊石約占20%，粒徑20～100cm；其余為巖質角礫及粉質黏土填充，厚5～15cm。隧道洞身圍巖為侏羅系上沙溪廟組(J2s)和下沙溪廟組(J2xs)泥巖夾砂巖、砂巖。隧道巖層總體單斜，產狀變化較大，傾角較緩，巖層走向與線路夾角一般為4°～41°，傾向線路左側，橫斷面傾角14°～22°，隧道洞身右側存在地形偏壓。

2 淺埋偏壓隧道施工工藝優化設計

2.1 三維隧道模型建立

本次模擬針對人和隧道DK792+100—DK792+300圍巖段進行分析，由于隧道埋深較淺，且隧道右側偏壓，同時為了減少隧道邊界條件的影響，隧道三維數值模擬左、右邊界長度及寬度均為隧洞直徑的3倍以上，三維隧道網格模型如圖1所示。確定隧道模型的范圍為：x軸水平方向取100m，沿y軸隧洞方向取20m；z軸垂直方向，淺埋側為45m，偏壓側為60m。三維隧道模型網格劃分方法為：第1，2層土體形狀分布較規則，采用相鄰匹配網格生成，網格尺寸控制在1.5。第3層土體包含隧道，采用混合網格方法生成排列不均勻網格，且越靠近隧道網格尺寸越小，這樣有利于分析隧道周圍巖土體位移及應力變化規律。在隧道圍巖周身設置6個特征點反映偏壓隧道在水平x軸方向和豎向z軸方向的位移及應力變化，如圖2所示。

圖1 三維隧道網格模型

圖2 隧道監測點布置

2.2 生成模型材料屬性

所選隧道區段巖層分布主要以粉質黏土、強風化砂巖及強風化泥巖構成Ⅳ，Ⅴ級圍巖。隧道數值模擬計算中，巖體材料的本構模型有很多種且都有其適用的范圍和條件，本設計采用隧道設計中最常用的Mohr-Coulomb本構模型。隧道上覆土體及周圍圍巖用3D實體單元進行模擬，初支混凝土和中間鋼支撐用2D板單元進行模擬，錨桿采用1D植入式桁架進行模擬。隧道圍巖巖體力學參數及支護結構參數如表1，2所示。

表1 隧道圍巖模擬力學參數

表2 初期支護材料物理力學參數

2.3 數值模擬工況方案

由于淺埋偏壓隧道地段復雜，隧道圍巖穩定性差，其施工技術相對復雜，根據現有的隧道工程經驗，目前采用較多的方法為新奧法，其特點是邊開挖隧道圍巖邊施作初期支護，使圍巖和錨桿、噴射混凝土等支護結構一同受力變形，最大限度地發揮圍巖自承能力。本設計綜合考慮人和隧道洞身段地形結構及周邊地質情況，采用上下臺階法和雙側壁導坑法模擬隧道開挖過程。

其中，上下臺階法模擬隧道開挖過程，上臺階高4m，下臺階高5m，每次開挖進尺為2m。施工步驟為：①開挖上臺階→②上臺階開挖完成后及時施作錨桿支撐→③噴射混凝土→④開挖下臺階→⑤下臺階開挖完成后施作錨桿支撐→⑥噴射混凝土，如圖3所示。

圖3 上下臺階法施工示意

雙側壁導坑法施工步驟為：①開挖左上側洞→②開挖完成后外側壁施作錨桿支撐→③內側壁用鋼格柵及時封閉成環，噴射混凝土→④左上側洞開挖4m后，同時開挖右上側洞→⑤外側壁施作錨桿支撐→⑥噴射混凝土，內側壁用鋼格柵封閉成環→⑦右上側洞開挖6m后，同時開挖左下側洞→⑧外側壁施作錨桿支撐→⑨內側壁用鋼格柵及時封閉成環→⑩左下側洞開挖4m后，同時開挖右下側洞→外側壁施作錨桿支撐→內側壁用鋼格柵封閉成環→右下側洞開挖6m后，同時開挖中上核心土部分，此時左上側洞已全部開挖完成→外側壁施作錨桿支撐→施作初期支護→待中上核心土部分開挖4m后，同時開挖中下核心土部分，此時右上側洞已全部開挖完成→底層噴射混凝土。上述開挖過程同樣為2m一個進尺，如圖4所示。2種施工方法的網格模型如圖5所示。

圖4 雙側壁導坑法施工示意

圖5 隧道開挖施工工法網格示意

3 數值結果模擬分析

3.1 圍巖應力分析

隧道開挖過程中改變了圍巖地應力，使洞身圍巖應力重新分布，隧道以外的土體由于地質偏壓導致應力分布不均。由圖6可知，2種施工方法在拱頂、底處應力變化較明顯，最大壓應力均出現在隧道洞身右邊墻處，其中上下臺階法的最大壓應力值為2.42MPa，雙側壁導坑法的最大壓應力值為2.20MPa。采用雙側壁導坑法開挖偏壓隧道對圍巖應力變化影響較上下臺階法小，由于隧道進行導洞分布開挖，因此在開挖過程中圍巖應力只在局部產生變化，對隧道洞身整體圍巖應力擾動較小。

圖6 2種開挖工法圍巖最小主應力

3.2 圍巖位移分析

淺埋偏壓隧道施工過程中，隧道豎向位移變化主要出現在隧道拱部，且位移變形偏向深埋側。如圖7所示，隨著隧道開挖步驟深入進行，隧道施工對周圍圍巖的擾動也越來越大，拱頂和拱底周圍圍巖豎向變形逐漸擴大，最終趨于穩定狀態。采用上下臺階法的圍巖豎向位移較雙側壁導坑法變化明顯，可觀察到上下臺階法在開挖施工時對周圍巖體擾動影響較大。且由圖8可知，上下臺階法在初步開挖時拱底和拱頂圍巖位移變化趨勢非常明顯，及時施作初期支護后，位移變化趨勢有所緩和，開挖進尺10m后圍巖位移增加趨勢減少77%，隨著隧道進一步開挖，圍巖位移豎向變化趨于平緩，最終達到穩定狀態。雙側壁導坑法圍巖位移變化趨勢有明顯的導洞效應，當開挖到某一監測點所在導洞時，周圍圍巖位移變化量明顯增加，隨著施工的進行最終趨于穩定，且開挖任一導洞時其圍巖位移變化值較上下臺階法都要小。上下臺階法在開挖過程中拱頂最大沉降量為-13.69mm，拱底最大隆起量為14.53mm；雙側壁導坑法開挖時拱頂最大沉降量為-11.41mm，拱底最大隆起量為11.99mm。

圖7 2種開挖工法圍巖豎向位移變化

圖8 2種開挖工法圍巖豎向位移對比曲線

如表3所示，雙側壁導坑法開挖隧道相比于上下臺階法的拱肩位移收斂值減小21%，墻角位移收斂值減小50%，拱頂沉降值減小17%，拱底隆起值減小17%。

表3 2種開挖方案位移情況 mm

3.3 圍巖塑性區分布

由圖9可看出，采用上下臺階法的塑性區分布值略大于雙側壁導坑法。采用上下臺階法施工時，圍巖塑性區主要分布在隧洞墻腳及左、右邊墻處，因此在施工過程中要及時施作初期支護加固隧道邊墻角處，并實時進行監控量測工作，避免產生隧洞坍塌、邊墻開裂等不良情況。采用雙側壁導坑法施工時，各導洞周圍的塑性分布較明顯，其中右墻腳處塑性區分布最明顯，因此在開挖各導洞時要及時施作初期支護確保導洞周圍圍巖穩定性。

圖9 2種開挖工法圍巖塑性區分布

4 結語

1)通過隧道三維數值模型模擬計算結果可知，采用上下臺階法較雙側壁導坑法在拱部沉降量、圍巖應力及塑性區分布變化量方面都較明顯。

2)上下臺階法開挖對隧洞周圍圍巖及土體擾動較大，而雙側壁導坑法開挖對隧道擾動較小，在開挖某一導洞時，其他導洞周圍圍巖及土體變形幾乎不發展。

3)在雙側壁導坑法開挖隧道過程中，局部導坑易產生應力集中現象，因此必須確保錨桿強度和鋼格柵質量，開挖完成后，應立即噴射混凝土，及時使開挖導洞封閉成環，避免隧洞坍塌。

4)本次所選人和隧道淺埋偏壓段周圍地層相對軟弱、破碎，多為Ⅴ級圍巖，因此該隧道區段采用雙側壁導坑法開挖更安全合理。