基于三維離散單元法的大跨徑隧道洞口段管棚支護(hù)施工穩(wěn)定性影響分析

■鄭際練

（三明莆炎高速公路有限責(zé)任公司，三明 365000）

隧道洞口穩(wěn)定性是指隧道在進(jìn)洞、 出洞施工時(shí)，在支護(hù)作用下地層及結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)性。 隧道的穩(wěn)定性不僅與洞口處的地質(zhì)環(huán)境、地層應(yīng)力、巖體力學(xué)性質(zhì)有明確的關(guān)系，還與隧道洞口段的施工存在密切的關(guān)聯(lián)，如洞口形狀、開(kāi)挖工序和超前預(yù)支護(hù)方案等。 隨著有限元數(shù)值分析的進(jìn)一步發(fā)展，工程量測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步提高，使得隧道洞口穩(wěn)定性分析已經(jīng)逐漸形成一門完善的研究體系[1-5]。

眾多學(xué)者針對(duì)隧道洞口段施工穩(wěn)定性已經(jīng)開(kāi)展了大量研究。 王國(guó)欣等[6]根據(jù)實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)Plaxis 有限元軟件對(duì)隧道洞口的結(jié)構(gòu)及地層的滑坡、坍方等問(wèn)題進(jìn)行模擬，同時(shí)對(duì)洞口施工可能出現(xiàn)的病害和災(zāi)害進(jìn)行控制，從而保證工程上隧道洞口施工的安全穩(wěn)定。 熊明康等[7]根據(jù)疏松堆砌體隧洞圍巖構(gòu)造易破壞、自穩(wěn)能力差的特性，通過(guò)數(shù)值模擬和分析結(jié)合的方法，系統(tǒng)分析并研究了疏松堆砌體隧洞鋼拱架不同間距對(duì)隧道設(shè)計(jì)洞周位移和內(nèi)部應(yīng)力的影響特性。 仇明等[8]以向家壩水電站庫(kù)區(qū)的姚家壩隧洞工程為主要科研背景，通過(guò)三維有限元法深入研究了隧洞工程建設(shè)中形成山體邊坡及支撐構(gòu)件的穩(wěn)定安全狀況，并對(duì)孔洞綜合治理與前、 后山體坡度及其隧道內(nèi)支撐構(gòu)件的承載力、形狀和穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析。 基于前人的研究情況，本文針對(duì)福建莆炎高速公路蘇橋隧道左線出口成洞面段雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法在管棚超前預(yù)支護(hù)未實(shí)施及實(shí)施兩種情況下進(jìn)行了施工穩(wěn)定性分析。該隧道為山區(qū)雙線6 車道大跨徑隧道，數(shù)值模擬分析采用三維離散單元法，通過(guò)典型斷面拱頂沉降等工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，闡述管棚支護(hù)工法在該類型隧道施工中的影響。

1 工程概況

福建省莆炎高速公路蘇橋隧道為雙線6 車道大跨徑隧道，右隧長(zhǎng)355 m，屬短隧道，最大埋深60 m；左隧長(zhǎng)369 m，屬短隧道，最大埋深60 m。 隧道樁號(hào)ZK206+039 區(qū)域?yàn)樽缶€出口成洞面位置，該出口端巖體風(fēng)化破碎嚴(yán)重。 圍巖主要為硬塑狀粉質(zhì)粘土和砂土狀～碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層，巖體呈散體結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性差，施工開(kāi)挖后易塌方、掉塊，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)措施，圖1 為蘇橋隧道左線出口設(shè)計(jì)圖。

圖1 蘇橋隧道左線出口設(shè)計(jì)圖

ZK206+039 區(qū)域設(shè)計(jì)噴射混凝土厚28 cm；邊墻設(shè)置系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)4.0 m， 環(huán)×縱距離為1.0 m×1.0 m；拱墻鋼筋網(wǎng)間距為20 cm×20 cm；鋼架全環(huán)設(shè)置，材料規(guī)格I22b，間距0.5 m；設(shè)計(jì)開(kāi)挖預(yù)留變形量為15～20 cm。 由于跨徑較大，洞口淺埋段隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖， 每天進(jìn)尺以0.5～1.0 m 為宜。 圖2 為隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法示意圖。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法示意圖

2 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

2.1 構(gòu)建方法

在巖土計(jì)算力學(xué)方面， 基于三維離散單元法能夠更為逼真地表現(xiàn)節(jié)理巖體的幾何特征， 有利于求解將非線性變形和損傷都聚焦于節(jié)理表面的巖體破壞問(wèn)題，因而常被應(yīng)用于模擬坡度和節(jié)理巖體地下水滲流等土木工程力學(xué)現(xiàn)象[9]。 再者，以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的有限元等數(shù)值計(jì)算方法較難模擬巖土材料的損傷形態(tài)和損壞過(guò)程，而離散元法在則具有能夠模擬金屬材料由連續(xù)到非連續(xù)的變化過(guò)程的優(yōu)越性[9-10]。 結(jié)合本文項(xiàng)目背景蘇橋隧道的地質(zhì)特點(diǎn)，采用三維離散單元法進(jìn)行數(shù)值模擬是合適的。

2.2 模型建立

采用三維離散元軟件3DEC，選取區(qū)段ZK206+039 進(jìn)行數(shù)值建模，在此范圍內(nèi)認(rèn)為巖體節(jié)理相似。巖土工程體使用的彈塑性模型， 必須遵循Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則（3DEC 中為cons2）；節(jié)理本構(gòu)模型使用了jcons 1， 即為庫(kù)倫滑移破壞下的區(qū)域接觸彈/塑性模型。其三維模型尺寸為：X·Y·Z=90 m×30 m×60 m，整個(gè)模型底部為全部約束，邊坡面定義為自由邊界，左右兩側(cè)均設(shè)為水平約束。 錨桿、噴射混凝土采用軟件中的錨桿單元和梁?jiǎn)卧M。 隧道洞口段數(shù)值模型如圖3 所示。

圖3 隧道洞口段數(shù)值模型

由于硬塑狀粉質(zhì)粘土量較少且未直接接觸洞口段結(jié)構(gòu)，本文模擬時(shí)做簡(jiǎn)化處理，僅考慮砂土狀～碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層影響。 根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察和試驗(yàn)，測(cè)得強(qiáng)風(fēng)化巖體力學(xué)參數(shù)：體積模量2 K/GPa、剪切模量0.86 G/GPa、摩擦角28°、粘聚力24 MPa、抗拉強(qiáng)度12 GPa；結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)：法向剛度10 Kn/GPa、切向剛度1 Ks/GPa、摩擦角19°、粘聚力12 MPa、抗拉強(qiáng)度3 MPa。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為研究管棚支護(hù)對(duì)該洞口段區(qū)域施工穩(wěn)定性影響，考慮管棚支護(hù)未實(shí)施及實(shí)施2 種情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.1 未實(shí)施管棚支護(hù)條件下數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4 為未實(shí)施管棚支護(hù)條件下隧道開(kāi)挖后的變形云圖。 從Z 方向位移云圖可知隧道開(kāi)挖以后其主要位移影響區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)坡面，隨著隧道開(kāi)挖拱頂累計(jì)沉降值在逐漸增大，最大位移為55 mm，位于左拱拱頂位置（和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相適應(yīng)）。

圖4 未實(shí)施管棚支護(hù)條件下隧道Z 方向變形云圖

對(duì)該工況下隧道開(kāi)挖完以后的塑性區(qū)進(jìn)行分析，如圖5 所示。 從圖中可以看出，隨著隧道的開(kāi)挖塑性區(qū)面積逐漸增大，主要分布于隧道拱頂左下方坡段，因此需要及時(shí)做好該區(qū)域的防護(hù)工作，確保邊坡和隧道的安全。

圖5 未實(shí)施管棚支護(hù)條件下隧道塑性區(qū)云圖

3.2 實(shí)施管棚支護(hù)條件下數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 管棚加固機(jī)理和設(shè)計(jì)參數(shù)

超前管棚支護(hù)是隧道施工中處理軟弱、破碎與淺埋偏壓等不良圍巖地質(zhì)的有效施工方法[11]。 通過(guò)管棚注漿可以使拱部開(kāi)挖線外周邊圍巖預(yù)先形成加固的保護(hù)環(huán)，發(fā)揮“承載拱”作用；洞口的管棚桿體本身就具有“托梁效應(yīng)”，一方面控制巖土地表和拱頂沉降，一方面又把所承受的支撐圍巖壓力平分在洞身附近，從而大大減少了支撐圍巖傳輸給初支的壓力[11]。

根據(jù)具體地質(zhì)情況及隧道結(jié)構(gòu)尺寸特點(diǎn)，蘇橋隧道左線出口ZK206+039 區(qū)域管棚設(shè)計(jì)參數(shù)如下：（1）導(dǎo)管規(guī)格：外徑Φ108 mm，壁厚6 mm 熱軋無(wú)縫鋼管，節(jié)長(zhǎng)4～6 m。左線出口管棚長(zhǎng)30 m。（2）管距：環(huán)向間距40 cm。 鋼花管上鉆注漿孔：孔徑14～16 mm，孔間距113 mm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段110 cm。（3）傾角：與洞身軸線平行外插角為1°～3°。 長(zhǎng)管棚正面布置圖如圖6 所示。

圖6 洞口長(zhǎng)管棚正面布置圖

3.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

圖7 為實(shí)施管棚支護(hù)條件下隧道開(kāi)挖后的變形云圖。 從Z 方向位移云圖可知隨著隧道開(kāi)挖拱頂累計(jì)沉降值，最大位移為40 mm，位于左拱拱頂位置，較未實(shí)施管棚時(shí)有了較大的減少。

圖7 實(shí)施管棚支護(hù)條件下隧道Z 方向變形云圖

對(duì)該工況下隧道開(kāi)挖完以后的塑性區(qū)進(jìn)行分析，如圖8 所示。 從圖中可以看出，采用管棚支護(hù)后隧道的塑性區(qū)面積大大減小，塑性主要分布在隧道左拱頂處。 隧道施工穩(wěn)定性較未實(shí)施管棚支護(hù)條件下有明顯提高。

圖8 實(shí)施管棚支護(hù)條件下隧道塑性區(qū)云圖

4 工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示，其中C1 為左拱拱頂沉降點(diǎn)，累計(jì)沉降值一般較右拱拱頂沉降點(diǎn)C2 更大。

圖9 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

選取蘇橋隧道左線出口成洞面ZK206+039 區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，其拱頂沉降累計(jì)變化值時(shí)態(tài)曲線如圖10 所示。 由圖可知蘇橋隧道左線出口成洞面拱頂沉降C1 點(diǎn)累計(jì)值為32.6 mm，C2 點(diǎn)累計(jì)值為19.8 mm，C1 點(diǎn)沉降累計(jì)值比理論計(jì)算值小， 經(jīng)過(guò)超前管棚支護(hù)加固處理，該區(qū)域沉降數(shù)據(jù)在預(yù)計(jì)范圍且漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 ZK206+039 拱頂沉降累計(jì)變化值時(shí)態(tài)曲線

5 結(jié)論

本研究采用離散單元法建立了隧道洞口段分析模型，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析實(shí)現(xiàn)了大跨徑隧道洞口區(qū)域綜合穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的目的。 具體結(jié)論如下：（1）雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法+管棚支護(hù)能夠較好的適應(yīng)山區(qū)大跨徑隧道洞口段破碎狀圍巖的開(kāi)挖。 （2）與未實(shí)施管棚支護(hù)條件下相比，管棚支護(hù)能夠降低隧道開(kāi)挖拱頂累計(jì)沉降值， 并大大減少隧道的塑性區(qū)面積，從而增加隧道洞口段施工穩(wěn)定性。 （3）蘇橋隧道采用的管棚設(shè)計(jì)參數(shù)較合理， 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，實(shí)測(cè)拱頂累計(jì)沉降值小于理論計(jì)算值，洞口段施工穩(wěn)定性較好。