基于三維離散單元法的大跨徑隧道洞口段管棚支護施工穩定性影響分析

■鄭際練

（三明莆炎高速公路有限責任公司，三明 365000）

隧道洞口穩定性是指隧道在進洞、 出洞施工時，在支護作用下地層及結構的自穩性。 隧道的穩定性不僅與洞口處的地質環境、地層應力、巖體力學性質有明確的關系，還與隧道洞口段的施工存在密切的關聯，如洞口形狀、開挖工序和超前預支護方案等。 隨著有限元數值分析的進一步發展，工程量測監測技術的進一步提高，使得隧道洞口穩定性分析已經逐漸形成一門完善的研究體系[1-5]。

眾多學者針對隧道洞口段施工穩定性已經開展了大量研究。 王國欣等[6]根據實際工程監測數據，通過Plaxis 有限元軟件對隧道洞口的結構及地層的滑坡、坍方等問題進行模擬，同時對洞口施工可能出現的病害和災害進行控制，從而保證工程上隧道洞口施工的安全穩定。 熊明康等[7]根據疏松堆砌體隧洞圍巖構造易破壞、自穩能力差的特性，通過數值模擬和分析結合的方法，系統分析并研究了疏松堆砌體隧洞鋼拱架不同間距對隧道設計洞周位移和內部應力的影響特性。 仇明等[8]以向家壩水電站庫區的姚家壩隧洞工程為主要科研背景，通過三維有限元法深入研究了隧洞工程建設中形成山體邊坡及支撐構件的穩定安全狀況，并對孔洞綜合治理與前、 后山體坡度及其隧道內支撐構件的承載力、形狀和穩定性進行了對比分析。 基于前人的研究情況，本文針對福建莆炎高速公路蘇橋隧道左線出口成洞面段雙側壁導坑工法在管棚超前預支護未實施及實施兩種情況下進行了施工穩定性分析。該隧道為山區雙線6 車道大跨徑隧道，數值模擬分析采用三維離散單元法，通過典型斷面拱頂沉降等工程實測數據對比驗證，闡述管棚支護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355 m，屬短隧道，最大埋深60 m；左隧長369 m，屬短隧道，最大埋深60 m。 隧道樁號ZK206+039 區域為左線出口成洞面位置，該出口端巖體風化破碎嚴重。 圍巖主要為硬塑狀粉質粘土和砂土狀～碎塊狀強風化層，巖體呈散體結構、碎裂結構，圍巖穩定性差，施工開挖后易塌方、掉塊，應加強支護措施，圖1 為蘇橋隧道左線出口設計圖。

圖1 蘇橋隧道左線出口設計圖

ZK206+039 區域設計噴射混凝土厚28 cm；邊墻設置系統錨桿長4.0 m， 環×縱距離為1.0 m×1.0 m；拱墻鋼筋網間距為20 cm×20 cm；鋼架全環設置，材料規格I22b，間距0.5 m；設計開挖預留變形量為15～20 cm。 由于跨徑較大，洞口淺埋段隧道采用雙側壁導坑法進行開挖， 每天進尺以0.5～1.0 m 為宜。 圖2 為隧道雙側壁導坑工法示意圖。

圖2 雙側壁導坑工法示意圖

2 數值計算模型構建

2.1 構建方法

在巖土計算力學方面， 基于三維離散單元法能夠更為逼真地表現節理巖體的幾何特征， 有利于求解將非線性變形和損傷都聚焦于節理表面的巖體破壞問題，因而常被應用于模擬坡度和節理巖體地下水滲流等土木工程力學現象[9]。 再者，以連續介質力學為基礎的有限元等數值計算方法較難模擬巖土材料的損傷形態和損壞過程，而離散元法在則具有能夠模擬金屬材料由連續到非連續的變化過程的優越性[9-10]。 結合本文項目背景蘇橋隧道的地質特點，采用三維離散單元法進行數值模擬是合適的。

2.2 模型建立

采用三維離散元軟件3DEC，選取區段ZK206+039 進行數值建模，在此范圍內認為巖體節理相似。巖土工程體使用的彈塑性模型， 必須遵循Mohr-Coulomb 準則（3DEC 中為cons2）；節理本構模型使用了jcons 1， 即為庫倫滑移破壞下的區域接觸彈/塑性模型。其三維模型尺寸為：X·Y·Z=90 m×30 m×60 m，整個模型底部為全部約束，邊坡面定義為自由邊界，左右兩側均設為水平約束。 錨桿、噴射混凝土采用軟件中的錨桿單元和梁單元模擬。 隧道洞口段數值模型如圖3 所示。

圖3 隧道洞口段數值模型

由于硬塑狀粉質粘土量較少且未直接接觸洞口段結構，本文模擬時做簡化處理，僅考慮砂土狀～碎塊狀強風化層影響。 根據設計圖紙結合現場地質勘察和試驗，測得強風化巖體力學參數：體積模量2 K/GPa、剪切模量0.86 G/GPa、摩擦角28°、粘聚力24 MPa、抗拉強度12 GPa；結構面力學參數：法向剛度10 Kn/GPa、切向剛度1 Ks/GPa、摩擦角19°、粘聚力12 MPa、抗拉強度3 MPa。

3 數值模擬結果分析

為研究管棚支護對該洞口段區域施工穩定性影響，考慮管棚支護未實施及實施2 種情況進行數值模擬分析。

3.1 未實施管棚支護條件下數值模擬結果分析

圖4 為未實施管棚支護條件下隧道開挖后的變形云圖。 從Z 方向位移云圖可知隧道開挖以后其主要位移影響區域為整個坡面，隨著隧道開挖拱頂累計沉降值在逐漸增大，最大位移為55 mm，位于左拱拱頂位置（和雙側壁導坑法相適應）。

圖4 未實施管棚支護條件下隧道Z 方向變形云圖

對該工況下隧道開挖完以后的塑性區進行分析，如圖5 所示。 從圖中可以看出，隨著隧道的開挖塑性區面積逐漸增大，主要分布于隧道拱頂左下方坡段，因此需要及時做好該區域的防護工作，確保邊坡和隧道的安全。

圖5 未實施管棚支護條件下隧道塑性區云圖

3.2 實施管棚支護條件下數值模擬結果分析

3.2.1 管棚加固機理和設計參數

超前管棚支護是隧道施工中處理軟弱、破碎與淺埋偏壓等不良圍巖地質的有效施工方法[11]。 通過管棚注漿可以使拱部開挖線外周邊圍巖預先形成加固的保護環，發揮“承載拱”作用；洞口的管棚桿體本身就具有“托梁效應”，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]。

根據具體地質情況及隧道結構尺寸特點，蘇橋隧道左線出口ZK206+039 區域管棚設計參數如下：（1）導管規格：外徑Φ108 mm，壁厚6 mm 熱軋無縫鋼管，節長4～6 m。左線出口管棚長30 m。（2）管距：環向間距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，尾部留不鉆孔的止漿段110 cm。（3）傾角：與洞身軸線平行外插角為1°～3°。 長管棚正面布置圖如圖6 所示。

圖6 洞口長管棚正面布置圖

3.2.2 數值模擬結果

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

圖7 實施管棚支護條件下隧道Z 方向變形云圖

對該工況下隧道開挖完以后的塑性區進行分析，如圖8 所示。 從圖中可以看出，采用管棚支護后隧道的塑性區面積大大減小，塑性主要分布在隧道左拱頂處。 隧道施工穩定性較未實施管棚支護條件下有明顯提高。

圖8 實施管棚支護條件下隧道塑性區云圖

4 工程實測數據對比

隧道雙側壁導坑法施工截面監測點布置如圖9所示，其中C1 為左拱拱頂沉降點，累計沉降值一般較右拱拱頂沉降點C2 更大。

圖9 雙側壁導坑法施工截面監測點布置圖

選取蘇橋隧道左線出口成洞面ZK206+039 區域監測數據分析，其拱頂沉降累計變化值時態曲線如圖10 所示。 由圖可知蘇橋隧道左線出口成洞面拱頂沉降C1 點累計值為32.6 mm，C2 點累計值為19.8 mm，C1 點沉降累計值比理論計算值小， 經過超前管棚支護加固處理，該區域沉降數據在預計范圍且漸趨于穩定狀態。

圖10 ZK206+039 拱頂沉降累計變化值時態曲線

5 結論

本研究采用離散單元法建立了隧道洞口段分析模型，并通過現場實測分析實現了大跨徑隧道洞口區域綜合穩定性評價的目的。 具體結論如下：（1）雙側壁導坑工法+管棚支護能夠較好的適應山區大跨徑隧道洞口段破碎狀圍巖的開挖。 （2）與未實施管棚支護條件下相比，管棚支護能夠降低隧道開挖拱頂累計沉降值， 并大大減少隧道的塑性區面積，從而增加隧道洞口段施工穩定性。 （3）蘇橋隧道采用的管棚設計參數較合理， 通過現場監測數據分析，實測拱頂累計沉降值小于理論計算值，洞口段施工穩定性較好。