高速公路軟巖隧道開挖穩(wěn)定性數(shù)值分析

■張清帥

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，南寧 530001）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度的不斷加快，越來(lái)越多的高速公路開工建設(shè)，高速公路建設(shè)過程中不可避免的穿越山川，修建過山隧道。 在我國(guó)一些山區(qū)，巖體較為松散，這給隧道施工帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

針對(duì)軟巖隧道開挖穩(wěn)定性問題，諸多學(xué)者開展了深入探討，韋秉旭、袁健等[1-2]通過數(shù)值方法研究了山嶺隧道CRD 和臺(tái)階開挖方法之間的異同，并從施工過程中隧道沉降、應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)展等方面出發(fā)，探究了二者開挖之間的優(yōu)劣；邵珠山、郄英華等[3-4]基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值方法，研究了軟巖速調(diào)開挖過程的位移變化規(guī)律，成果為下階段的隧道施工提供了有利建議；劉漢紅、任兆丹等[5-6]通過數(shù)值模擬方法對(duì)比分析了不同開挖方法下隧道圍巖穩(wěn)定性問題，研究結(jié)果認(rèn)為采用三臺(tái)階法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的變形控制效果更優(yōu)。 李沿宗、杜雁鵬等[7-8]則研究了隧道支護(hù)方式對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)研究結(jié)論對(duì)該工程的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。本文以廣西某高速公路軟巖隧道施工為例，通過采用大型有限差分軟件FLAC3D 建立數(shù)值分析模型，對(duì)采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖過程中不同支護(hù)階段的隧道位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并重點(diǎn)研究埋深對(duì)隧道位移的影響，研究結(jié)果可為公路軟巖隧道的設(shè)計(jì)與施工提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

1 工程簡(jiǎn)介

廣西某高速公路隧道工程，隧址區(qū)地形起伏較大， 地勢(shì)陡峭， 部分基巖裸露， 隧道埋深在26.3～64.1 m。 隧道圍巖主要以砂巖為主，圍巖裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)較松散，圍巖自穩(wěn)性較差，以V 級(jí)圍巖為主。隧道設(shè)計(jì)斷面采用多圓心弧組成， 斷面最大寬度為11.4 m，最大高度為7.3 m。 隧道設(shè)計(jì)開挖方法為三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖方法，具體開挖順序?yàn)樯吓_(tái)階開挖、上臺(tái)階初支、中臺(tái)階開挖、中臺(tái)階初支、下臺(tái)階開挖、下臺(tái)階初支、核心土開挖以及核心土初支等，隧道斷面及開挖流程如圖1 所示。

圖1 隧道斷面示意圖

2 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)隧道典型斷面情況，采用有限元軟件構(gòu)建三維數(shù)值模型，如圖2 所示。 隧道數(shù)值模型尺寸按實(shí)際大小和形狀建立，考慮到隧道的大小以及開挖影響范圍，模型長(zhǎng)、寬分別取100 m 和20 m，高度80 m；模型上邊界外未約束，其他邊界均進(jìn)行位移和邊界約束， 分別對(duì)隧道埋深30 m、60 m 和90 m進(jìn)行分析。 按照設(shè)計(jì)資料，隧道支護(hù)依次采用鋼拱架、噴射混凝土（厚度25 cm）、二次襯砌（厚度40 cm）。 圍巖采用實(shí)體單元，襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，V 級(jí)圍巖采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型；整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)為13268 個(gè)。

圖2 數(shù)值模型圖

為了便于計(jì)算， 通常需要對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，本文將鋼拱架、鋼筋等彈性模量均等效折算在混凝土上：

式（1）中：E 和E0分別為折算后和折算前的混凝土彈性模量，Eg為鋼拱架的彈性模量，Sc為混凝土截面面積，Sg為鋼拱架橫截面面積。

圍巖基本物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表1， 噴砼和二襯的力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 噴砼、二襯力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果與分析

3.1 隧道開挖過程圍巖豎向位移變化規(guī)律

不同臺(tái)階開挖支護(hù)后的隧道及圍巖的豎向位移變化規(guī)律如圖3 所示， 以隧道埋深30 m 為例進(jìn)行分析。 由圖3 可知，隧道開挖過程中拱頂沉降最大，拱底發(fā)生不同程度的隆起，上臺(tái)階、中臺(tái)階以及下臺(tái)階初支后的拱頂位移分別為7.72 mm、9.14 mm、10.06 mm。 全部初期開挖支護(hù)后的豎向位移如圖4 所示，拱頂位移為11.38 mm，各階段沉降均在控制范圍內(nèi)。

圖3 不同臺(tái)階開挖支護(hù)后的豎向位移云圖

圖4 全部初期開挖支護(hù)后的豎向位移云圖

3.2 開挖過程中隧道位移監(jiān)測(cè)分析

不同隧道埋深時(shí)各開挖階段隧道拱頂豎向位移及拱腰水平收斂位移變化結(jié)果如圖5 所示。

（1）根據(jù)圖5（a），當(dāng)隧道埋深為30 m 時(shí)，上臺(tái)階初支完成后以及中臺(tái)階、下臺(tái)階、全部初支完成后的豎向位移分別為7.72 mm、9.14 mm、10.06 mm和11.38 mm，由此，上臺(tái)階初支、中臺(tái)階初支、下臺(tái)階和核心土初支過程中豎向位移產(chǎn)生量分別占豎向位移總量的67.84%、12.48%、8.08%和11.60%。對(duì)應(yīng)的，上臺(tái)階初支完成后以及中臺(tái)階、下臺(tái)階、全部初支完成后的水平位移分別為5.96 mm、8.94 mm、9.92 mm 和10.32 mm，由此，上臺(tái)階初支、中臺(tái)階初支、下臺(tái)階初支和核心土初支過程中水平位移產(chǎn)生量分別占水平位移總量的57.75%、28.86%、9.88%和3.87%。 因此，當(dāng)隧道埋深為30 m 時(shí)，上臺(tái)階開挖過程中產(chǎn)生的位移最大， 其次是中臺(tái)階開挖，二者位移量之和約占總沉降量的80.3%。

（2）根據(jù)圖5（b），當(dāng)隧道埋深為60 m 時(shí)，上臺(tái)階初支完成后以及中臺(tái)階、下臺(tái)階、全部初支完成后的豎向位移分別為11.19 mm、13.36 mm、15.14 mm和16.68 mm，由此，上臺(tái)階初支、中臺(tái)階初支、下臺(tái)階和核心土初支過程中豎向位移產(chǎn)生量分別占豎向位移總量的67.09%、13.01%、10.67%和9.23%。對(duì)應(yīng)的，上臺(tái)階初支完成后以及中臺(tái)階、下臺(tái)階、全部初支完成后的水平位移分別為8.01 mm、13.07 mm、16.05 mm 和16.28 mm，由此，上臺(tái)階初支、中臺(tái)階初支、下臺(tái)階初支和核心土初支過程中水平位移產(chǎn)生量分別占水平位移總量的49.20%、31.08%、18.30%和1.41%。因此，當(dāng)隧道埋深為60 m時(shí)，上臺(tái)階開挖過程中產(chǎn)生的位移最大，其次是中臺(tái)階開挖， 二者位移量之和約占總沉降量的80.4%。

（3）根據(jù)圖5（c），當(dāng)隧道埋深為90 m 時(shí)，上臺(tái)階初支完成后以及中臺(tái)階、下臺(tái)階、全部初支完成后的豎向位移分別為 14.16 mm、16.38 mm、18.25 mm 和20.63 mm，由此，上臺(tái)階初支、中臺(tái)階初支、下臺(tái)階和核心土初支過程中豎向位移產(chǎn)生量分別占豎向位移總量的68.64%、10.76%、9.06%和11.54%。對(duì)應(yīng)的，上臺(tái)階初支完成后以及中臺(tái)階、下臺(tái)階、全部初支完成后的水平位移分別為9.98 mm、16.72 mm、19.26 mm 和21.01 mm，由此，上臺(tái)階初支、中臺(tái)階初支、下臺(tái)階初支和核心土初支過程中水平位移產(chǎn)生量分別占水平位移總量的47.50%、32.08%、12.09%和8.33%。因此，當(dāng)隧道埋深為90 m時(shí)，上臺(tái)階開挖過程中產(chǎn)生的位移最大，其次是中臺(tái)階開挖，二者位移量之和約占總沉降量的79.6%。

圖5 不同隧道埋深時(shí)各開挖階段位移對(duì)比

3.3 隧道埋深對(duì)位移影響分析

隧道埋深對(duì)位移影響曲線如圖6 所示， 由圖6（a）可知，隨著隧道埋深的增大，各階段的隧道豎向沉降均增大，全部開挖完成之護(hù)完成后對(duì)應(yīng)隧道埋深30 m、60 m 和90 m 時(shí)的豎向位移依次為11.38 mm、16.68 mm 和20.63 mm，相比于隧道埋深30 m 時(shí)， 隧道埋深60 m 和90 m 時(shí)的豎向位移分別增大了46.6%和81.3%。 由圖6（b）可知，隨著隧道埋深的增大， 各階段的隧道水平位移均增大，全部開挖完成之護(hù)完成后對(duì)應(yīng)隧道埋深30 m、60 m和90 m 時(shí)的水平位移依次為10.32 mm、16.28 mm和21.01 mm， 相比于隧道埋深30 m 時(shí)， 隧道埋深60 m 和90 m 時(shí)的水平位移分別增大了57.8%和103.6%，值得注意的是，核心土開挖對(duì)隧道水平位移影響較小。

圖6 隧道埋深對(duì)位移影響曲線

4 結(jié)論

本文以某高速公路軟巖隧道施工為例，通過采用大型有限差分軟件FLAC3D 建立數(shù)值分析模型，對(duì)采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖過程中不同支護(hù)階段的隧道位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并重點(diǎn)分析隧道不同埋深對(duì)其位移的影響，得到以下結(jié)論：

（1）隧道開挖過程中拱頂沉降最大，隧道埋深30 m 時(shí)上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階以及全部初支完成后的拱頂位移分別為7.72 mm、9.14 mm、10.06 mm和11.38 mm，各階段沉降均在控制范圍內(nèi)。

（2）隧道開挖過程中，上臺(tái)階開挖過程中產(chǎn)生的位移最大，其次是中臺(tái)階開挖，隧道埋深30～60 m范圍內(nèi)時(shí)，二者位移量之和約占總沉降量的80%。

（3）隨著隧道埋深的增大，各階段的隧道豎向沉降均增大，相比于隧道埋深30 m 時(shí)，隧道埋深60 m和90 m 時(shí)的豎向位移分別增大了46.6%和81.3%。

（4）隨著隧道埋深的增大，各階段的隧道水平位移均增大，相比于隧道埋深30 m 時(shí)，隧道埋深60 m和90 m 時(shí)的水平位移分別增大了57.8%和103.6%，其中核心土開挖對(duì)隧道水平位移影響較小。