路塹分級(jí)開挖對(duì)既有隧道穩(wěn)定性的影響研究

摘要：為研究路塹開挖對(duì)既有隧道穩(wěn)定性的影響，文章依托某開挖路塹工程案例，采用Flac 3D軟件分析了路塹開挖后隧道的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。結(jié)果表明：（1）路塹開挖前，隧道的左下和右下區(qū)域出現(xiàn)較大水平方向位移，呈“橢圓發(fā)散狀”，最大水平位移數(shù)值約為6.8 mm；路塹開挖后，隧道左側(cè)出現(xiàn)較大變形，而隧道右側(cè)所受影響較小；（2）隨著路塹分級(jí)開挖，隧道所受應(yīng)力逐漸增加，第二級(jí)開挖對(duì)隧道變形影響最大，此階段位移占總位移的78%，第三次開挖后，將在隧道左側(cè)產(chǎn)生90～240 kPa應(yīng)力；（3）數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好，誤差約為6%，說明數(shù)值模擬具有一定的有效性。

關(guān)鍵詞：路塹開挖；隧道應(yīng)力；變形規(guī)律；Flac 3D；數(shù)值模擬

0引言

隨著地下工程的發(fā)展，隧道的應(yīng)用越來越廣，許多學(xué)者針對(duì)隧道工程進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究。鄒至橋［1］采用數(shù)值模擬的方法，依托某地鐵暗挖隧道，研究了對(duì)既有管線的位移影響，結(jié)果表明：管線沉降隨著隧道開挖逐漸增加，數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，所提出的改進(jìn)工藝措施能夠保障施工安全。李偉林等［2］以成蘭鐵路隧道為工程實(shí)例，建立了不同岔角的數(shù)值模型，采用Fluent軟件模擬研究了風(fēng)能損失規(guī)律，結(jié)果表明：通風(fēng)死區(qū)與岔角成正比關(guān)系，且主線隧道局部損失系數(shù)與岔角基本不相關(guān)。申子玉等［3］采用Flac 3D軟件，研究了盾構(gòu)施工對(duì)隧道變形、應(yīng)力的影響規(guī)律，結(jié)果表明：拱頂靠近隧道一側(cè)變形較大，而拱底遠(yuǎn)離隧道一側(cè)變形較小，且最大應(yīng)力與最大位移位置呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。袁鐵剛等［4］使用有限元軟件，分析了某新建隧道在開挖時(shí)產(chǎn)生的變形規(guī)律，結(jié)果表明：隧道跨度與沉降變形保持對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可采用近似斷面代替某一區(qū)域內(nèi)的隧道模擬結(jié)果，從而簡(jiǎn)化數(shù)值模擬流程。王麗萍［5］采用數(shù)值模擬的方法研究了隧道在不同水平間距條件下的變形規(guī)律，結(jié)果表明，兩隧道中心區(qū)域產(chǎn)生沉降而非回彈變形的原因是因?yàn)槌霈F(xiàn)了“類似土拱”效應(yīng)，且該土拱效應(yīng)隨著水平間距的增大而增大。馬軍旗等［6］為優(yōu)化數(shù)值模擬的圖形表示能力，基于ANSYS軟件提出了一種可生成隧道三維視圖的技術(shù)，并通過案例分析，驗(yàn)證了該方法的推廣與應(yīng)用價(jià)值。

由此可知，現(xiàn)有數(shù)值模擬研究大多針對(duì)隧道自身的變形場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)，卻少有學(xué)者從路塹開挖影響隧道穩(wěn)定性的角度進(jìn)行分析。基于此，本文以某開挖路塹邊坡和既有地下隧道為研究對(duì)象，采用Flac 3D軟件研究路塹開挖對(duì)既有隧道變形的影響規(guī)律。

1 工程概況

1.1 邊坡工程概況

某公路路線全長(zhǎng)3.258 km，二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路面寬12 m，兩側(cè)各設(shè)0.5 m的路邊石，路基全寬13 m。路面為瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)。修建過程中開挖路塹邊坡自上而下分別由風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)砂巖和砂巖組成，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。其中左側(cè)塹坡高25 m，右側(cè)塹坡高34 m，邊坡坡率為1∶1.5。下埋設(shè)隧道總長(zhǎng)約100 m，位于邊坡底部以下40 m深。見圖1。

1.2 路塹開挖方式

為探究路塹開挖步驟對(duì)既有隧道變形的影響，路塹開挖擬分3級(jí)開挖，每一級(jí)向下開挖10 m。隧道的管片采用彈性模型，楊氏模量為30 GPa，密度為2.3 g/cm3；銜接處的折減系數(shù)取0.74，管片外半徑為4.8 m，內(nèi)半徑為4.5 m，管片厚度為30 cm。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 模型建立與選擇

采用Rhino軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元采用六面體結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Flac 3D軟件生成邊坡模型，模型如圖2所示。其中模型尺寸為185 m×100 m×86 m，模型采用底面全約束，側(cè)邊界法向約束，頂面不約束。數(shù)值計(jì)算時(shí)，網(wǎng)格單元采用摩爾-庫倫模型。

2.2 路塹開挖后隧道變形規(guī)律

如圖2所示，路塹開挖前，隧道在開挖并采取初襯支護(hù)和二襯支護(hù)以后，隧道的左下和右下區(qū)域出現(xiàn)朝隧道洞室內(nèi)方向的較大水平方向位移，呈“橢圓發(fā)散狀”，最大水平位移數(shù)值約為6.8 mm，而隧道的左上區(qū)域水平位移相對(duì)右上區(qū)域較大，數(shù)值約為5.4 mm。產(chǎn)生位移不對(duì)稱的原因主要是由于地形差異導(dǎo)致開挖后隧道左側(cè)應(yīng)力場(chǎng)較大。如圖3所示為路塹開挖前隧道豎向位移云圖，隧道底部出現(xiàn)最大回彈變形，數(shù)值約為7.8 mm，而隧道頂部出現(xiàn)最大10 mm的沉降變形。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是：隧道開挖后，隧道底部在卸荷作用下產(chǎn)生較大的豎向上拱應(yīng)力，因此出現(xiàn)回彈變形，而隧道頂部在上部巖體的擠壓所用下產(chǎn)生較大沉降位移。綜合分析隧道的水平位移和豎向位移可知，最大水平位移與豎向位移均≤10 mm，滿足隧道工程安全要求，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖4所示為路塹第三級(jí)開挖結(jié)束后的隧道整體位移云圖。由圖4可知，在路塹進(jìn)行第三級(jí)開挖后，隧道整體位移較第一級(jí)路塹開挖更大，左側(cè)最大位移數(shù)值已經(jīng)達(dá)到138 mm，有較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在路塹開挖工程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)隧道左側(cè)進(jìn)一步施加支護(hù)措施，以防止隧洞坍塌。

2.3 路塹開挖對(duì)隧道主應(yīng)力的影響分析

路塹開挖后，隧道的受力情況如圖5和圖6所示。隧道外圍Y方向應(yīng)力數(shù)值范圍在31～200 kPa，該范圍是隧道半徑的15%。隧道頂部與隧道底部所受應(yīng)力較小，因此可認(rèn)為該方向的應(yīng)力不會(huì)對(duì)隧道頂部與底部造成安全隱患，而隧道的左側(cè)和右側(cè)所受Y方向應(yīng)力較大，數(shù)值約為195 kPa，可認(rèn)為隧道在該方向有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。隧道Z方向應(yīng)力數(shù)值范圍在90～240 kPa，該范圍占隧道半徑的18%，隧道周圍整體受力均勻。

綜合分析隧道應(yīng)力與路塹開挖關(guān)系可知，隨著路塹分級(jí)開挖，隧道所受應(yīng)力逐漸增加，并在第三級(jí)開挖后，將在隧道左側(cè)產(chǎn)生較大應(yīng)力。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)加強(qiáng)隧道左側(cè)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，防止出現(xiàn)隧道應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生隧道墻體破壞現(xiàn)象。

2.4 路塹分級(jí)開挖對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響

綜合前文分析可知，隧道的左側(cè)受路塹開挖影響較大，可以忽略對(duì)隧道右側(cè)的影響。基于此，本研究在隧道左下區(qū)域設(shè)置1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以進(jìn)一步探究路塹開挖對(duì)隧道變形的影響。如圖7所示為路塹三級(jí)開挖后1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移和豎向位移曲線。由圖7可知，1號(hào)點(diǎn)豎向位移明顯較水平位移大，最大水平位移和豎向位移分別為138 mm和70 mm；1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移和豎向位移均與路塹開挖次數(shù)呈正比關(guān)系，且隨著每一級(jí)開挖結(jié)束，位移均呈先快速增加后趨近于穩(wěn)定的趨勢(shì)。不同之處在于，對(duì)于1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移而言，三級(jí)路塹開挖對(duì)隧道的影響相差較小；而對(duì)其豎向位移而言，第三級(jí)路塹開挖較前兩級(jí)路塹開挖對(duì)隧道變形的影響更大。

為驗(yàn)證本文數(shù)值模擬的有效性，本研究在隧道頂部設(shè)置了位移2號(hào)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。如圖8所示為隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比曲線。由圖8可知，隧道頂部位移隨路塹開挖呈現(xiàn)先緩慢增加后加速增加，最后減速收斂的變化趨勢(shì)。從位移數(shù)值上來看，第一級(jí)開挖達(dá)到20 mm豎向位移，第二級(jí)開挖達(dá)到了65 mm，第三級(jí)開挖結(jié)束后，豎向位移最終達(dá)到83 mm。由此可知，第二級(jí)開挖對(duì)隧道頂部位移產(chǎn)生的影響最大，此階段位移占比達(dá)到78%，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注路塹第二級(jí)開挖，加強(qiáng)此期間隧道頂部位移監(jiān)測(cè)工作。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好，第三級(jí)開挖后，隧道頂部位移達(dá)到78 mm，僅比實(shí)際監(jiān)測(cè)位移小5 mm，誤差約為6%，而產(chǎn)生相對(duì)誤差的原因可能是由于人為干擾因素和忽略巖體結(jié)構(gòu)裂隙等原因綜合造成的。

3 結(jié)語

本研究以某路塹開挖工程為依托，采用數(shù)值模擬的方法研究了路塹開挖對(duì)既有隧道穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

（1）路塹開挖前，隧道的左下和右下區(qū)域出現(xiàn)較大水平方向位移，呈“橢圓發(fā)散狀”，最大水平位移數(shù)值約為6.8 mm，隧道底部在卸荷作用下[KG（0.1mm]產(chǎn)生較大回彈變形。結(jié)合隧道的水平位移和豎向位移可知，最大水平位移與豎向位移均≤10 mm，滿足隧道工程安全要求，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）在路塹第三級(jí)開挖后，隧道整體位移較第一級(jí)路塹開挖更大，左側(cè)最大位移數(shù)值已經(jīng)達(dá)到180 mm，有較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。隨著路塹分級(jí)開挖，隧道所受應(yīng)力逐漸增加，并在第三級(jí)開挖后，將在隧道左側(cè)產(chǎn)生較大應(yīng)力。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)加強(qiáng)隧道左側(cè)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，防止出現(xiàn)隧道應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)隧道左側(cè)進(jìn)一步施加支護(hù)措施，以防止隧洞坍塌。

（3）隧道頂部位移隨路塹開挖呈現(xiàn)先緩慢增加后加速增加，最后減速收斂的變化趨勢(shì)。第二級(jí)開挖對(duì)隧道頂部位移產(chǎn)生的影響最大，此階段位移占比達(dá)到78%。在實(shí)際工程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注路塹第二級(jí)開挖，加強(qiáng)隧道頂部位移監(jiān)測(cè)。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好，誤差約為6%，說明本文數(shù)值模擬具有一定的有效性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李錦源（1986—），工程師，研究方向：道路與橋梁工程。