公路隧道三臺階七步開挖法力學響應研究*

王兆亮,孫 圣,劉守花,莊 帥

(1.淮安市建筑工程質量檢測中心有限公司,江蘇 淮安 223004; 2.中大智能科技股份有限公司,湖南 長沙 410036; 3.淮陰工學院建筑工程學院,江蘇 淮安 223003)

0 引言

目前,針對三臺階七步開挖法施工方面的研究較多,但對隧道開挖過程中受力機理的研究匱乏;調查發現,三臺階七步開挖法雖在隧道施工中應用廣泛,但對施工過程中支護、圍巖的力學行為認識不足,實際應用效果差異較大,主要體現在施工速度和安全控制方面。因此,為充分發揮隧道三臺階七步開挖法應用效果,確保隧道施工進度和安全,有必要開展隧道開挖過程中受力的變形研究。

本文依托某在建公路隧道工程,借助FLAC3D有限差分軟件建立三維數值模型,分析隧道掘進產生的各種物理力學參數,通過對比分析數值模擬結果與實測結果,并根據數值模擬結果分析開挖過程中位移、應力和圍巖塑性區規律,以期為后續隧道三臺階七步開挖法施工提供必要的理論依據。

1 工程概況

某在建公路隧道左、右兩洞分離,中線點至拱頂高度10.5m,左、右拱墻寬5m。隧道洞口段地層主要為亞黏土,含水量達23.3%,孔隙比為0.698,塑性指數為17.4,該段圍巖的自穩能力差。隧道采用三臺階七步開挖法掘進,參數(見圖1)為:循環進尺0.75m,核心土長6m,臺階間距3m。

圖1 三臺階七步開挖法示意

隧道采用復合式襯砌,開挖斷面為12.8m(寬度)×9.2m(高度),開挖面積為110.2m2。隧道超前支護采用超前小導管加固,小導管長4m,導管外徑50cm,環向間距50cm,縱向搭接1.2m。初期支護采用26cm厚C20混凝土,環向鋼拱架采用I18,縱向間距75cm,縱向采用φ22鋼筋連接,換線間距取80cm。二次襯砌采用45cm厚C25混凝土。

2 隧道開挖三維數值模擬

2.1 隧道開挖數值模型建立

根據現場地質條件和施工過程建立三維隧道開挖數值模型,為消除模型邊界對數值模擬結果的影響,模型的橫向寬度取120m(約10D,D為洞徑);沿線路縱向長度為60m;豎向自隧底向下取48m。模型側面限制水平位移,底面限制豎向位移。

巖體采用三維實體單元(zone)模擬,服從Mohr-Coulomb屈服準則,初期支護單元選擇三維殼單元(shell),仰拱、二次襯砌選擇三維實體單元(zone),初期支護、仰拱和二次襯砌均按彈性體考慮。該模型單元總數327 920個,結點總數 342 306 個。具體參數如表1所示,其中巖體的體積模量(K)、剪切模量(G)由式(1)和式(2)換算獲得,初期支護的彈性模量按式(3)折算獲得。

表1 數值模型參數

(1)

(2)

E=E0+(Sg·Eg)/Sc

(3)

式中:E為折算后的混凝土彈性模量(GPa);E0為原混凝土彈性模量(GPa),混凝土強度等級為C20;Eg為鋼拱架(I18)彈性模量(GPa),Eg=210GPa;Sg為鋼拱架截面面積(cm2),取30.756cm2;Sc為噴射混凝土截面面積(cm2),取1 950cm2。

將各參數代入式(3)計算可得:E=24.3×109Pa。

2.2 三臺階七步開挖法施工步模擬

具體施工流程為:①初始地應力場模擬;②拱部超前支護,開挖上弧導坑,施作初期支護;③左、右、中臺階交錯施工,施作支護,且左、右保持錯開3m;④左、右交錯開挖下臺階邊墻,施作支護并左、右保持錯開3m;⑤中、下臺階預留核心土開挖;⑥仰拱斷面土體開挖,二襯、仰拱每9m施作1次。循環進尺為0.75m。

3 隧道開挖數值模擬結果

根據實際施工步建立隧道開挖的FLAC3D模型,分析圍巖、支護結構的物理力學狀態。選取中間斷面的拱頂(A點)、地表(B點)和拱腰(C點)作為主要特征點(見圖2),分別對三臺階七步開挖法施工中位移、應力和圍巖塑性區進行分析。

圖2 特征點位置

3.1 位移分析

3.1.1整體位移分析

臺階法7個施工步均通過監測斷面后的總豎向位移云圖如圖3所示,由云圖看出,拱頂最大豎向位移10.5cm,隧道底部隆起約10.1cm。地表沉降在水平方向上的作用跨度約為3.5倍洞徑,在路線前進方向超前于上導洞開挖面約1倍的開挖洞徑。

圖3 豎向位移云圖

3.1.2數值模擬與實測結果對比分析

臺階法7個施工步開挖依次監測通過斷面過程中,拱頂(A點)數值計算豎向沉降量和3個斷面實測沉降量對比、拱頂(A點)縱向數值計算位移與3個斷面實測位移對比及邊墻(C點)計算收斂分別如圖4～6所示。

圖4 拱頂沉降對比

由圖4和圖5看出,各施工步依次通過典型斷面時數值模擬結果和現場實測結果趨勢相同,平均誤差為17.9%,數值模擬參數選取合理,計算結果可靠。同時看出,數值模擬結果小于現場實測結果,主要是由于數值模擬中圍巖假設為均一的彈塑性體,但現場圍巖復雜;且模擬設計時各施工步是依次有序銜接,即隧道開挖完成,立即運行施作初期支護,未體現現場施工的時間效應。數值模擬中拱頂穩定沉降值為10.2cm,其中上臺階開挖后拱頂沉降值為5.64cm,占總沉降的55.3%。現場實測數據中(斷面1)拱頂穩定沉降值為17.6cm,其中上臺階開挖后拱頂沉降值為10.2cm,占總沉降的58.0%;拱頂縱向位移穩定值為2.65cm,其中上臺階開挖后拱頂縱向位移為1.47cm,占總位移的55.5%;其他施工步開挖造成的拱頂位移值大致相同,仰拱施作后初期支護閉合成環拱頂沉降值趨于穩定。

圖5 拱頂縱向位移對比

圖6顯示各施工步通過典型斷面時邊墻的收斂過程,穩定收斂值為2.8cm,其中上導洞開挖后的收斂值為1.8cm,占穩定收斂值的64.3%;其他施工步開挖對邊墻收斂影響大致相同,其中下左導、下右導、仰拱開挖施工較上左導、上右導及核心土開挖對邊墻位置處收斂影響大。

圖6 邊墻收斂

各工序依次通過監測斷面時地表特征點(B點)沉降分析對比曲線如圖7～9所示。

圖7 地表特征點B沉降對比

圖7顯示,3個斷面地表特征點B現場實測沉降值較數值計算值大,數值計算結果與現場實測結果的相對平均誤差為13.5%。各施工步依次通過典型斷面直至穩定后地表總沉降為5.7cm,上導洞開挖后地表沉降為3cm,占總沉降的52.6%,其他各施工步開挖對地表特征點沉降的影響大致相同。

圖8所示數值模擬結果顯示,地表沉降槽顯示基本上對稱,左、右交替施工對中心線的偏離影響不明顯,掌子面推進才是地表沉降的主要影響因素。由圖9所示數值模擬結果看出,與掌子面距離越遠地表沉降越小,上導洞開挖對地表沿縱向沉降影響最大。所以,控制上導洞開挖時掌子面的穩定性是三臺階七步開挖法施工的關鍵。

圖8 地表水平沉降曲線

圖9 地表縱向沉降曲線

3.2 應力分析

圍巖的大、小主應力云圖如圖10,11所示,體現的是隧道的應力狀態。由圖看出,最大和最小主應力呈左右對稱分布,圍巖應力場分布隨斷面各施工步開挖而變化。初始應力場因隧道開挖而發生改變,應力重分布,同初始狀態相比,在拱頂一定區域內的圍巖應力狀態改變,形成低應力區;在隧道兩側邊墻的中部及仰拱區域的圍巖,最大主應力在應力變化中向逐漸增大的方向發展,隨著開挖的進行,應力逐漸往某一區域增大擴展,最終在拱腰位置處顯現(即開挖跨度最大處)。

圖10 最大主應力云圖

圖11 最小主應力云圖

3.3 圍巖塑性區分析

1個施工循環完成時隧道周邊圍巖塑性區分布如圖12所示,由圖看出,隧道周邊圍巖塑性區在隧道施工時貫通,影響范圍沿橫向約0.4D,隧道前方土體在開挖方向上的塑性區,超前上導洞掌子面的距離在約0.5D,地表塑性區在開挖方向與上導洞前進距離體現較好的一致性;橫斷面塑性區隨開挖推進分布區域不同,拱腳位置變化尤為明顯,在隧道前進方向,塑性區超前上導洞掌子面的距離在0.5D,不同點在于橫斷面塑性區主要受上導洞推進的影響;核心土體提供的側向力對掌子面的穩定性起積極作用,所以該區域內掌子面未出現塑性區。

4 結語

1)拱頂位置和地表沉降的數值模擬結果與現場實測結果平均誤差分別為17.9%,13.5%,說明數值模擬參數選取合理,計算結果可靠。

2)數值計算結果和實測結果表明,上臺階開挖誘發的變形超過隧道總體變形的50%,該施工步是三臺階七步開挖法中控制圍巖穩定性的關鍵環節,而初期支護及時地形成閉環對控制總體變形有較好效果。因此,上臺階開挖是隧道開挖中確保圍巖穩定和限制圍巖變形的關鍵一環,施工時應加強該工序的動態過程控制。

3)圍巖應力因隧道開挖而重新分布,拱頂附近圍巖形成較大范圍的低應力區,而拱腰處圍巖出現應力集中現象,支護設計時應適當提高拱腰部位襯砌強度。

4)隧道前方土體的縱向塑性區超前上導洞掌子面約為0.5D,后續在亞黏土地層中進行三臺階七步法開挖時,超前支護沿縱向應≥0.5D;地表塑性區縱向與上導洞推進里程基本一致;核心土體對應掌子面未出現塑性區,核心土有利于掌子面穩定。