花崗巖隧道開挖圍巖變形特性數值分析

郭 慶,郭顏沛,蘭素戀,劉友能

(1.中鐵十七局集團第一工程有限公司,山東 青島 266500;2.廣西職業技術學院,廣西 南寧 530226;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;4.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007)

0 引言

隧道建設是公路、鐵路工程中施工難度最大、技術含量最高的系統性工程之一。隧道開挖誘發的圍巖穩定性問題一直以來都是工程界研究的焦點,在隧道開挖期間,對圍巖變形進行合理地預測和控制對保證隧道施工安全具有十分重要的意義[1]。近年來國內外有關學者在隧道開挖誘發圍巖變形方面開展了較為深入的研究,例如甘安武等[2]建議采用BP(back propagation)神經網絡方法反演以獲得隧道圍巖的力學參數,并基于強度折減法對隧道圍巖的穩定性進行數值模擬,分析隧道拱頂沉降情況,并通過參數擬合給出圍巖的自穩系數;軒元等[3]采用Midas GTS有限元分析軟件對不同施工條件下的紅河隧道工程進行了三維數值計算分析;戚翼等[4]采用FLAC 3D軟件對哈爾濱地鐵二號線隧道工程進行了三維建模,并模擬分析了隧道開挖前后拱頂和地表位移的變化趨勢。由于地質條件、支護結構及施工工藝等因素的影響,在實際工程施工時常常會出現一定程度上的不穩定現象。因此,研究施工過程中隧道圍巖的變形情況并有效地預防或減少不穩定現象的發生具有重要意義[5-6]。

廣西花崗巖分布廣泛,分布區主要包括桂東南、桂南、桂東及桂北、桂東北等區域,揭露花崗巖巖組面積約為19 393.4 km2[7]。“十四五”期間,隨著廣西快速公路網建設的迅速推進,高速公路、鐵路建設大范圍地穿越花崗巖地區,花崗巖隧道開挖的穩定性問題受到了越來越多的關注。為了更加深刻地認識花崗巖隧道開挖所誘發的圍巖變形的規律,本文在相關研究的基礎上,以國道G219防城港峒中至東興公路工程馬鞍坳隧道為例,采用大型有限元分析軟件ABAQUS,對花崗巖隧道開挖過程中圍巖的變形規律和關鍵點位移的變化情況進行數值模擬,其研究成果可供同類工程借鑒。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

所研究隧道位于防城港市防城區峒中鎮,為分離式隧道。隧道從防城港市防城區大坑村穿入,自防城區高林瑤寨穿出。隧道右線起于K4+425,終于K8+180,全長3 755 m,隧道路基設計高程為295.364～381.764 m,最大埋深約為385.77 m,約位于K6+510處;左線起于ZK4+405,終于ZK8+175,全長3 770 m,隧道路基設計高程為295.671～381.513 m,最大埋深約為402.22 m,約位于ZK6+500處。隧道峒中端洞口位于半徑R=600 m的圓曲線上,東興端洞口左線位于半徑R=1 500 m圓曲線上,其余均為直線段,隧道左、右線縱坡均為i=-2.39%。左右線均屬特長隧道,隧道進、出口均采用削竹式洞門。隧道縱斷面設計綜合考慮了隧道長度、通風、排水、洞口位置及洞口線形等因素。

1.2 不良地質與水文地質條件

(1)隧址未發現不良地質作用和特殊性巖土。

(2)隧道地區內地表水主要為沖溝水,隧道進出口均有沖溝存在。隧道進口附近沖溝位于隧道北側,距離隧道最近處約60 m,屬季節性沖溝,自東向西流,峰水季節水量較大,枯水季節干涸。此外,該沖溝于K5+500附近與隧道斜交,該處隧道埋深約230 m,主要巖土體為微風化花崗巖,為弱透水層,故沖溝對隧道的影響較小。隧道出口附近沖溝位于隧道東側,距離隧道最近處約140 m,屬季節性沖溝,自北向南流,峰水季節水量較大,枯水季節干涸,該沖溝對隧道的影響較小。

(3)隧道區地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙水和侵入巖風化帶的網狀裂隙水。第四系覆蓋層中的孔隙水主要接受大氣降水的深入補給,含水層賦水性差,地下水位變化大,平時干涸無水。侵入巖風化帶的網狀裂隙水主要由大氣降水補給,通過構造裂隙、層間裂隙和風化裂隙作短距離徑流,在地形切割低洼處以散流、泉的形式排出地表,匯集成溝溪,一般泉水多為季節泉,枯水季節干涸。

1.3 隧道開挖方式

隧道有Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖分布,其中Ⅴ級圍巖主要分布于隧道進出口段,局部在洞身段,圍巖為強-中風化花崗巖,裂隙很發育-發育,節理裂隙向下切割隧道圍巖,局部巖塊松動,易形成危巖。根據新奧法原理,隧道洞身采用初期支護和二次襯砌相結合的復合式襯砌進行變形控制,即以錨桿、濕噴混凝土、型鋼鋼架等為初期支護,模筑混凝土為二次襯砌。隧道施工方法采用臺階,最大斷面寬度設置為10.6 m,洞高8.65 m,最大埋深約為402 m。該區段內不考慮地表水與地下水對工程的影響。隧道的斷面尺寸如圖1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 數值模型的建立

利用有限元分析軟件ABAQUS對隧道進行建模分析[8],如圖2所示。為研究隧道開挖圍巖的變形演化規律,模擬山區隧道情況,模型的長、寬分別設置為108 m和30 m,左側和左側高度分別為88 m和48 m,共計45 075個單元。對模型底部變形進行完全約束,模型兩側限制x方向位移,前后限制y方向位移。

圖2 有限元計算模型圖

2.2 計算參數選取

研究工程區段內,圍巖主要以Ⅴ級圍巖為主。采用摩爾-庫侖本構模型進行巖體建模,初期支護由噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網及工字鋼鋼架(或格柵鋼架)組成,采用模筑混凝土為二次襯砌,與初期支護組成復式襯砌。圍巖巖體的物理力學參數如表1所示,混凝土、鋼架和錨桿所對應的物理力學參數如表2所示。

表1 圍巖巖體物理力學參數表

表2 混凝土、型鋼及錨桿的物理力學參數表

2.3 模型分析方案

隧道開挖方法采用臺階預留核心土法,開挖順序如圖3所示。首先開挖上臺階,隨后開挖左、右兩側邊墻,最后開挖下臺階,開挖掘進尺度為2 m,每步開挖后進行相應的初期支護和臨時支護[9]。在模擬過程中,通過鈍化和激活相關網格,以施加和消除邊界和荷載條件,主要步驟為:施加地應力,為消除地應力對變形的影響,應力施加后系統自動對位移進行歸零處理;通過網格的鈍化和激活操作,對開挖和和支護步驟進行模擬。

圖3 臺階預留核心土法工序示意圖

3 數值計算結果分析

3.1 開挖過程中圍巖變形分析

在隧道施工過程中,隧道的開挖會誘發周圍巖土發生變形,從而影響隧道的穩定性。本研究隧道采用預留核心土法進行開挖,每開挖3次循環,進行二次襯砌,直至隧道開挖完畢。限于篇幅,本文取第3個循環、第8個循環、第15個循環和第41個循環時,隧道洞口的位移狀態進行分析,如圖4所示,圖中給出了不同循環開挖循環次數下圍巖的豎向位移云圖。

(a)第3個循環

由圖4可以看出,隧道開挖后,其底部核心土出現隆起現象,最大隆起位置出現在底部核心土中軸線上附近的臨空面,其位移達到12.9 mm;在中軸線上,隨著位置遠離臨空面,核心土的隆起量減小。同時,隧道拱頂表現出一定的沉降特性,最大沉降量發生在距離中軸線3 m的左側拱頂部位;隨著坐標遠離該位置,圍巖的沉降量逐漸減小。在不同的開挖循環下,拱頂的沉降位移和仰拱的隆起位移均表現出上述類似的規律,在第8、第15和第41個開挖循環下,隧道上部的最大沉降位移分別為14.3 mm、15.2 mm和15.3 mm,隧道下部的最大隆起位移則分別為16.9 mm、19.4 mm及19.1 mm,而且隨著開挖施工的不斷推進,隧道的最大隆起值和最大沉降量逐漸增加。

3.2 洞口關鍵點變形分析

前文根據位移云圖對圍巖的變形進行了整體分析,為了更好地對圍巖變形進行控制,以下對模擬開挖過程中隧道洞口拱頂、拱腰及拱腳等關鍵位置的變形曲線進行監測,如圖5所示。由圖5可知,在開挖過程中,隧道上部圍巖整體表現出沉降趨勢,而隧道下部圍巖呈現隆起趨勢。

圖5 關鍵部位豎向位移隨施工步驟變化時程曲線圖

對于拱頂位移,在前十個施工步中,拱頂豎向沉降迅速增長至12.5 mm,隨著開挖的繼續進行,拱頂沉降逐漸趨于穩定,最大沉降為14.5 mm。拱腰的沉降趨勢與拱頂相似,但其沉降量相對于拱頂較小,左、右拱腰的穩定沉降分別為12 mm和5 mm。此外,由于山體左高右低,在地應力的影響下,穩定后左拱腰的沉降量較右拱腰的沉降量大8.5 mm。

拱底變形情況可大致分為三個階段,即快速隆起階、緩慢隆起階段及穩定階段。仰拱未開挖之前,由于其他部位的開挖擾動對仰拱造成擾動,拱底迅速隆起,隆起速率在仰拱開挖后逐漸變緩,并在二襯閉合后趨于穩定,拱底最大隆起量為18 mm。隨著開挖的進行,拱腳表現出先迅速隆起后緩慢沉降并最終穩定的趨勢,其隆起量相對拱底較小,左、右拱腳在穩定后的隆起位移分別為7.5 mm與1 mm。

4 結語

本文以馬鞍坳隧道為例,利用有限元分析軟件ABAQUES對開挖過程中隧道洞口圍巖變形及關鍵點位移變化規律進行分析,得到的結論如下:

(1)拱頂與拱底的變形在初始開挖時較大,并隨著開挖的進行,變形速率逐漸減小。開挖結束時,花崗巖隧道的總體變形較小,隧道上部最大沉降為15.3 mm,隧道下部最大隆起位移為19.1 mm。

(2)隧道的開挖會引起拱頂沉降與拱底隆起,變形曲線可劃分為快速隆起階段、緩慢隆起階段及穩定階段三個特征階段。仰拱開挖之前,拱頂和拱底的變形速率較快;在二襯閉合后,拱頂和拱底的位移保持穩定。

(3)左、右兩側拱腳表現出隆起變形,左、右兩側拱腰則表現出沉降變形。受地應力分布影響,隧道左側拱腳、拱腰相對于右側隧道發生更大的豎向變形。

(4)最大隆起位置出現在底部核心土至中軸線上附近的臨空面,最大沉降量則發生在距離中軸線3 m的左側拱頂部位,開挖過程中應注意采取相應的支護措施。