老鴨嶺隧道Ⅳ級圍巖開挖方法三維數值分析比選

嚴 濤，金學松，王維嘉

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031;2.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

岳西—潛山高速公路是國家重點公路濟南—廣州公路的一段。第五合同段起于安慶市岳西縣青天鄉老鴨村，起點樁號K88+655，止于岳西縣來榜鎮楓樹村，終點樁號 K91+350，全長2 695 m。其設計時速80 km/h，標段由老鴨嶺隧道和少部分路基構成。老鴨嶺隧道為分離式2車道隧道，設計凈高為7.03 m，凈寬為10.50 m。左線隧道里程ZK88+680～ZK91+295長2 615 m，右線隧道里程 YK88+775～YK91+280長2 505 m，洞內設有4個人行橫洞及3個車行橫洞，兩洞內設有6個緊急停車帶。兩隧道凈間距在29～32 m之間，埋深在5～184 m之間，圍巖主要為花崗片麻巖，根據風化程度和埋深等指標劃分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，其中Ⅳ級圍巖占80%以上，因此，選擇正確的Ⅳ級圍巖開挖方法，是影響隧道施工安全、工程費用和工程進度的關鍵。由于兩隧道凈間距較大，左右線隧道施工干擾較小，本文取單線隧道進行分析。通過ANSYS大型有限元軟件對Ⅳ級圍巖采用全斷面開挖和上下臺階開挖進行了詳細的比較。

1 隧道三維模型

為了研究隧道開挖所造成的位移和應力狀態，以下述假定為前提［1］:

1)圍巖為均質的各向同性的連續介質;

2)只考慮自重造成的初始應力場;

3)隧道形狀以規則的圓形為主。

二次襯砌作為長期安全性儲備［2］，計算時不予考慮。初期支護由中空注漿錨桿、鋼筋網片、鋼拱架和早強混凝土組成，建模時初期支護統一考慮為襯砌，用4節點殼單元模擬，老鴨嶺隧道Ⅳ級圍巖襯砌結構設計見圖1所示。開挖圍巖以及隧道周邊圍巖用8節點實體單元模擬，圍巖采用彈塑性材料計算，屈服準則采用Drucker-Prager準則［3］，Ⅳ級圍巖及襯砌支護物理力學參數見表1。

取X方向為橫向，Y方向為豎向，Z方向為縱向隧道開挖前進方向。以隧道圓心為原點，模型X方向左右各取50 m，Y方向向上取20 m，向下取50 m，Z方向取48 m，將隧道沿 Z方向分成8個開挖段，以Z=24 m處即第4和第5交界面作為目標斷面，如圖2所示。對模型左右兩側邊界施加X方向的約束，下邊界施加Y方向的約束，上邊界為自由邊界，縱向約束Z方向位移。三維模型見圖3所示。

采用單元的“生”和“死”模擬隧道的開挖支護過程，隧道的開挖過程是通過殺死開挖部分的單元實現的，即把與死單元相關的剛度和荷載變為一極小值［4］，每步開挖長度為6 m;隧道的襯砌支護通過激活單元來實現，每步支護長度同樣為6 m。

老鴨嶺隧道Ⅳ級圍巖全斷面開挖數值分析計算中，將整個施工過程分成以下9步:第1步(自重應力場計算)→第2步(第1段開挖支護)→第3步(第2段開挖支護)→第4步(第3段開挖支護)→第5步(第4段開挖支護)→第6步(第5段開挖支護)→第7步(第6段開挖支護)→第8步(第7段開挖支護)→第9步(第8段開挖支護)。開挖支護完畢見圖4。

圖1 Ⅳ級圍巖襯砌結構設計

表1 Ⅳ級圍巖及襯砌支護物理力學參數

圖2 隧道斷面示意 (單位:m)

圖3 整體圍巖和襯砌網格

圖4 全斷面開挖支護完畢網格

采用上下臺階開挖將整個施工步分成以下17步:第1步(自重應力場計算)→第2步(第1段上臺階開挖支護)→第3步(第2段上臺階開挖支護)→第4步(第3段上臺階開挖支護)→第5步(第4段上臺階開挖支護)→第6步(第5段上臺階開挖支護)→第7步(第6段上臺階開挖支護)→第8步(第7段上臺階開挖支護)→第9步(第8段上臺階開挖支護)→第10步(第1段下臺階開挖支護)→第11步(第2段下臺階開挖支護)→第12步(第3段下臺階開挖支護)→第13步(第4段下臺階開挖支護)→第14步(第5段下臺階開挖支護)→第15步(第6段下臺階開挖支護)→第16步(第7段下臺階開挖支護)→第17步(第8段下臺階開挖支護)。上下臺階開挖支護完畢見圖5。

2 計算結果分析

2.1 地表沉降

圖6給出了兩種開挖工況下目標斷面在各施工步拱頂正上方的地表位移累積沉降量。從圖6中可以看出，兩種開挖工況下地表累積沉降量總體都成增加趨勢，全斷面開挖和上臺階開挖時，開挖到目標斷面前后地表位移有較顯著的變化，而當下臺階開挖到目標斷面前后地表位移沉降并不明顯。全斷面開挖的地表累積沉降量是12.221 mm，而采用上下臺階法開挖地表累積沉降量為12.454 mm，兩種開挖方法的地表累積沉降量均滿足規范要求。因此，在圍巖條件較好的Ⅳ級圍巖中，在滿足結構安全的前提下，減少對圍巖的擾動次數即采用全斷面開挖方法將減小由于開挖造成的地表沉降量。

圖5 上下臺階開挖支護完畢網格

圖6 兩種開挖工況地表位移累積沉降量

2.2 拱頂沉降

拱頂位移的發展是反應隧道穩定性的一個重要標志，過大的位移變形將造成隧道的凈空不足甚至破壞。圖7給出了兩種開挖工況下目標斷面在各施工步下隧道拱頂圍巖累積下沉的變化規律，兩種開挖工況下主洞開挖影響的范圍在2到3個開挖段范圍內，拱頂位移在全斷面開挖和上臺階開挖經過目標斷面的第5到第6施工步間有明顯的沉降，并隨著時間的增加，沉降趨于穩定。全斷面開挖時，拱頂累積沉降了12.074 mm，而上下臺階開挖累積沉降了12.428 mm。因此在巖性較好的圍巖中，且開挖不易坍塌，應采取減少圍巖擾動次數的全斷面開挖方法。

2.3 圍巖應力變化規律

圖7 兩種開挖工況拱頂圍巖累積沉降量

開挖前巖體處于初始應力狀態，謂之一次應力狀態;開挖后由于應力重新分布，圍巖處于二次應力狀態;開挖后為了使圍巖保持穩定而施加支護，這就是三次應力狀態［5］。兩種工況開挖完畢后目標斷面的圍巖應力值和圍巖應力圖分別見表2和圖8，兩種開挖方法所引起的應力分布規律基本一致，但大小不一，上下臺階法開挖圍巖所承受的最大拉應力是采用全斷面開挖圍巖所承受的最大拉應力的2倍，但全斷面開挖圍巖所承受的最大壓應力是上下臺階法開挖的所承受的最大壓應力的2倍多，由于圍巖能承受一定的壓應力，而承受拉應力的能力很差，因此從圍巖應力情況來比較，Ⅳ級圍巖開挖選擇全斷面開挖方法優于上下臺階法開挖。

表2 兩種開挖工況開挖完畢目標斷面圍巖應力MPa

圖8 兩種工況開挖完畢目標斷面主應力

2.4 襯砌變化規律

兩種工況開挖支護完畢后襯砌應力值及應力圖分別見表3及圖9。由表3可知采用上下臺階法開挖，襯砌所承受的最大拉應力比采用全斷面開挖時襯砌所承受的最大拉應力大0.83 MPa;但全斷面開挖襯砌所承受的最大壓應力比上下臺階法開挖時襯砌所承受的最大壓應力大4.24 MPa，由于襯砌能承受一定的壓應力，而承受拉應力的能力很差，為了減小襯砌所承受的拉力，宜采用全斷面開挖方法。圖9中全斷面開挖襯砌第1主應力和第3主應力的最大值均出現在邊墻底，施工此處襯砌時應盡量做到平滑圓順，避免出現應力集中破壞襯砌結構;上下臺階法開挖時第1主應力和第3主應力的最大值均出現在上下支護連接處，應盡量使上下支護連接順直，形成整體受力，減小連接處的應力。

表3 兩種開挖工況襯砌應力值 MPa

圖9 兩種工況開挖完畢襯砌主應力

3 結論

1)Ⅳ級圍巖開挖，相比采用上下臺階法開挖，采用減少對圍巖擾動次數的全斷面開挖將減少由于開挖造成的地表沉降量，若隧道上方地表有建筑物，對地表沉降有嚴格要求，應優先考慮采用全斷面開挖方法。

2)隧道開挖將引起開挖處拱頂位移有一個明顯的沉降，并隨著時間的增加，此處沉降趨于穩定，采用全斷面開挖拱頂累積沉降量相對較小。

3)圍巖承受拉應力的能力較差，而上下臺階法開挖圍巖所承受的最大拉應力是采用全斷面開挖圍巖所承受的最大拉應力的2倍，因此采用全斷面開挖更加安全。

4)襯砌結構也能承受一定的壓應力而承受拉應力能力較差，上下臺階法開挖襯砌所承受的最大拉應力比采用全斷面開挖時襯砌所承受的最大拉應力大0.83 MPa，應優先采用全斷面開挖方法。兩種開挖工況下，邊墻襯砌都是主應力集中的地方，施工時應盡量保證此處結構平滑圓順，減小應力，保證結構安全。

［1］李德武.隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］何川，李永林，林剛.聯拱隧道施工全過程三維有限元分析［J ］.中國鐵道科學，2005，26(2):34-38.

［3］雷升祥，周曉軍.渝懷鐵路彭水隧道出口大跨段施工方案的數值分析［J］.地下空間，2002，22(3):191-196.

［4］鄭余朝.深圳地鐵重疊隧道三維數值模擬分析［D］.成都:西南交通大學，2000.

［5］關寶樹.隧道力學概論［M］.成都:西南交通大學出版社，1993.