軟巖隧道開挖方法對變形影響數值模擬研究

黃成林，羅學東，呂喬森，3

(1.中國地質大學 工程學院，武漢 430074;2.寶鋼集團 新疆八一鋼鐵有限公司 礦山管理部，烏魯木齊 830022;3.新疆地質礦產勘察開發(fā)局，烏魯木齊 830000)

軟巖是一種特定環(huán)境下的具有顯著塑性變形的復雜力學介質，其工程巖體力學性質主要表現為非線性大變形力學特性。根據軟巖的非線性大變形力學特性，不同的開挖方式將會產生不同的圍巖變形結果［1-4］。采取合理的手段用于軟巖隧道開挖并對變形影響進行分析可以輔助指導施工，最大程度地避免施工事故發(fā)生。

有限差分法主要用于研究由巖土體及其它材料組成的結構體，在達到屈服極限后的變形破壞行為，其代表性的程序FLAC3D在計算中使用了“混合離散化”技術，使用全過程動力運動方程，采用“顯式”差分求解方法，在某種程度上克服了有限元和離散元不能統(tǒng)一的矛盾［5-7］。為研究不同開挖方式對軟巖隧道變形的影響，以某高速公路隧道為工程背景，采用 FLAC3D有限差分數值模擬方法，對圍巖在不同開挖方式下的力學響應行為進行數值模擬分析。模擬得到了全斷面開挖、分步開挖與預留核心土開挖這三種開挖方式下的隧道力學響應行為，并以此進行分析。

1 計算模型與模擬方案

1.1 研究對象

火車嶺隧道位于十堰至漫川關高速公路隧道K54+190—K55+960段，全長約1 770 m，縱向坡度為2.0%，地形起伏較大。隧道沿線主要出露圍巖巖性為絹云母石英片巖、絹云鈉長石英片巖等。結構面較發(fā)育，地層產狀多變，地表巖體風化破碎，深部巖體整體性良好，硬度中等。隧址區(qū)內地下水水量不豐富。

1.2 計算模型

數值模擬分析的結果是否符合實際以及可信度的大小取決于對地質原型的正確抽象，地質模型是計算模型的基礎，對工程地質條件的深入認識與抽象是建立合理的地質模型的重要前提。該隧道右線出口60 m埋深左右洞段，圍巖為強～弱風化絹云母石英片巖，結構面發(fā)育，產狀雜亂，圍巖級別為Ⅴ級。盡管從局部看各向異性明顯，但是在埋深不大的條件下，從整體來看，巖性和力學性能比較均一，因此，為簡化計算模型，本次模擬以單一地層來建模。

為保證計算的可靠性，消除邊界效應的影響，本模型的邊界范圍取為隧道有效高(寬)度的3倍左右(初期支護前，隧道凈高7.0 m，跨度12.0 m)。為模擬分析施工對隧道圍巖體時間及空間方面的影響，模型縱深方向長度取為50 m。

依照上述分析，建立隧道三維模型。共有114 240個單元，117 828個節(jié)點。模型中豎直向上為 Z軸正向，水平向右為 X軸正向，隧道軸向指向背面為 Y軸正向。

1.3 材料模型與邊界條件

在模擬分析隧道圍巖體物理力學響應時，隧道圍巖體材料選用Mohr-Coulomb塑性材料模型。依據隧道區(qū)巖體力學試驗成果，同時結合野外地質調查結果，對強～弱風化絹云母石英片巖巖體的力學參數進行了綜合取值，如表1所示。

表1 隧道圍巖體計算參數

按上述參數對模型賦值后，可計算出原巖應力場在Z方向的應力分布等值線云圖如圖1所示。由圖1可見，開挖前應力場均為壓應力，隧道埋深位置應力接近2 MPa，與現場埋設壓力盒讀數基本一致，說明模型建立和參數選擇比較合理。

圖1 開挖前Z方向應力分布等值線云圖(單位:MPa)

1.4 模擬方案

1)全斷面開挖的模擬過程

全斷面開挖10 m(開挖部分包括分步開挖中的上下臺階，不包括仰拱)→考慮施工實際情況，給予大約1 d的時步控制后，進行已挖10 m的初期支護(包括底板)→繼續(xù)全斷面開挖10 m，開挖長度達到20 m→給予大約1 d的時步控制后，進行第二個10 m的初期支護(包括底板)→按上述步驟再完成10 m的開挖和支護，使長度共達到30 m。

2)分步開挖的模擬過程

上臺階開挖10 m→大約1 d時間的時步控制后，進行上臺階已挖10 m的初期支護→上臺階繼續(xù)向前開挖10 m，同時下臺階開挖第一個10 m→大約1 d時間的時步控制后，進行前一步驟開挖部分的初期支護→上臺階向前開挖第三個10 m，同時下臺階開挖第二個10 m，仰拱開挖第一個10 m→大約1 d時間的時步控制后，進行前一步驟開挖部分的初期支護。最終，上臺階共開挖30 m，下臺階共開挖20 m，仰拱開挖10 m，并全部完成初期支護。

3)預留核心土開挖的模擬過程

上臺階開挖10 m，時步控制后進行初期支護→上臺階開挖10 m，掌子面處留2 m×2 m×2 m核心土，時步控制后進行初期支護。

2 計算結果分析

2.1 全斷面開挖模擬分析

全斷面開挖的模擬結果如圖2～圖5所示。

圖2 全斷面開挖Z方向位移等值線云圖(單位:m)

圖3 全斷面開挖X方向位移等值線云圖(單位:m)

圖4 全斷面開挖位移矢量云圖

圖5 全斷面開挖塑性區(qū)分布云圖

由模擬結果可見，Z方向最大位移約28 cm，發(fā)生在洞口附近正上部，同時在隧道底板有10～13 cm的底鼓;X方向最大位移約23 cm，位置在洞口附近靠近底板的位置，這是因為模擬中初期支護未加鎖腳錨桿，因此該處破壞最大也是與實際相符的。從圖5可以看出，隧道開挖后圍巖位移變化趨勢，大致上為洞頂下沉，兩側收斂，底部上鼓;在洞口兩側斜上方、掌子面附近及底板下方個別位置發(fā)生了剪切破壞，拉伸破壞極少出現，只在底板下方少量可見。

2.2 分步開挖模擬分析

分步開挖的模擬結果如圖6～圖9所示。

與全斷面開挖模擬結果對比可知，分步開挖后，塑性區(qū)明顯減少，只是在上下臺階掌子面附近發(fā)生部分剪切破壞，以及洞口兩側靠近底板附近有少量剪切破壞(如圖9所示);Z方向最大位移約20 cm，但位置不在洞口附近，而是在仰拱未封閉的已開挖上下臺階上部，在全斷面開挖中變形最大(達28 cm)的洞口上部相同位置，分步開挖向下變形量只有10 cm左右，已經大大降低，同時底鼓最大部位發(fā)生在上臺階部分，約17 cm，仰拱部位的底鼓只有2～5 cm;X方向最大位移只有4～5 cm，發(fā)生在洞口段邊墻處。全斷面開挖與分步開挖變形量對比數據見表2。

圖6 分步開挖Z方向位移等值線云圖(單位:m)

圖7 分步開挖X方向位移等值線云圖(單位:m)

圖8 分步開挖位移矢量云圖

圖9 分步開挖塑性區(qū)分布云圖

表2 全斷面開挖與分步開挖變形量對比

根據模擬結果，無論是全斷面開挖還是分步開挖，掌子面上均發(fā)生較大的Y方向變形，其中全斷面開挖時掌子面Y向(即隧道軸向)向洞口方向變形達40 cm，而分步開挖時上臺階掌子面在相同方向也發(fā)生了約20 cm的位移，如果不采取特殊的施工工藝，勢必導致掌子面的變形與垮塌。

2.3 預留核心土開挖模擬分析

預留核心土開挖模擬的目的是，為了得出掌子面Y向變形情況采用該方法施工，隧道軸向變形能否得到有效的控制。由于所留核心土遮擋了掌子面部分情況，可以采取截取掌子面剖面的方法，觀察其在Y向的位移，為了更清楚對比二者的區(qū)別，均截取了掌子面剖面上的Y向位移并繪出等值線云圖。模擬結果見圖 10、圖 11。

對比圖10、圖11可以看出，不留核心土時，上臺階掌子面區(qū)域變形較大部分呈扇形分布，且占據掌子面絕大部分(超過2/3)，其軸向變形超過25 cm;預留核心土施工后，變形較大部分急劇較少，呈極窄的弧線狀分布，而且變形量也減少，約20 cm，其它絕大部分變形在約10 cm。另外，從圖11也可看出，所留核心土部分Y向變形也不大，約10 cm。可見，預留核心土開挖對于抑制掌子面變形和垮塌的作用非常明顯，實際施工過程中還可以根據現場情況與數值模擬結果對核心土的大小進行調整，以滿足施工要求。

圖10 不留核心土掌子面上Y向位移等值線云圖(單位:m)

3 結論

圖11 預留核心土掌子面上Y向位移等值線云圖(單位:m)

1)根據數值模擬結果，應用全斷面開挖方式后，火車嶺隧道圍巖的變形大致表現為洞頂下沉，兩側收斂，底部上鼓;采用分步開挖方式可以減少圍巖塑性區(qū)，洞口兩側靠近底板附近有少量剪切破壞，X，Z方向位移得到抑制，但在仰拱未封閉的已開挖上下臺階上部的Z方向位移仍呈現較大值。但是無論哪種方法，均無法抑制掌子面上圍巖Y方向位移。

2)預留核心土開挖方式對于抑制掌子面變形和垮塌效果明顯。預留2 m的核心土即可使上臺階掌子面的扇形分布變形區(qū)域縮小為極窄的弧線狀，較分步開挖方式，Y方向位移減小至1/2。

3)數值模擬結果表明，預留核心土開挖方式可以有效地抑制圍巖在X，Y，Z方向位移，減小塑性變形區(qū)范圍，優(yōu)于全斷面開挖與分步開挖。實際施工過程中，還可以對核心土部分的大小進行調整，以滿足安全施工的需要。

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