廈門文興路隧道臺(tái)階法施工數(shù)值模擬

羅熾華 李正波

(中鐵二十三局集團(tuán)第八工程有限公司，四川 成都 610091)

1 工程概況

廈門市文興路隧道工程地質(zhì)狀況極其復(fù)雜，左線隧道ZK1+200～ZK1+600段東側(cè)臨近水庫，平面最小距離20 m左右，隧道頂距離水庫底部40多米，隧道與水庫的平面關(guān)系見圖1。隧道洞身穿越F3斷層破碎帶(ZK1+309～ZK1+328，YK1+335～YK1+390)，斷層破碎帶與東山水庫相連，屬于壓扭性斷裂帶。該地區(qū)構(gòu)造裂隙發(fā)育，不排除其他地段裂隙水與東山水庫地表水有連貫的可能性等狀況。

圖1 水庫與隧道的平面關(guān)系

東山水庫平行于左線隧道，在其東側(cè)20 m。枯水期水庫儲(chǔ)量不大，有水面積小，枯水期水深3 m～4 m，庫容量5萬m3～6萬m3，雨季水庫最大容量75萬m3。如果水庫在斷層帶存在滲漏，對隧道開挖將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，且隧道開挖引起的水庫滲漏沒有合理的治理，將給水庫蓄水帶來較大影響。

2 數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬基于大型巖土工程有限差分軟件FLAC3D，由于三維模型計(jì)算分析相當(dāng)耗時(shí)，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，考慮各種最不利的因素，僅取 ZK1+250～ZK1+300段做分析，此段里程含有構(gòu)造裂隙發(fā)育帶、緊急停車帶，隧道施工為短臺(tái)階法和CD法，三維有限差分模型如圖2，圖3所示，總共155100個(gè)單元，161874個(gè)節(jié)點(diǎn)。

弱風(fēng)化花崗巖巖層和支護(hù)混凝土采用彈性的本構(gòu)模型，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和裂隙發(fā)育帶采用m-c理想彈塑性本構(gòu)模型，各巖層和混凝土參數(shù)分別見表1，表2。

水庫的邊界條件比較復(fù)雜，本次計(jì)算僅對水庫的水壓作等效水壓力處理，未考慮庫水滲流及其流固耦合。

計(jì)算結(jié)果如下:

圖2 整體三維有限差分模型

圖3 局部隧道模型

三維模型中隧道里程方向前10 m采用短臺(tái)階法開挖，中間30 m采用CD法開挖，后10 m采用短臺(tái)階法開挖，并且隧道斷面采用緊急停車帶的斷面。計(jì)算過程中開挖階段考慮荷載釋放30%，初期支護(hù)階段荷載釋放60%，復(fù)合式襯砌階段荷載釋放10%，對于坐標(biāo)軸的Y向?qū)?yīng)為豎直方向，X向?qū)?yīng)為隧道橫斷面方向，Z向?qū)?yīng)為隧道里程方向，實(shí)際的ZK1+250～ZK1+300段對應(yīng)模型中的0 m～－50 m。

表1 地層參數(shù)

表2 混凝土參數(shù)

1)左側(cè)隧道0 m～－10 m臺(tái)階法開挖完后初期支護(hù)結(jié)果。

從圖4～圖8可以看出隧道的最大拱頂沉降為0.7 mm，側(cè)墻為0.2 mm，初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力為5 MPa，最大拉應(yīng)力為0.8 MPa。因此，隧道在弱風(fēng)化的花崗巖中掘進(jìn)時(shí)，圍巖、初期支護(hù)的位移、應(yīng)力都處于可控范圍之內(nèi)，隧道施工安全。

圖4 初期支護(hù)Y向位移（一）

圖5 初期支護(hù)X向位移（一）

2)左側(cè)隧道CD法開挖－10 m～－40 m和右側(cè)隧道臺(tái)階法開挖0 m～－5 m。

圖6 初期支護(hù)第一主應(yīng)力（一）

圖7 初期支護(hù)第二主應(yīng)力（一）

圖8 初期支護(hù)第三主應(yīng)力（一）

圖9 初期支護(hù)Y向位移（二）

a.初期支護(hù)的位移、應(yīng)力結(jié)果。

基于隧道施工最不利的力學(xué)影響因素以及模型簡化的考慮，計(jì)算過程中假設(shè)模型中的隧道里程－10 m～－40 m段全部穿越裂隙發(fā)育帶，并且左隧道超前右隧道35 m開挖。初期支護(hù)的位移、應(yīng)力結(jié)果見圖9～圖13。

圖10 初期支護(hù)X向位移（二）

圖11 初期支護(hù)第一主應(yīng)力（二）

圖12 初期支護(hù)第二主應(yīng)力（二）

圖13 初期支護(hù)第三主應(yīng)力（二）

b.復(fù)合式襯砌的位移、應(yīng)力結(jié)果。

從圖14～圖18可以看出隧道的初期支護(hù)施作完后，初期支護(hù)的最大拱頂沉降為5.5 mm，而復(fù)合式襯砌施作完成后，初期支護(hù)的最大拱頂沉降為5.9 mm，原因是由于隧道開挖引起的荷載釋放在開挖階段和初期支護(hù)階段已經(jīng)基本完成，因此，二次襯砌承受荷載較小，符合二次襯砌作為支護(hù)儲(chǔ)備的設(shè)計(jì)原則，因此，二襯完成后，隧道沉降值變化不大。

圖14 復(fù)合式襯砌Y向位移

圖15 復(fù)合式襯砌X向位移

從上述應(yīng)力云圖可以得出初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力為10 MPa，最大拉應(yīng)力為1 MPa，而復(fù)合式襯砌的最大壓應(yīng)力為10 MPa，最大拉應(yīng)力為2 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳附近，因此，在施工過程中應(yīng)重點(diǎn)保證這部分的施工質(zhì)量。

圖16 復(fù)合式襯砌第一主應(yīng)力

圖17 復(fù)合式襯砌第二主應(yīng)力

圖18 復(fù)合式襯砌第三主應(yīng)力

3 結(jié)語

隧道在開挖的過程中遭遇構(gòu)造裂隙發(fā)育帶，所以在此過程中，開挖引起的位移較隧道在弱風(fēng)化巖層中推進(jìn)工況的大，并且該區(qū)與水庫之間存在水力聯(lián)系的可能性，一旦水力聯(lián)系存在，勢必會(huì)進(jìn)一步引起隧道圍巖的弱化，并且會(huì)進(jìn)一步加速開挖后圍巖位移的發(fā)展。

[1]廈門市市政建設(shè)開發(fā)總公司.廈門富水復(fù)雜地層城市隧道修建關(guān)鍵技術(shù)研究[R].廈門:廈門市市政建設(shè)開發(fā)總公司，2011.

[2]陳 濤.隧道玻璃纖維錨桿全斷面預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2008.

[3]李傳富，梅志榮.高原高寒凍土隧道滲漏水防治技術(shù)的試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，42(4):44-49.