高地應(yīng)力條件下深埋隧道開(kāi)挖方式數(shù)值優(yōu)選及工程應(yīng)用

楊彥亮，李錫波，毛洪錄

(1.聊城市公路工程總公司第三工程處，山東聊城 252000;2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250031;3.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南 250061)

0 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展和國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下的深挖高填工程日趨增多，尤其是長(zhǎng)大、深埋的隧道工程。深埋隧道中因高地應(yīng)力的存在，易引起巖爆、流變、斷層軟巖擠入大變形等典型災(zāi)害，為工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)及施工帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［1］，因此亟需對(duì)高地應(yīng)力條件下隧道的施工響應(yīng)進(jìn)行模擬、分析。因其顯著的物理非線性、結(jié)構(gòu)非線性和接觸邊界非線性等幾何和力學(xué)特征，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)手段遇到非常大的困難，因此現(xiàn)階段主要采用數(shù)值分析和模型試驗(yàn)等手段對(duì)其進(jìn)行研究。趙旭峰等［1］使用ANSYS軟件對(duì)深埋軟巖隧洞施工力學(xué)形態(tài)和變形時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行了三維非線性黏彈性數(shù)值模擬分析，并基于與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析得到了一些定性的認(rèn)識(shí)。張志強(qiáng)等［2］和陶波等［3］使用FLAC對(duì)高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。朱維申等［4］對(duì)高地應(yīng)力條件下地下洞室開(kāi)挖過(guò)程中的力學(xué)及變形規(guī)律進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析。劉招偉等［5］針對(duì)烏鞘嶺隧道高地應(yīng)力段出現(xiàn)的初期支護(hù)大變形問(wèn)題，通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)不同支護(hù)條件下的隧道變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)、分析。

關(guān)于不同開(kāi)挖方法對(duì)隧洞施工過(guò)程力學(xué)和變形響應(yīng)的研究分析，現(xiàn)階段以數(shù)值手段為主。段慧玲等［6］對(duì)不同圍巖等級(jí)條件下大跨度隧道施工方法進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值比選，并給出了相應(yīng)合理的開(kāi)挖方法。湯勁松等［7］結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)破碎圍巖下大跨扁平隧道的開(kāi)挖和支護(hù)方式進(jìn)行了數(shù)值和理論分析。然而，現(xiàn)有成果對(duì)下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法的相關(guān)研究和經(jīng)驗(yàn)介紹較少，特別是對(duì)高地應(yīng)力條件下隧道開(kāi)挖方法如何選取、不同開(kāi)挖方式的影響規(guī)律和適應(yīng)條件的研究更為少見(jiàn)。

某隧道由于埋深較大，具有顯著的高地應(yīng)力特征，原設(shè)計(jì)中深埋段采用全斷面法，但施工過(guò)程中多次出現(xiàn)圍巖剝落掉塊、支護(hù)結(jié)構(gòu)扭曲破壞等現(xiàn)象，因此擬改進(jìn)開(kāi)挖方式。由于隧道圍巖巖性為砂巖，不適宜采用分部過(guò)多的CD法、CRD法及預(yù)留核心土環(huán)形導(dǎo)坑等開(kāi)挖方法，經(jīng)初步比選擬采用下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法或上下臺(tái)階法，為論證擬采取方案的可行性，本文利用有限差分軟件FLAC3D針對(duì)高地應(yīng)力條件，對(duì)不同開(kāi)挖方式的隧道斷面位移場(chǎng)、塑性區(qū)及應(yīng)力場(chǎng)的分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析，并據(jù)此推薦了最優(yōu)施工方法。

1 工程概況

隧道采用分幅式，全長(zhǎng)約7 500 m，隧道最大埋深約678 m，屬特長(zhǎng)深埋隧道。隧道屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕中低山深切溝谷地貌區(qū)，地形切割較深，溝谷斜坡地貌發(fā)育，峰頂呈渾圓狀，丘脊寬緩，山嶺穿越區(qū)地形切割較強(qiáng)，山間溝谷發(fā)育，溝谷峽窄。施工過(guò)程中開(kāi)挖揭露圍巖發(fā)育有褶皺等小型構(gòu)造，圍巖軟硬交替，且具有高地應(yīng)力特點(diǎn)，施工中多處出現(xiàn)偏幫、擠壓掉快，圍巖沿錨桿層狀剝落致使支護(hù)扭曲破壞等現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)扭曲及擠壓掉塊Fig.1 Phenomena of support structure distortion and localized rock fall

2 隧道施工數(shù)值模擬

本文選取三維快速拉格朗日有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過(guò)程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)所研究?jī)?nèi)容，根據(jù)工程地質(zhì)、構(gòu)造特點(diǎn)，并結(jié)合類似數(shù)值計(jì)算經(jīng)驗(yàn)［8－11］選取并確定了數(shù)值計(jì)算模型。

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)圣維南原理和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)、結(jié)論可知隧道開(kāi)挖影響范圍為洞徑的3～5倍，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃?jiǎn)化。模型計(jì)算范圍:水平方向x軸長(zhǎng)度取120 m，豎直方向y軸取120 m，縱向z軸沿隧道軸線方向取90 m。

模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，模型上部施加邊界應(yīng)力，其等效地應(yīng)力由σz=γh確定(γ為上覆巖層的平均加權(quán)容重;h為上覆巖層總厚度［11］，計(jì)算取 γ =24 kN/m3，h=620 m，得 σz=14.88 MPa)，水平應(yīng)力結(jié)合隧道地質(zhì)資料及相關(guān)應(yīng)力數(shù)據(jù)資料按垂直地應(yīng)力的1.2倍取值，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 隧道計(jì)算模型Fig.2 Computation model of tunnel

2.2 力學(xué)參數(shù)及邊界條件

計(jì)算中屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，并考慮巖體的受拉屈服、彈塑性變形及大變形。圍巖材料模型采用 Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，開(kāi)挖采用FLAC3D中的Null模型，復(fù)合式支護(hù)中的初期支護(hù)采用FLAC3D中的Shell結(jié)構(gòu)單元。

初期支護(hù)采用10 cm厚的C20噴射混凝土，φ8鋼筋網(wǎng)片。對(duì)于支護(hù)中采用的錨桿(φ22砂漿錨桿，長(zhǎng)3 m，梅花型布置，間距1.2 m)，計(jì)算過(guò)程中根據(jù)作用等效原則來(lái)考慮，即提高圍巖的黏聚力和摩擦角來(lái)替代錨桿的作用，由于摩擦角改變較小，不予考慮，錨固圍巖體的黏聚力

式中:C0為未加錨桿時(shí)圍巖的黏聚力;C為加錨桿時(shí)圍巖的黏聚力;τ為錨桿最大抗剪應(yīng)力;Sm為錨桿的面積;a，b分別為錨桿的縱、橫向間距;η為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可取2～5。

鋼拱架的作用可采用等效的方法來(lái)考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土［13］，按式(2)進(jìn)行折算。

式中:E為折算后混凝土彈性模量;E0為原混凝土彈性模量;Sg為鋼拱架截面積;Eg為鋼材彈性模量;Sc為混凝土截面積。

根據(jù)該隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及相關(guān)地質(zhì)勘測(cè)資料，圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2.3 開(kāi)挖方案

為模擬實(shí)際施工開(kāi)挖順序，沿z軸方向以3 m長(zhǎng)度為一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)行模擬;采用如下開(kāi)挖方案:分15步開(kāi)挖，共開(kāi)挖45 m(自Z=0開(kāi)挖至Z=45)，下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法先行開(kāi)挖下導(dǎo)洞，而后開(kāi)挖上弧部，臺(tái)階法先行開(kāi)挖上臺(tái)階，而后開(kāi)挖下臺(tái)階。以Z=18斷面的位移場(chǎng)、塑性區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)為研究對(duì)象，分析判斷圍巖的穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 位移場(chǎng)分析

隧道水平收斂和拱頂下沉量測(cè)是監(jiān)控量測(cè)的主要內(nèi)容，也是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化的最直觀反映［14］。表2為采用不同開(kāi)挖方式時(shí)隧道周邊位移的計(jì)算值，采用下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法施工時(shí)，隧道拱頂下沉、水平收斂和拱肩位移(此處拱肩位移指上部4/5隧道內(nèi)斷面高度處測(cè)點(diǎn)在xy平面內(nèi)的合位移)最大，采用全斷面法時(shí)，拱頂下沉最小，采用臺(tái)階法時(shí)，水平收斂和拱肩位移最小。

表2 隧道周邊位移計(jì)算值Table 2 Calculated displacement of surrounding rock mm

巖體工程開(kāi)挖變形具有很強(qiáng)的時(shí)空效應(yīng)，隧道開(kāi)挖后受開(kāi)挖面的約束影響，圍巖應(yīng)力逐步釋放，直到開(kāi)挖面空間約束效應(yīng)完全消失，圍巖應(yīng)力才得以全部釋放［1，15－16］，因此采用不同的施工方式，隧道圍巖應(yīng)力釋放過(guò)程不同，從而使巖體卸荷速率不同。現(xiàn)以水平收斂值為研究對(duì)象，分析開(kāi)挖方式對(duì)卸荷速率的影響。水平收斂值隨隧道開(kāi)挖的變化曲線如圖3所示。

圖3 水平收斂值變化曲線Fig.3 Variation curves of horizontal convergence

分析圖3可知:水平收斂值增大主要發(fā)生在開(kāi)挖Z=12～27時(shí)，單步開(kāi)挖使水平收斂值產(chǎn)生最大增幅的是第7開(kāi)挖步，即自Z=18～21。由全斷面開(kāi)挖法、下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法和上下臺(tái)階法計(jì)算得:水平收斂變形速率最大值依次為:5.61，4.06，4.07 mm/d，但下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法和上下臺(tái)階法因斷面錯(cuò)次開(kāi)挖，其同一斷面的水平收斂速率可顯著減小。由此可見(jiàn)，采用下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法和臺(tái)階法施工時(shí)，可充分利用開(kāi)挖面的約束作用，降低隧道周邊位移變形速率，保證隧道施工安全。

3.2 塑性區(qū)分析

分別采用全斷面法、下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法、臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，塑性區(qū)分布如圖4(a)、(b)、(c)所示。分析圖4可知:采用下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖時(shí)，隧道施工造成圍巖的多次應(yīng)力擾動(dòng)，產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍最大，拱腰及其上部塑性區(qū)范圍約2.7 m，拱腳處塑性區(qū)范圍約1.8 m，拱底塑性區(qū)范圍最大，約3.6 m，且拱底0.9 m范圍內(nèi)曾發(fā)生拉伸破壞(下導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)發(fā)生)，不利于隧道圍巖的穩(wěn)定，施工中應(yīng)盡量避免;采用全斷面法和臺(tái)階法時(shí)產(chǎn)生的塑性區(qū)大小基本一致，但塑性區(qū)集中區(qū)域不同，采用全斷面法開(kāi)挖時(shí)，塑性區(qū)主要集中在拱頂和拱底，塑性區(qū)范圍約2.7 m，采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，塑性區(qū)主要集中在拱底，塑性區(qū)范圍約3.6 m。因此，從塑性區(qū)范圍及破壞機(jī)制2方面考慮，隧道施工時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用臺(tái)階法。

圖4 圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.4 Plasticized zone of surrounding rock

3.3 應(yīng)力場(chǎng)分析

分別采用全斷面開(kāi)挖法、下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法和臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，第一主應(yīng)力分布如圖4(a)、(b)、(c)所示。分析圖4可知:采用全斷面法開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)力集中主要發(fā)生在拱頂和拱底，而采用下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法和臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)力集中主要發(fā)生在隧道左右兩側(cè)拱腰處;分別采用上述3種方法開(kāi)挖時(shí)，隧道周邊圍巖第一主應(yīng)力的最大值依次為 30.007，26.805，27.128 MPa，且高應(yīng)力分布范圍依次為全斷面法＞下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法＞臺(tái)階法，如表3所示。

表3 第一主應(yīng)力(SIG1)高應(yīng)力區(qū)分布范圍Table 3 High stress area of first principal stress m

4 工程應(yīng)用

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，結(jié)合工程特點(diǎn)，最終選用上下臺(tái)階法進(jìn)行隧道開(kāi)挖，并現(xiàn)場(chǎng)選取YK112+750斷面對(duì)隧道開(kāi)挖斷面的圍巖壓力、噴射混凝土的應(yīng)力、支架的應(yīng)力、位移以及水平收斂值和拱頂沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖5所示，初期支護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖(單位:m)Fig.5 Layout of monitoring points(m)

圖6 初始支護(hù)壓力、應(yīng)力分布圖Fig.6 Distribution of primary support pressure and stress

監(jiān)測(cè)周期為60 d，在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)隧道最終水平收斂值為25.02 mm，最大收斂速率為4.26 mm/d;拱頂最終下沉量為15.68 mm，最大下沉速率為5.20 mm/d;監(jiān)測(cè)后期收斂速率小于0.2 mm/d，下沉速率小于0.1 mm/d，收斂時(shí)間曲線和拱頂下沉?xí)r間曲線均有明顯收斂趨勢(shì)。實(shí)測(cè)拱頂下沉量達(dá)計(jì)算值的93.6%，實(shí)測(cè)水平收斂值達(dá)計(jì)算值的90.0%，滿足規(guī)范穩(wěn)定要求。

5 結(jié)論與建議

針對(duì)工程實(shí)際特點(diǎn)，應(yīng)用有限差分法對(duì)高地應(yīng)力條件下深埋隧道開(kāi)挖時(shí)的力學(xué)和變形響應(yīng)特性進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果與工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度較高。根據(jù)所建立數(shù)值模型，對(duì)不同開(kāi)挖方式進(jìn)行對(duì)比分析可知:綜合考慮隧道周邊位移值、水平收斂變化曲線、塑性區(qū)分布及高應(yīng)力區(qū)分布等關(guān)鍵控制因素，上下臺(tái)階法較全斷面法和下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，更適合于該類工程，且工程應(yīng)用效果較好;同時(shí)，在處理好下導(dǎo)洞施工時(shí)拱底小范圍內(nèi)出現(xiàn)的拉伸破壞的前提下，下導(dǎo)洞超前開(kāi)挖法具有一定的可行性，但仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

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［16］ 黃潤(rùn)秋.巖石高邊坡發(fā)育的動(dòng)力過(guò)程及其穩(wěn)定性控制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(8):1525－1544.(HUANG Runqiu.Geodynamical process and stability control of high rock slope development［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(8):1525－1544.(in Chinese))