高含水率黃土隧道開挖方法對變形影響數(shù)值模擬研究

方國清

（陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710032）

圖1 計算模型

圖2 噴射混凝土與錨桿網(wǎng)格劃分圖

黃土是一種具有特殊性質(zhì)的土體，力學(xué)指標(biāo)隨著土體含水量的變化而變化，在實(shí)際施工過程中面臨的問題也較為復(fù)雜。因此，國內(nèi)外學(xué)者在黃土隧道施工方面做了大量的工作，研究表明理論分析和現(xiàn)場變形監(jiān)測并舉成為保證黃土隧道施工安全性的有效措施，通過對圍巖與支護(hù)形式的監(jiān)測，對合理確定初次支護(hù)和二次襯砌施工時機(jī)提供依據(jù)，同時把理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合起來制定出切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理的施工方案，為下一步的施工工序提供參考依據(jù)，這樣不僅保證了施工安全、可靠，同時提高施工速度與質(zhì)量，還可以節(jié)省成本。本文以臨縣隧道為工程依托，結(jié)合MIDAS/GTS數(shù)值，模擬和現(xiàn)場監(jiān)測分析，對黃土隧道施工方法進(jìn)行研究，得出了一些對該地質(zhì)條件下隧道施工行之有效的結(jié)論。

1 工程概況

山西太佳高速臨縣隧道左線2223m，右線2226m。隧道進(jìn)口工程位于凌井小盆地的地表黃土沖刷溝壑淺埋地段中，洞口淺埋Ⅴ級圍巖地段設(shè)計埋深在13m～38m之間，跨度約為15m，高度約為9m。該段隧道黃土具有壓縮性高、強(qiáng)度低、明顯濕軟等特性。這些特性使其與完全飽和黃土的性質(zhì)接近，但又有本質(zhì)的不同。有學(xué)者稱之為濕黃土、濕軟黃土。由于該類黃土具有濕陷性、結(jié)構(gòu)性、濕軟性等特點(diǎn)，以上名稱皆不能完全反映此類黃土的性質(zhì)。因此對此類黃土隧道的施工技術(shù)方法進(jìn)行研究具有重要的工程應(yīng)用價值。

2 計算模型與模擬方案

2.1 模型建立

為全面考慮隧道開挖影響的范圍，模型尺寸選取為長×寬×高=105m×10m×62m的黃土隧道。有限元模型地表面不加約束為自由面，模型四周采用法向變形約束條件，而底部則采用全約束條件，這樣就與工程實(shí)際情況相吻合。有限元計算中土體為摩爾-庫侖材料，初支采用C30噴射混凝土，厚度為25cm，錨桿直徑25mm，長度3.5m，總數(shù)32根。初始應(yīng)力場僅考慮土體自重應(yīng)力場，不考慮地層的地層構(gòu)造應(yīng)力。整個模型共個3638節(jié)點(diǎn)，共12186單元。地層采用實(shí)體單元，噴混采用板單元，錨桿采用植入式桁架，各模型網(wǎng)格劃分詳見圖1、圖2、圖5、圖6、圖 9、圖 10。

2.2 材料參數(shù)選取

根據(jù)勘察報告及課題組對各試驗(yàn)段的補(bǔ)充勘察，選取的材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 模擬方案

隧道開挖每循環(huán)進(jìn)尺1m，總共10個循環(huán)，巖體按均質(zhì)考慮。為了研究相同埋深（30m）、不同工況（弧形導(dǎo)坑法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，CD法）開挖支護(hù)過程結(jié)束后圍巖的變形規(guī)律。計算提取了地表變形、拱頂沉降、周邊收斂等數(shù)據(jù)，并通過分析對3種方法進(jìn)行比較，確定最優(yōu)工序，而觀測截面選在開挖第一循環(huán)截面。

2.3.1 弧形導(dǎo)坑法施工數(shù)值模擬分析

（1） 隧道計算模型

（2） 隧道開挖支護(hù)結(jié)束后圍巖位移場分析

通過模擬分析，圍巖豎向位移和橫向位移有以下規(guī)律：豎向最大豎向位移發(fā)生在拱頂，整個變形趨勢為漏斗狀，拱頂?shù)淖畲笪灰茷?0.80cm，地表沉降6.08cm。橫向位移的最大值發(fā)生在邊墻上，周邊收斂的最大值為11.41cm，圍巖豎向位移、橫向位移如圖3、4所示。

圖3 圍巖豎向變形曲線云圖

圖4 圍巖橫向變形曲線云圖

圖5 計算模型

圖6 噴射混凝土與錨桿網(wǎng)格劃分圖

2.3.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工數(shù)值模擬分析

（1） 隧道計算模型

（2） 隧道開挖支護(hù)結(jié)束后圍巖位移場分析

通過模擬分析，圍巖豎向位移存在以下規(guī)律：各導(dǎo)坑上部，下部都出現(xiàn)位移集中現(xiàn)象，拱頂最大位移為5.09cm，地表沉降最大值3.53cm，圍巖豎向變形如圖7所示。圍巖橫向變形有以下規(guī)律：整個變形不對稱，先開挖的左導(dǎo)坑橫向變形小，而后開挖的右導(dǎo)坑變形較大，而且右邊墻應(yīng)力集中現(xiàn)象比左邊墻嚴(yán)重，周邊收斂的最大值為6.71cm，圍巖橫向變形如圖8所示。

2.3.3 CD法施工數(shù)值模擬分析

（1） 隧道計算模型

（2） 隧道開挖支護(hù)結(jié)束后圍巖位移場分析

通過模擬分析，圍巖豎向變形有以下規(guī)律：左導(dǎo)坑、右導(dǎo)坑拱頂與拱底都出現(xiàn)位移集中，后開挖的右導(dǎo)坑，位移集中區(qū)域較大，拱頂沉降最大值為8.26cm，地表沉降最大值為4.65cm，圍巖豎向變形如圖11所示。圍巖橫向變形在以下規(guī)律：整個橫向變形不對稱，后開挖的右導(dǎo)坑邊墻位移集中區(qū)域較大，引起地表沉降較大，周邊收斂最大值為8.72cm，圍巖橫向變形如圖12所示。

3 模擬結(jié)果對比

（1）雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法由于開挖的范圍小，拱頂下沉最大值為5.09cm，地表沉降最大值為3.53cm，周邊收斂最大值為6.71cm；CD法施工開挖范圍大，拱頂下沉最大值為8.26cm，周邊收斂最大值為8.72cm；弧形導(dǎo)坑法施工開挖面積較大，拱頂下沉最大值為10.80cm，地表下沉最大值為6.08cm，周邊收斂的最大值為11.41cm。比較圍巖的最大變形位移，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工圍巖變形量最小，而弧形導(dǎo)坑法與CD法施工變形較大。

（2）從圖3、圖7、圖11可以看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法豎向位移比其它兩種施工方法豎向位移位移集中區(qū)域小，而且變形大的區(qū)域比其它兩種方法小。從圖4、圖8、圖12可以看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法引起橫向位移與豎向位移規(guī)律相似，變形大的區(qū)域比其它兩種方法小。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案

根據(jù)上面數(shù)值分析，確定該隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。為了進(jìn)一步論證數(shù)值模擬的可靠性，在隧道施工期間，對周邊圍巖的變化情況進(jìn)行監(jiān)測，包括拱頂下沉以及隧道水平收斂。監(jiān)測方案如圖13所示。

4.2 隧道周邊圍巖變形分析

圖7 圍巖豎向變形云圖

圖8 圍巖橫向變形云圖

圖9 計算模型

圖10 噴射混凝土與錨桿網(wǎng)格劃分圖

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

（1）從圖14，圖15可以看出隧道拱頂下沉量與隧道收斂量隨著施工掘進(jìn)長度先增長而后逐級趨于穩(wěn)定，但不是絕對的穩(wěn)定，穩(wěn)定中還有一定的波動，這是受到黃土本身的特性影響。

（2）隧道水平收斂主要發(fā)生在開挖初期，從數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，在選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時，應(yīng)該盡快實(shí)施初次支護(hù)，以保證隧道的穩(wěn)定性，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整支護(hù)剛度，盡量選用鋼格柵或鋼拱架等能迅速及時提供隧道支撐。

（3）隧道周邊圍巖的變形與分部開挖的順序以及施工擾動有相當(dāng)大的關(guān)系，這樣才造成不同部位開挖，圍巖變形的突變，根據(jù)以上分析得出應(yīng)在實(shí)際施工中及時完成支護(hù)并形成整體受力結(jié)構(gòu)。

結(jié)語

通過對臨縣隧道施工方法的系統(tǒng)分析，研究了不同工法條件下隧道圍巖變形的相關(guān)規(guī)律，得出如下結(jié)論：

圖11 圍巖豎向變形云圖

圖12 圍巖橫向變形云圖

圖13 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

圖14 豎向位移變化曲線圖

圖15 水平收斂變化曲線圖

（1）臨縣隧道選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，及時實(shí)施初次支護(hù)，很好地保護(hù)圍巖，穩(wěn)定隧道的變形。因此，建議類似黃土隧道選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

（2）對比數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，得出現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)偏大，說明實(shí)際施工中影響圍巖變形的因素較多，進(jìn)一步說明巖土工程的復(fù)雜性。

（3）黃土隧道施工中應(yīng)盡量堅(jiān)持?jǐn)?shù)值計算分析與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合，確定合理的開挖方法，使隧道施工更加安全，更加經(jīng)濟(jì)可靠。

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