Ⅳ級圍巖隧道兩臺階法開挖進尺研究

顏杜民，何　平，陳　崢，王　東

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京　100044；2.中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原　030024)

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Ⅳ級圍巖隧道兩臺階法開挖進尺研究

顏杜民1，2，何平1，陳崢1，王東2

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044；2.中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原030024)

以吉圖琿高鐵富巖1號隧道為工程實例，運用有限元分析方法對不同開挖循環進尺下的隧道兩臺階法進行數值模擬，對比分析不同工況下隧道變形和應力的響應規律，得出工程適用的開挖循環進尺。研究結果表明：開挖進尺對圍巖變形影響較大，兩者呈線性正相關關系；在Ⅳ級較差圍巖條件下，拱頂受拉破壞先于拱腰和掌子面的受剪破壞，拱頂掌子面后方1 m處第一主應力達到最大值；隨著開挖進尺的增大，拱頂第一主應力和拱腰、掌子面處D-P值均增大，隧道更易發生破壞；Ⅳ級較差圍巖，開挖進尺建議取2.0 m，Ⅳ級偏好圍巖開挖進尺可增大至4 m。

鐵路隧道；Ⅳ級圍巖；兩臺階法；開挖進尺；數值模擬

兩臺階法是新奧法隧道施工中一種重要的方法，臺階法具有初次支護全斷面閉合時間短，有利于控制圍巖變形等優點[1-4]。但施工中開挖進尺沒有一個明確的標準，開挖進尺過小，會使工期延長，施工成本加大；開挖進尺過大，則使拱頂覆土不穩定，甚至塌方，這對于隧道掌子面的穩定及隧道安全極為不利[5-10]。

以富巖1號隧道工程為例，采用有限元分析軟件ANSYS研究兩臺階法在不同開挖進尺下對隧道變形及受力的影響，通過研究隧道開挖以后周圍圍巖及隧道的受力和變形來確定合適的開挖進尺。在此研究基礎上，提出Ⅳ級圍巖兩臺階法開挖隧道的合理開挖進尺，為類似工程提供參考。

1　工程背景

吉圖琿高鐵富巖1號隧道位于圖們市長安鎮磨盤山村，隧道起訖里程為GDK284+005～GDK285+036，全長1 031 m，最大埋深67 m。根據現場勘查，隧址區巖性主要為第四系全新統殘坡積碎石類土、白堊系上統龍井組含礫砂巖、華力西晚期的花崗閃長巖。隧址未見斷層等地質構造，但穿越白堊系上統龍井組含礫砂巖與華力西晚期的花崗閃長巖呈不整合接觸帶，整體處于Ⅳ級圍巖狀態。

2　三維有限元模型

2.1數值模擬參數的確定

有限元數值分析中，隧道圍巖材料特性按均質彈塑性體考慮，材料力學特性假定遵循D-P屈服準則。襯砌材料因其力學特性遠較圍巖好，計算中視為彈性體。結合工程地質勘察報告、《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)[11]和《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2005)[12]，將土層概化為1層Ⅳ級圍巖。結構參數均參考隧道設計規范及實際工程施工報告給出，其中初期襯砌采用C25混凝土，二次襯砌采用C30混凝土。詳細參數見表1。

2.2模型的建立

有限元模型如圖1所示，其中隧道部分的詳細參數見表2，根據研究，在隧道洞徑3～5倍以外部分的圍巖將不受隧道開挖的影響，模型橫向長度為120 m，豎向長度為100 m，縱向長度為60 m，圍巖級別為Ⅳ級，隧道埋深為58 m。模型側向水平約束，底面豎向約束，上表面自由。

表1　材料參數

圖1　Ⅳ級圍巖隧道有限元模型

立體模型圍巖條件隧道內輪廓/m初期襯砌/cm二次襯砌/cmⅣ級圍巖R1=6.41;R2=2.7;R3=13.662540

2.3計算步驟

模擬現場實際采用的兩臺階開挖法，用生/死單元來模擬初期支護的激活和隧道的開挖過程，初期支護施作以前位移釋放30%，施作初期支護設防50%，其余的20%在后期支護如仰拱和二次襯砌施作時釋放[13-15]。圖2為兩臺階法臺階尺寸圖，它是兩臺階法研究的基本尺寸模型，計算步驟如下。

第一步：建立有限元模型；

第二步：自沉降計算；

第三步：隧道開挖，分步開挖上臺階。

(1)上臺階開挖至距洞口30 m處并施作初期支護，下臺階不進行開挖，二次襯砌先不施作；(2)上下臺階同時按照擬定的1個開挖循環進尺進行開挖，開挖部分不施作初期支護。

圖2　兩臺階法臺階尺寸

3　施工進尺研究

在Ⅳ級較差和Ⅳ級偏好兩種圍巖條件下，分別設置開挖進尺為1、2、3、4 m，分析圍巖變形和應力的響應規律。

3.1變形分析3.1.1拱頂沉降

圖3、圖4分別為較差圍巖、偏好圍巖下開挖進尺不同時拱頂沉降曲線。橫坐標零點為掌子面后方已經支護的拱頂即Z=-30 m處，x軸以掌子面開挖方向為正；縱坐標為該處的豎向沉降值，負號表示沉降垂直向下。在相同圍巖條件下，隨著開挖進尺的增大，拱頂沉降越來越大。而不同圍巖條件下，圍巖越差，拱頂沉降越大，但拱頂沉降均會隨開挖進尺的增大而增大。

圖3　較差圍巖拱頂沉降曲線

圖4　偏好圍巖拱頂沉降曲線

圖5為拱頂最大沉降值與開挖進尺的關系圖，兩者呈線性關系。

圖5　拱頂最大沉降值與開挖進尺的關系

拱頂最大沉降值與開挖進尺的關系式為

(1)

R2=0.999

(2)

R2=0.998

3.1.2地表沉降

圖6、圖7分別為較差圍巖、偏好圍巖下開挖進尺不同時，地表Z=-30 m線處的地層橫向沉降曲線，均在隧道中心地表處達到沉降最大值，橫向影響范圍在40 m左右，沉降曲線拐點在15 m左右。與開挖進尺對拱頂沉降的影響相似，開挖進尺越大，地表沉降越大。

圖6　較差圍巖下橫向沉降曲線

圖7　偏好圍巖下橫向沉降曲線

3.1.3水平收斂

圖8為水平最大收斂位移值與開挖進尺的關系，兩者呈線性關系，開挖進尺越大，水平最大收斂位移越大。

圖8　水平最大收斂位移值與開挖進尺的關系

水平最大收斂位移值與開挖進尺的關系式為

(3)

R2=0.979

(4)

R2=0.975

3.2應力分析

圖9～圖10分別為較差圍巖、偏好圍巖下開挖進尺不同時拱頂第一主應力圖。隨著距隧道初始分步開挖面的距離的增加，拱頂第一主應力呈現出先增大后減小而后再增大趨于穩定的趨勢，距掌子面后方1 m處第一主應力達到最大值。開挖進尺的影響范圍在掌子面前方4 m處，之后第一主應力趨于穩定。

圖11為拱頂最大第一主應力值與開挖進尺的關系圖。圖12為拱腰處最大第一主應力值與開挖進尺的關系圖。圖13為掌子面最大第一主應力值與開挖進尺的關系圖。圖14為下臺階最大第一主應力值與開挖進尺的關系圖。

圖9　較差圍巖拱頂第一主應力

圖10　偏好圍巖拱頂第一主應力

圖11　拱頂最大第一主應力值與開挖進尺的關系

圖12　拱腰處最大第一主應力值與開挖進尺的關系

圖13　掌子面最大第一主應力值與開挖進尺的關系

圖14　下臺階最大第一主應力值與開挖進尺的關系

通過分析可以得出，對于Ⅳ級較差圍巖，當開挖進尺達2.3 m時，拱頂出現拉應力，易導致拱頂圍巖沿節理面開裂滑塌。對較好圍巖，當開挖進尺達2.7 m時圍巖拱頂出現拉應力。

3.3強度檢驗3.3.1最大拉應力準則

根據Mohr-Coulomb強度準則，最大拉應力可按式(5)計算。

(5)

式中，c為黏聚力；φ為內摩擦角。

較差圍巖和偏好圍巖的最大拉應力計算值分別為392.5、768 kPa，本文取1.25為安全系數，拉應力允許值分別為314 kPa和614 kPa。同時考慮較差圍巖節理面較發育，建議Ⅳ級較差圍巖拱頂不允許出現拉應力，即允許最大拉應力為零。

較差圍巖、偏好圍巖不同工況下隧道不同部位受到的最大第一主應力值見表3和表4(負值表示未出現拉應力，正值為當前受到的拉應力)，同一圍巖下，隨著開挖進尺的增大，各位置的第一主應力均在增大；但不同地質條件相同開挖進尺下，第一主應力的值與地層條件有關系。圍巖較差時，隧道開挖進尺3 m時拱頂出現了拉應力，易發生危險，應控制開挖進尺在3 m以下。對于較好圍巖，允許拉應力為610 kPa，因此在開挖進尺4 m情況下不會出現拉應力破壞問題。

表3　較差圍巖隧道不同部位受到的最大第一主應力值　kPa

表4　偏好圍巖隧道不同部位受到的最大第一主應力值　kPa

從上述結果可以得出，隨著開挖進尺的增大，隧道拱頂位置逐漸成為易發生受拉破壞的危險區域，考慮Ⅳ級較差圍巖拱頂存在垂直節理面的情況，建議以不出現拉應力為判據。 根據分析，除拱頂外，其他部位不易出現拉應力破壞。

3.3.2Drucker-Prager準則

表5、表6分別為較差圍巖、偏好圍巖不同工況下隧道不同部位受到的最大D-P值。

表5　較差圍巖隧道不同部位受到的最大D-P值　103

表6　偏好圍巖隧道不同部位受到的最大D-P值　103

從上述結果可以得出，隨著隧道開挖進尺的增大，拱頂、拱腰和掌子面D-P值逐漸增大。較差圍巖下，進尺為3 m時，拱腰位置已經出現剪切破壞；偏好圍巖下，各部位相對較為安全。

3.3.3對比分析

(1)破壞方式不同：最大拉應力準則是受拉破壞，Drucker-Prager準則為受剪破壞。

(2)破壞危險區域不同：最大拉應力準則危險區域位于拱頂，Drucker-Prager準則危險區域位于拱腰和掌子面。

4　結論

(1)圍巖變形受開挖進尺影響較大，變形與開挖進尺呈線性正相關關系。

(2)對于Ⅳ級較差圍巖，當開挖進尺達2.3 m時，拱頂出現拉應力，易導致拱頂圍巖沿節理面開裂滑塌；當進尺等于或大于3 m時，拱腰部分區域受到的過大的剪應力，導致該區域易發生剪切破壞。

(3)對于Ⅳ級偏好圍巖，當進尺達到4 m時，隧道不會發生受拉破壞和受剪破壞。

(4)建議兩臺階法的最優開挖進尺：地質條件較差時，開挖進尺建議取2.0 m；地質條件偏好時，開挖進尺建議增加4.0 m。

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Research on Excavation Footage of Tunnels in Ⅳ Rock with Two-bench Construction Method

YAN Du-min1，2, HE Ping1, CHEN Zheng1, WANG Dong2

(1.School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China;2.The Third Engineering Co.， Ltd. of China Railway 12th Bureau Group， Taiyuan 030024， China)

Based on No.1 Fuyan tunnel on Jituhui high-speed rail， the finite element method is applied to numerically simulate the tunneling with two-bench construction method in different excavation cyclical footage. Tunnel deformation and response regularity of stress are comparatively analyzed to obtain excavation cyclical footage suitable for engineering. The research results show that excavation footage poses greater impact on the surrounding rock， which is in a linear and positive correlation with excavation footage; in the case of poor Ⅳrock， tension-destroying in vault occurs before shear-destroying in haunch and driving face and the maximum first main stress is located 1m behind the driving face in vault; with the increase of excavation footage， the first main stress in vault and DP value in haunch and driving face are increased， making the tunnel more vulnerable to damage; the excavation footage in poor Ⅳ rock is recommended to be 2 m， while the value may rise to 4 m in good Ⅳ rock．

Railway tunnel; Ⅳrock; Two-bench construction method; Excavation footage; Numerical simulation

2016-01-26；

2016-02-18

顏杜民(1973—)，男，工程師，碩士，主要從事地下和隧道工程施工，E-mail：309529059@qq.com。

何平(1961—)，女，教授，E-mail:phe@bjtu.edu.cn.

1004-2954(2016)09-0099-05

U455.4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.022