淺埋破碎圍巖特大斷面施工力學特征與安全分析

楊淋亦

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

淺埋破碎圍巖特大斷面施工力學特征與安全分析

楊淋亦

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

在破碎圍巖條件下，特大斷面隧道采用臺階法開挖易產生塌方和大變形等問題。文章依托實際工程，針對淺埋破碎圍巖條件下特大斷面隧道臺階法開挖進行三維受力分析，模擬臺階法施工的各個階段，分析各個階段襯砌的受力變化，得到了橫截面上隧道襯砌危險部位安全隨臺階法施工的變化。運用斷裂力學中的格里菲斯強度理論，從主應力角度分析了隧道襯砌整體開裂系數隨臺階法施工步的變化。同時結合現場部分應力數據以及內部圍巖擠壓數據，分析大斷面軟弱圍巖條件下臺階法施工的可行性。分析和實測皆表明，在淺埋軟弱圍巖條件下特大斷面隧道臺階法施工是可行的。

特大斷面； 隧道； 破碎圍巖； 臺階法施工； 安全系數； 開裂系數

隨著我國基礎建設的大發展，交通行業得到迅猛發展。在大跨隧道的施工中，為了避免一次性開挖過大，通常是改大跨為小跨[1-2]，及時形成封閉體系。在現階段施工中，大斷面破碎圍巖隧道一般采用雙側壁導坑法和CRD法，這兩種工法雖然是較為安全的工法[3-4]。但是其施工工序復雜，對圍巖擾動次數多，機械利用率低，工期長，同時需要增加臨時支護，增加了工程造價等缺點。臺階法便于現場組織，初期支護工序操作便捷，能夠較好的使用機械，施工工序少，減少對圍巖的擾動，能夠大大的縮短工期[5-7]。國內已有學者對軟弱圍巖變形及荷載做出了研究[8-9]。本文主要從臺階法施工各個階段受力以及最大應力對其安全性和開裂危險進行分析。

1 工程概況

貴陽南埡路三號隧道為分離式雙向八車道隧道，兩隧道間距20 m，單線四車道隧道，其開挖寬度21.878 m，高度為14.321 m，為貴陽市第一座四車道隧道，同時左線隧道下穿貴州省植物園，對沉降要求嚴格。

隧道所經地區主要為三疊系安順組白云巖和三疊系松子坎組白云巖平少量泥灰巖，巖石中節理裂隙較發育，巖體總體較破碎，圍巖穩定性較差～較好。本工程因隧道處于喀斯特地貌地區，地下巖溶較發育，兩隧道間距較小，且為特大斷面隧道，施工工期又較為緊張，為了緩解工期壓力，右線隧道采用臺階法，左線隧道由于下穿植物園，選用雙側壁導坑法。

2 數值分析

2.1 計算模型及參數

本文采用Flac 3D進行數值分析，隧道埋深17 m，圍巖等級為Ⅵ～Ⅴ，頂部5 m為黏土，地面5 m以下主要為三疊系白云巖，圍巖穩定性差。隧道底部20 m視為基巖，初期支護為C25鋼纖維混凝土，厚度35 cm，隧道斷面開挖凈寬21.9 m，開挖凈空14.2 m，左右邊界取3倍洞徑，底部取3倍開挖高度，開挖方向取100 m。模型上部為自由邊界，其他邊界于其法線方向固定(圖1)。

圖1 計算模型

在計算中，模型圍巖和支護均采用實體單元，通過賦予實體單元不同屬性來模擬圍巖和支護。錨桿單元通過提高圍巖加固圈的物理參數進行模擬，初期支護鋼架則采用等效剛度原則。在計算中圍巖采用mohr-Coulomb屈服準則，支護則視為線彈性體，計算采用參數見表1。

表1 計算參數

2.2 臺階法施工受力及安全分析

為了研究臺階法開挖各個階段支護結構受力以及其安全性，計算中對各個階段受力進行提取，得到不同施工步初支彎矩軸力圖(圖2)。

彎矩/(kN·m) 軸力/kN(b) 下臺階施工

彎矩/(kN·m) 軸力/kN(c) 仰拱施工

彎矩/(kN·m) 軸力/kN(d) 二次襯砌施工圖2 臺階法施工各階段初支受力

彎矩/(kN·m) 軸力/kN
(a) 上臺階施工

從圖2可以看出：

(1)隧道上臺階和下臺階開挖時，最大軸力皆出現在鋼拱架腳部，所以拱腳易產生失穩。

(2)當仰拱施工完成，初期支護閉合成環，隧道彎矩和軸力將會發生調整，拱頂彎矩將會增大而拱腰處彎矩減小，而軸力皆增大，其增幅達到30 %。仰拱中心附近易出現小范圍的拉力，拉應力最大值達到0.06 MPa，二次襯砌施做之后拉應力值迅速減小。

(3)隧道上臺階開挖后安全系數最小值為7.06，發生在拱腳部位。下臺階開挖后，拱頂以及拱腰部位軸力大幅增加，而彎矩變化較小，安全系數大幅下降。此時安全系最小數值為7.73，仍發生在拱腳。仰拱施工完成后，隧道閉合成環之后，安全系數基本不再發生，此時最小安全系數為5.3>2.4，仍滿足規范要求(圖3)。

圖3 重點部位安全系數變化

2.3 施工過程開裂分析

根據格里菲斯強度理論對隧道襯砌開裂進行分析[10]，材料內部存在著許多細微裂隙，裂隙周圍可以產生應力集中，導致裂縫擴展，最后材料完全破壞。在這種情況下，即使在壓應力情況下，只要裂隙方位合適，也能在裂隙周圍產生很高的拉應力，一旦拉應力超過抗拉強度材料也會破壞。

根據格里菲斯強度破壞準則：

當σ1+3σ3>0時

當σ1+3σ3<0

通過格里菲斯強度理論來對混凝土開裂進行分析，定義開裂系數K。

當σ1+3σ3>0時

當σ1+3σ3<0

綜上：

通過對K的定義可知，當所求抗拉強度小于材料抗拉強度時，K小于1，材料裂縫不會擴展，能夠抵擋開裂；當K大于1時，所求抗拉強度大于材料抗拉強度，結構存在拉裂的危險。

施工完成后中各危險點第一主應力、第三主應力如圖4、圖5所示，施工各個階段主應力如表2、表3所示，開裂系數如圖6所示。

圖4 第一主應力

圖5 第三主應力

圖6 危險部位開裂系數變化

(1)上臺階開挖后，最大應力值出現在拱腳處且最大開裂系數也出現在拱腳部位。下臺階開挖后，拱腰壓應力大幅度增長，而拱頂的拉應力大幅度增長，所以拱頂和拱腰部位開裂系數有較大幅度增長。當初期支護閉合成環之后，開裂系數達到穩定，即使二襯施工后應力有發生變化，但開裂系數不變，所以初期支護要盡快閉合。

表2 第一主應力

表3 第三主應力

(2)由于仰拱中心附近可能受拉，所以該部分拉應力值大于壓應力值，但是拉應力值較小，所以開裂系數較小。當二次襯砌施工后，由于二襯自重等，拉應力減小所以開裂系數減小。同時在整個施工過程中隧道最大開裂系數0.36小于1，說明襯砌結構安全。

3 現場數據分析

為了進一步研究支護結構與圍巖相互作用之間的關系，埋設位移計以及應變計多隧道圍巖以及初期支護應力進行監測。

3.1 圍巖內部位移變化規律

根據實測數據，分析整理得到圍巖內部位移時程曲線如圖7所示。隧道開挖造成應力的重新調整，圍巖向隧道方向擠壓變形，最初變形比較迅速隨著時間的推移以及掌子面的遠離，變化速度開始收斂，在最初的10 d時間變化速度最為迅速，在此期間變形量占總變形量的50 %～60 %。9月4號仰拱施完成后位移經過基本收斂，圍巖與支護結構保持相對穩定。

圖7 圍巖內部位移時程曲線

3.2 混凝土應力變化規律

混凝土應力時程曲線如圖8所示。

圖8 混凝土應力時程曲線

由圖7、圖8可知混凝土應力與圍巖變形有關，最初圍巖變化迅速，支護應力變化也較為迅速，圍巖調整趨近平穩時，支護結構受力也趨向于穩定。

在隧道整個施工過程中壓應力最大值為6.4 MPa，拉應力最大值為0.17 MPa，皆小于C25混凝土的抗壓強度19 MPa和抗拉強度1.3 MPa，結構安全。

4 結束語

通過對大斷面臺階法隧道的數值模擬，對臺階法隧道的襯砌進行安全性分析同時結合現場數據可以得出以下結論：

(1)在各階段施工中拱腳與墻腳都屬較為危險的部位，承受較大的軸力和彎矩，所以應該重視鎖甲錨桿的施作，以保證結構未閉合前的穩定。

(2)運用格里菲斯理論對襯砌安全性進行直接判斷，該法直接利用主應力進行分析，能夠從三維空間分析襯砌安全性，彌補了安全系數法沒有考慮三維空間受力的不足。

(3)結合現場數據與數值計算，說明臺階法在淺埋大斷面隧道施工中是可行，但是為了隧道安全，需要盡快施作二次襯砌保證結構的穩定。

[1] 宋曙光,李術才,李利平,等. 超大斷面隧道軟弱破碎圍巖臺階法施工過程力學效應規律研究[J]. 隧道建設,2011(S1):170-17.

[2] 王夢恕,張梅. 鐵路隧道建設理念和設計原則[J]. 中國工程科學,2009(12):4-8.

[3] 崔小鵬,孫韶峰,王廣宏,等. CRD工法及三臺階七步開挖工法的對比和改進[J]. 隧道建設,2010(2):131-133.

[4] 李力. 三臺階法與CRD法對隧道圍巖穩定性影響的研究[J]. 公路工程,2012(6):138-142.

[5] 黃娟,王偉,彭立敏. 大跨淺埋隧道采用臺階法施工的安全性評估[J]. 西部探礦工程,2004(12):105-107.

[6] 巢萬里,周利金,向俊宇. 淺埋大跨度隧道微臺階法進洞力學響應與工程運用[J]. 公路工程,2010(2):84-88.

[7] 夏潤禾,許前順. 軟弱圍巖地質大斷面鐵路隧道大拱腳臺階法施工工法[J]. 鐵道標準設計,2010(S1):108-114.

[8] 李利平,李術才,趙勇,等. 超大斷面隧道軟弱破碎圍巖空間變形機制與荷載釋放演化規律[J]. 巖石力學與工程學報,2012(10):2109-2118.

[9] 趙勇,劉建友,田四明. 深埋隧道軟弱圍巖支護體系受力特征的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報,2011(8):1663-1670.

[10] 杜立兵,嚴松宏,蔡白潔. 小凈距空間交叉隧道臺階法施工安全性研究[J]. 隧道建設,2013(5):378-382.

楊淋亦(1991～)，男，碩士研究生。

U455.4

B

[定稿日期]2017-05-19