云中隧道軟弱偏壓段圍巖不同工法開挖數值模擬分析

■薛大全

(中建海峽建設發(fā)展有限公司，福州 300015)

1 引言

已有工程實踐表明，在軟巖地層進行隧道修建時經常會產生諸如隧道斷面縮小、襯砌開裂、鋼拱架扭曲等大變形破壞現象，而且隧道圍巖變形初期不僅絕對量值較大，位移的速度也很快。為此，國內外眾多學者針對大變形軟巖隧道工程進行了一系列理論和試驗研究，尤其在施工工法及支護參數等方面進行了較為深入的探討：如王樹仁等對軟巖隧道的大變形力學機制及支護技術進行了分析;王書剛、李術才等從隧道開挖與支護的安全性出論述了淺埋偏壓隧道的設計與施工情況；劉志春等對軟巖隧道二襯施做時機進行了探討，王祥秋等對崇遵高速公路龍井隧道進日段施工過程現場監(jiān)測數據以及有限元分析結果進行對比研究，得出了在偏壓作用下隧道施工過程中圍巖位移的變化規(guī)律。

以上研究成果對于工程設計及施工起到了一定的指導作用。云中隧道進口右洞由于地形的因素，該隧道洞口右側地勢明顯高于洞口左側段，導致隧道洞口段處于偏壓的受力，且洞口實際開挖過程中圍巖主要為坡積土及砂土狀-碎塊狀強風化碎斑熔巖，松散-破裂結構，地下水發(fā)育，實際開挖過程中采用了CD法開挖，在施工過程中初支噴層出現了開裂，監(jiān)控量測數據表明，拱頂和拱腳均及拱腰收斂均出現了很大的凈空位移，地表也出現了明顯的裂縫，及時采取了注漿及超前小導管等支護措施，防止了隧道進一步的災變。可見CD法開挖在偏壓軟弱圍巖段施工存在很大安全隱患；本文以云中隧道洞口段偏壓軟弱圍巖為研究對象，基于FLAC3D有限差分軟件對比分析在隧道施工中常用的CD法和CRD法兩種不同開挖支護方法在偏壓軟弱圍巖段的適用性及支護結構的受力特征進行分析研究。

2 工程背景

云中隧道位于福建閩清境內，隧道區(qū)屬丘陵低山地貌，隧道縱穿北東向山脊，地形起伏較大。山體自然斜坡坡度為25～30°；進口段山體自然斜坡坡度為20～30°，出口段山體自然斜坡坡度為20～25°沿線最高點海拔約140.0m，溝谷較窄，切割較深，植被較發(fā)育。

云中隧道全長433.5m，左右洞呈小凈距布置，左洞全長435m，右洞全長432m，為短隧道。隧道全長位于直線范圍內。隧道縱坡坡率/坡長：右洞為-2.98%/432m，左洞為-2.98%/435m。

隧道區(qū)進口段風化巖層厚度較厚、出口段及洞身段上覆土層一般厚度較小，巖層主要以侏羅紀南園組(J3n)碎斑熔巖為主，屬較硬-堅硬巖，巖體較破碎-較完整，對隧道洞身圍巖的穩(wěn)定較有利，洞身圍巖級別一般為Ⅳ級，局部為Ⅲ級。

圖1 云中隧道縱斷面圖

隧道區(qū)地形起伏較大；地下水主要為強風化層中的孔隙、裂隙型潛水、構造裂隙水，主要受大氣降水垂向補給，地下水較豐富。

3 計算模型

計算選取洞口段YK5+822剖面進行準三維計算，三維計算。計算坐標系X軸為水平方向，Y軸豎直向上為正，Z軸取為沿隧道軸線方向。計算模型范圍及邊界條件參照巖石力學和隧道力學理論確定。考慮到“邊界效應”，橫向邊界到隧道邊界的距離約4倍洞徑(隧道跨徑12m)，計算模型左右各50m；在垂直方向上，上邊界至地表，下邊界到隧道底部的距離約3倍洞徑，下邊界距隧道底部為36m；只考慮自重作用，忽略構造應力；數值計算軟件采用FLAC3D，圍巖采用實體單元模擬，初噴混凝土采用liner單元模擬；采用順序建模的方式實現隧道的開挖和支護，通過空單元命令實現開挖，同時建立結構單元實現支護效果。CRD法計算模型共剖分了17028個節(jié)點，20475個單元；CD法計算模型共剖分了17334個節(jié)點，20853個單元。計算模型如下圖2、圖3所示。

模型邊界約束條件設定如下：

(1)模型左右邊界定為單約束邊界，取 u=0，v≠0，w≠0(u為X方向位移，v為Y方向位移，w為Z方向位移)；

(2)模型前后邊界定為單約束邊界，取 u≠0，v=0，w≠0；

(3)模型底邊界定為全約束邊界，取u=0，v=0，w=0；

(4)模型上邊界定為自由邊界，不予約束。

參考研究區(qū)域的煤巖物理力學實驗結果，取模型為近似理想的彈塑性模型，其破壞準則選用Mohr-Coulomb準則。

圖2 CRD法開挖計算模型

圖3 CRD法開挖計算模型

其中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；c為粘結力；φ為內摩擦角。

其主要地層結構的參數如表1所示。

表1 材料計算參數

采用邊模量、內摩擦角、內聚力及抗拉強度等材料參數來進行模擬計算。針對體變模量和切變模量采用以下兩個公式進行材料屬性轉換。

體變模量(bulk)：

切變模量(shear)：

式中，E——彈性模量；

μ——泊松比。

4 不同工法開挖數值模擬分析

(1)位移場變化特征

從圖4、圖5可知，開挖完成后，由于應力釋放，圍巖變形表現為底板右拱肩以豎向位移為主，左拱腰及右拱腳以水平位移為主，拱頂水平位移稍大于豎向位移。由于存在偏壓，右側拱部位移量值大于左側拱部。由下表2可知，兩種施工工法在YK5+822剖面洞周變形位移CRD法明顯優(yōu)于CD法。

由此可見，對于處在淺埋偏壓地段且?guī)r性較弱的洞口，應及時施做仰拱，以盡早形成封閉受力環(huán)，增強圍巖整體穩(wěn)定性。拱腳和邊墻部位應該作為加固設計與施工考慮的重點部位。

對于隧道淺埋偏壓軟弱圍巖段，CD法與CRD法都能很好的控制隧道的洞周變形，但CRD法效果更佳。

CD法與CRD法兩種不同工法隧道施工過程中隧道洞周位移值如下表2所示：

圖4 隧道開挖垂直位移(m)等值線

圖5 隧道CD法開挖位移(m)等值線

(2)應力場規(guī)律特征

圖6-圖7分別表示采空區(qū)在隧道上隧道開挖過程中的最大主應力(σ1)和最小主應力(σ3)變化等值線圖。由于隧道的開挖，隧道附近出現了較為明顯的應力集中現象，由于CD法和CRD法支護方式的不同，相應的應力集中區(qū)域及集中程度也有一定的差異，隧道處于偏壓淺埋軟弱層，兩種工法在右拱肩、左側仰拱及右側仰拱區(qū)域都表現為拉應力，且應力在該區(qū)域集中分布，拱腰及拱腳表現為以壓應力為主(FLAC3D中壓應力為負，拉應力為正)，“壓-剪”破壞較為明顯，最大主應力CD法拱腳地層應力集中區(qū)域明顯大于CRD法，CRD法左拱腳位置較CD法壓應力集中程度及范圍小。表3數據可知，CRD法噴層內最大及最小主應力相對CD法更小，支護結構更合理。

CD法與CRD法兩種不同工法隧道施工過程中隧道初支結構內力值如下表3所示：

圖6 隧道CRD法開挖主應力(Pa)等值線圖

圖7 隧道CD法開挖主應力(Pa)等值線圖

表3 隧道不同施工方法初支結構內力計算結果

(3)初支彎矩分析

由以下噴層彎矩圖8可見，在軟巖隧道施工過程中，CRD和CD法開挖支護過程中噴層內沿隧道軸線的彎矩My(y方向為隧道軸線方向)兩種工法在右拱肩位置都為為正彎矩，表現為拉應力，也是隧道支護容易產生應力集中的部位，在施工中要加強監(jiān)測；其余部位主要為負彎矩，表現為壓應力；由于這兩種工法都有臨支撐結構，都能很好的抵抗隧道偏壓變形，由圖8(a)、圖8(b)可知，在臨時中隔壁結構中CD工法比CRD工法彎矩集中范圍大，相應彎矩值也更大， 分別為-37.7kN·m.、-25.4kN·m，CRD 法彎矩值相對減小32.9%，可見由于CRD橫撐的作用，其中隔壁彎矩受力明顯改善。由表4數據可以看出，CD工法拱頂部位出現了拉應力，對施工安全不利，其他部位也均大于于CRD法噴層中的彎矩值。在實際施工過程中，采用CD法開挖支護需在拱頂及右拱肩位置加強支護，并且盡快使噴層成環(huán)，使噴層結構均勻受力，減小局部彎矩集中。

CD法與CRD法兩種不同工法隧道施工過程中隧道初支彎矩值如下表4所示：

圖8 初支彎矩圖(N·m)

表4 隧道不同施工方法噴層支護結構彎矩計算結果

4 結論

通過對云中隧道洞口段淺埋軟弱偏壓隧道CD法與CRD法兩種不同施工工法的數值模擬計算與分析，可以得到以下結論：

(1)隧道的開挖引起隧道上覆地層沉降，下伏地層向上隆起，由于隧道右側偏壓受力，在拱肩位置位移及受力都較左邊大，在實際施工過程中應加強該區(qū)域的支護與監(jiān)測，動態(tài)施工，及時防治危險的發(fā)生。

(2)CD法與CRD法兩種開挖支護工法在淺埋軟弱偏壓隧道均能很好的控制變形，但整體上CRD法施工效果更佳，在嚴格控制變形的隧道施工中建議適用該工法。