深埋軟巖隧道臺階法施工過程力學(xué)效應(yīng)研究及優(yōu)化

張 凱

重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院（400074）

0 前言

我國西部地區(qū)很大一部分都是山區(qū)，并且地質(zhì)地貌復(fù)雜多樣，軟巖分布較為廣泛。近年來，我國西部大開發(fā)計劃在不斷進行的過程中，大量山區(qū)公路隧道如雨后春筍般修建。當隧道位于軟巖地區(qū)時，大多高應(yīng)力軟巖隧道出現(xiàn)了變形問題[1]。在軟巖地區(qū)隧道不斷增多的同時，我們也在處理軟巖大變形的問題上積累了重要經(jīng)驗。隧道的大變形不是在開挖后的短時間內(nèi)發(fā)生的，而是在經(jīng)過一段時間的變形積累，隧道才產(chǎn)生的失穩(wěn)破壞。可以推斷，隧道的變形失穩(wěn)與時間長短有關(guān)[2-3]。很長時間以來，我們使用經(jīng)典的彈塑性模型對軟巖隧道變形進行模擬存在著許多難以解決的問題。因為彈塑性模型理論認為，隧道開挖后的變形是瞬時形成的，隧道的失穩(wěn)破壞也是開挖后很快發(fā)生的，而實際上軟巖隧道需要一段時間后變形才趨于穩(wěn)定，即使變形達到穩(wěn)定后，巖體與支護還可產(chǎn)生應(yīng)力松弛，因此只有從流變力學(xué)的觀點才能作出合理的解釋[4-6]。

因此，文章主要研究軟巖的流變現(xiàn)象，為軟巖隧道的設(shè)計與施工提供依據(jù)。文章以兩江隧道工程為例，該隧道多為IV、V 級圍巖，在修建過程中多次遇到大變形，使隧道支護開裂、剝離，甚至出現(xiàn)剪切破壞。在借鑒前人成果的基礎(chǔ)上，利用依托工程進行試驗研究、數(shù)值計算、理論分析，對軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性進行討論，并著重研究軟巖隧道支護時機及開挖的時空效應(yīng)，為其他類似工程提供一定參考，具有重要的社會及經(jīng)濟意義。

1 計算及建模

1.1 計算背景及襯砌荷載計算

兩江隧道為山嶺隧道，地下水豐富，圍巖等級為IV 級，埋深為56 m，隧道開挖半徑為5.5 m。該隧道的巖土體容重24.6 kN/m3，彈性模量為 3.5 GPa。土體泊松比為 0.34，凝聚力為 0.6 MPa，內(nèi)摩擦角為35°，襯砌結(jié)構(gòu)采用C30 混凝土。

經(jīng)驗方程法是對巖石進行一系列試驗，利用數(shù)學(xué)方法建立起來的流變公式,具有典型的數(shù)學(xué)形式，能擬合較多的巖石流變特征。利用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)可以擬合得出巖石蠕變的試驗結(jié)果[6]。

巖石蠕變的經(jīng)驗方程通式為

式中，ε（t） 為 t 時間內(nèi)的總應(yīng)變，ε0為瞬間應(yīng)變，ε1（t）為減速蠕變階段應(yīng)變，ε2（t）為等速蠕變階段應(yīng)變，ε3（t）為加速蠕變階段應(yīng)變。

目前通過巖石試件試驗獲得的典型蠕變方程主要有:

1.1.1 冪函數(shù)型方程

表達式為:

式中，B、n為試驗常數(shù)，其值與材料性質(zhì)、應(yīng)力水平及穩(wěn)定條件有關(guān)。

1.1.2 對數(shù)型方程

表達式為：

式中，B、C 為試驗常數(shù)，ε0為初始彈性應(yīng)變。

1.1.3 指數(shù)型方程

表達式為:

式中，B為常數(shù)；f（t）為t的函數(shù)。

本次采用的是“地層結(jié)構(gòu)法”對隧道襯砌進行設(shè)計計算，這體現(xiàn)了設(shè)計的經(jīng)濟性。首先結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》進行圍巖壓力的計算，其中，水平荷載和豎向荷載均近似按照均布荷載考慮。

判斷深淺埋隧道:

隧道埋深大于2.5 倍hq，故為深埋隧道。

豎向壓力為122.76 kN/m3。水平土壓根據(jù)經(jīng)驗公式:

1.2 有限元模型的建立

使用大型通用有限元Abaqus 軟件建立彈塑性本構(gòu)模型，在hypermesh 模塊中建立beam 梁單元。首先在Part 模塊內(nèi)確立三維坐標及開挖方向，將建好的隧道模型在Mesh 模塊中進行網(wǎng)格劃分。然后，將建立的多個Part 模型進行裝配，并賦予其相關(guān)材料屬性。接著，根據(jù)隧道的實際地質(zhì)狀況對模型施加約束，并且對其施加豎向及水平荷載。在用Abaqus 模擬時，已知的隧道埋深、巖土容重等相關(guān)參數(shù)計算出該埋深下隧道的初始地應(yīng)力以及巖土的孔壓。將計算出的初始重力載荷均勻地施加在模型頂部截面。

為減小有限元模型中邊界約束條件對計算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，計算模型的邊界范圍在各個方向上均大于3 倍的洞跨。具體計算時，計算域在水平方向?qū)挾热?00 m，在豎直方向取豎直長度為60 m，隧道縱深為56 m。隧道模型左面、右面和底面均為固支約束，頂面為自由面。隧道采用臺階法開挖。

2 計算結(jié)果分析

根據(jù)模型數(shù)值計算的結(jié)果，對兩江隧道臺階法開挖引起的軟巖段圍巖豎向變形與應(yīng)力進行分析。在開挖過程中得出縱向不同斷面位置拱頂下沉量、隧底隆起量。

圍巖豎直方向位移在隧道開挖完成后最大值出現(xiàn)在拱頂處，達到37 mm，左右側(cè)沉降呈對稱分布，左右拱腰處圍巖拱頂沉降值約為33 mm，拱頂沉降有拱頂＞拱腰＞邊墻的趨勢，拱底處出現(xiàn)圍巖隆起現(xiàn)象，最大隆起值約為27 mm。圍巖塑性區(qū)很小且出現(xiàn)在拱腳處，這可能是由于拱腳處應(yīng)力集中造成的，圍巖處于安全狀態(tài)。

上臺階及中臺階開挖后，H1、H2、H3 三點的拱頂沉降急劇增大，其值分別為33 mm、31 mm、31 mm，約占穩(wěn)定后數(shù)值的77%。待中臺階開挖后，圍巖沉降的速率逐漸降低。拱頂沉降主要集中在圍巖開挖后的一周內(nèi)，隨著掌子面不斷前移，掌子面的開挖對該斷面沉降的影響也越來越小，與監(jiān)控測量的實際數(shù)據(jù)相吻合。

由分析可知: 高地應(yīng)力軟巖隧道采用臺階法開挖通過時，拱頂最大沉降量為3.1 mm，隧底最大隆起量為5.7 mm，該最大變形與W 級圍巖隧道最大變形閥值比較接近。此外，根據(jù)計算結(jié)果整理得到:采用臺階方法開挖，襯砌上最大彎矩為1 000 kN/m，最大彎矩在拱腳處，而襯砌拱腳設(shè)計的最大彎矩為1 200 kN/m，很明顯支護結(jié)構(gòu)抗彎能力仍有發(fā)揮余地。

3 結(jié)語

針對兩江隧道軟巖段的環(huán)境特點和地質(zhì)條件，提出采用臺階法開挖，輔助采用超前小導(dǎo)管支護。

隧道開挖后，拱頂?shù)某两抵涤兄眲≡龃蟆⒕徛龃蟆②呌诜€(wěn)定的趨勢，開挖8 d 內(nèi)的位移值達到最終位移的80%，可提供現(xiàn)場施工指導(dǎo)。

在初噴混凝土強度未達到設(shè)計強度時，圍巖的初期壓力主要由鋼拱架承擔，鋼拱架內(nèi)外側(cè)均受壓，外側(cè)應(yīng)力平均大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力。拱頂處的應(yīng)力大于其他的部位。通過安全級別預(yù)測判斷，圍巖開挖過程中安全級別始終處于安全和基本安全狀態(tài)。

現(xiàn)場測試結(jié)果表明，理論計算值與現(xiàn)場測試值基本吻合。工程實踐證明，兩江隧道在通過高地應(yīng)力軟巖段時，采用臺階法開挖，并輔助其他工法進行超前支護和加固，同時采取信息化監(jiān)控量測措施和風險防范措施，可有效地控制隧道受力和變形，確保隧道通過高地應(yīng)力軟巖段的施工安全。