基于數(shù)值模擬的兩種隧道開挖工法對比研究

許修亮，張魏魏

(保利長大海外工程有限公司 廣州市 510000)

0 引言

目前隧道常用的開挖工法包括三臺階法[1]、CD法[2]、CBD法[3]、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[4]等，并對這些工法開展了眾多的研究。郝德亮[5]針對采用CD開挖法的大跨隧道的施工安全性開展分析，發(fā)現(xiàn)跨度越大、圍巖條件越差、開挖斷面越大，隧道整體安全系數(shù)越低。左宇軍等針對含煤系巖層隧道，對比了臺階法、CRD法以及核心土法下的隧道應(yīng)力應(yīng)變，并提出了不同施工工法下的建議[6]。秦昊等采用離散元程序3DEC，分析了軟弱圍巖環(huán)境地下通道在全斷面法與臺階施工方法下的對比，提出臺階法更佳，且上臺階開挖高度的降低利于圍巖應(yīng)力的轉(zhuǎn)移[7]。程邦富與程林針對軟弱圍巖下的大變形與塌方問題，結(jié)合實際工程對比了二臺階預(yù)留核心土法、三臺階預(yù)留核心土法與單側(cè)壁導(dǎo)坑法下的圍巖變形與應(yīng)力特性，提出三臺階預(yù)留核心土法最為適合[8]。

盡管現(xiàn)有隧道開挖工法已有較多的研究成果，但不同隧道面臨著不同的地質(zhì)與地形條件，隧道斷面尺寸、埋深等均有所不同，一些具體工程尚需開展具體研究。在綜合考慮地質(zhì)、地形與施工條件的基礎(chǔ)上，構(gòu)建包含隧道開挖施工步驟的三維有限元模型，開展相應(yīng)的施工參數(shù)優(yōu)化，可為實體工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 模型構(gòu)建

1.1 施工步驟

某隧道長550m，埋深50m，上覆巖體以及穿越圍巖為強(qiáng)風(fēng)化中砂巖。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)由C25鋼筋混凝土和I20a鋼拱架以及直徑22mm的系統(tǒng)錨桿組成。利用GTS-NX自帶的施工階段助手實現(xiàn)對施工階段進(jìn)行模擬。按照計劃，開挖工法為三臺階法，每個臺階長度為8m，每次循環(huán)進(jìn)尺為2榀鋼拱架，鋼拱架間距為0.8m，每榀進(jìn)尺完成之后隨即施作初支結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)錨桿。在GTS-NX中完成這一系列施工步驟的模擬，其關(guān)鍵點是明確各個工序之間的先后順序。

1.2 模型參數(shù)

采用隧道模擬中常用的等效原理，將噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架組成的結(jié)構(gòu)體看成一種復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其彈性模量理應(yīng)由各組成材料按照一定的比例累加而成。假設(shè)等效之后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性模量為E，C25噴射混凝土的彈性模量為E0，I20a工字鋼的彈性模量為Eg。E的計算式為：

(1)

式中，Sc為C25混凝土面積，Sg為I20a工字鋼的面積。相鄰鋼拱架間距為80cm，噴混厚度為27cm。取出的計算單元長度為80cm，單元厚度為27cm，如圖1所示。I20a工字鋼的標(biāo)準(zhǔn)面積為35.578cm2，彈性模量為206GPa；C25混凝土彈性模量為28GPa。代入式(1)計算得到等效之后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性模量為31.5GPa。

綜上所述，隧道三維模型參數(shù)可按照表1選取。假設(shè)圍巖巖體為各向同性，且符合摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。將初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)錨桿視為線彈性體。建立的三維模型由圍巖、開挖部分、支護(hù)部分和系統(tǒng)錨桿組成。

表1 隧道三維模型參數(shù)的取值

2 施工參數(shù)優(yōu)化

2.1 工法選擇

利用建立的隧道三維有限元模型，分別考察選擇三臺階法開挖還是CD法來開挖此斷面更有成本優(yōu)勢。為保險起見，進(jìn)行三維建模時不考慮鋼架網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管以及注漿的作用，圍巖開挖過程中的釋放比例定為100%。判定兩種工法更有成本優(yōu)勢的依據(jù)為：

(1)某工法下的圍巖沉降和屈服應(yīng)力不滿足要求時，直接排除掉；

(2)當(dāng)?shù)?條同時具備時，則比較兩種工法的開挖步驟。

兩種工法均按照每榀進(jìn)尺1.6m進(jìn)行模擬。對于臺階法，每臺階完成2次進(jìn)尺之后開挖下一個臺階，直至完成開挖；對于CD法，待左側(cè)圍巖下臺階開挖10m之后開始右側(cè)上臺階開挖，當(dāng)右側(cè)下臺階開挖10m之后開始拆除中隔壁。

取進(jìn)洞3m處的拱頂點作為考察點，對兩種工法開挖模式下圍巖的沉降和應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。可以看出，由于需要拆除中隔壁，CD法比三臺階法多出一些工序。在沉降方面，CD法施工造成的隧道沉降明顯要比三臺階法小，而且沉降累計速率同樣較小，在拆除中隔壁之后，兩種工法造成的最終沉降并無區(qū)別；應(yīng)力方面，三臺階開挖過程中，圍壓應(yīng)力的釋放速率較快，曲線快速下降，意味著三臺階法開挖之后，對隨后的支護(hù)工序有時間要求，越早施作初期支護(hù)越好，而CD法開挖時，圍巖應(yīng)力釋放速度較為緩慢，對后續(xù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的及時性要求沒有三臺階法高。

圖1 兩種工法下拱頂?shù)淖冃蜹Z和VonMises應(yīng)力的比較

進(jìn)一步地，將兩種開挖工法下隧道圍巖的最大沉降量和VonMises應(yīng)力統(tǒng)計如表2所示，結(jié)合上述分析的結(jié)果，可得出這樣的初步結(jié)論：僅從沉降和應(yīng)力的角度來評估，采用三臺階法和采用CD法對隧道圍巖的影響程度差別很小；從工序上來講，三臺階法避免了拆裝臨時中隔壁而節(jié)省了一定數(shù)量的施工步驟，是一種安全且節(jié)省施工成本的工法。需要注意的是，本文是以穩(wěn)態(tài)的方法進(jìn)行有限元計算，因此暫不考慮圍巖應(yīng)力釋放速率等與時間相關(guān)的因素。

表2 兩種工法下的最大沉降量和VonMises應(yīng)力統(tǒng)計

2.2 開挖進(jìn)度選擇

分別考察不同進(jìn)尺下該斷面圍巖的沉降變化趨勢，開挖工法選為三臺階，每次進(jìn)尺分別選為2榀、3榀、4榀，每榀0.8m，其他未詳之處與前文相同。計算結(jié)果見圖2所示。距離洞口不同深度處隧道拱頂?shù)某两盗侩S開挖步驟的推進(jìn)先快速增大隨后趨于穩(wěn)定。三種進(jìn)尺下隧道圍巖穩(wěn)定之后的沉降量差別不大，但達(dá)到穩(wěn)定所經(jīng)歷的路徑差異明顯。換言之，三種進(jìn)尺下沉降的增長率明顯不同。為繼續(xù)探討沉降增長率的影響，將圖2(a)中的數(shù)據(jù)取出，并假設(shè)開挖步驟與測量時間具有一致性，將開挖步驟等效為測量時間t，利用回歸分析的方法得到隧道沉降量y和測量時間t之間的擬合關(guān)系，如圖3所示。擬合參數(shù)如表3所示。

圖2 不同開挖進(jìn)尺下拱頂沉降量的比較

圖3 不同開挖進(jìn)尺下拱頂沉降數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

分別對擬合函數(shù)求導(dǎo)得到三種開挖進(jìn)尺下隧道沉降量的增長速率dy/dt。假定沉降量單位為mm，時間單位取為天，可得到開挖初期階段不同時刻下沉降增長速率的取值，典型結(jié)果見表4所示。需要注意的是，為了分析的方便，這里的時間t是一個虛擬單位，沉降量單位是一個假定的情況，實際工程中只需根據(jù)監(jiān)控量測的時間單位和變形單位重新獲取擬合函數(shù)關(guān)系即可。

表3 擬合參數(shù)表

表4 不同時刻下隧道圍巖沉降增長速率的典型值(mm/d)

根據(jù)鐵路行業(yè)施工準(zhǔn)則和本項目的監(jiān)控量測標(biāo)準(zhǔn)，隧道圍巖的沉降速率需符合表5中位移管理等級中的規(guī)定。結(jié)合表4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)尺取為3.2m時，隧道圍巖沉降的增長速率在開挖之后迅速超過約定的5mm/d，是一個需要引起重視或者不推薦的進(jìn)尺選擇。因此，在圍巖條件沒有大幅度提升的前提下，建議本項目的F2斷面隧道的開挖進(jìn)尺選擇不宜超過3.2m/次。

表5 位移管理等級

3 結(jié)論

針對某隧道的地質(zhì)資料與施工條件，建立了包含開挖步驟的隧道三維有限元數(shù)值模型。基于數(shù)值模型，開展了相應(yīng)的施工參數(shù)優(yōu)化分析。結(jié)論如下：

(1)沉降方面，CD法施工隧道沉降明顯要比三臺階法小，而且沉降累計速率同樣較小，在拆除中隔壁之后，兩種工法造成的最終沉降并無區(qū)別。

(2)應(yīng)力方面，三臺階開挖過程中圍壓應(yīng)力的釋放速率較快，曲線快速下降，意味著三臺階法開挖之后，越早施作初期支護(hù)越好；而CD法的圍巖應(yīng)力釋放速度較為緩慢，對支護(hù)工序要求相對放寬。

(3)僅從沉降和應(yīng)力的角度來評估，采用三臺階法和采用CD法對隧道圍巖的影響程度的差別很小；從工序上來講，三臺階法避免了拆裝臨時中隔壁而節(jié)省了一定數(shù)量的施工步驟，是一種安全且節(jié)省施工成本的工法。

(4)不同循環(huán)進(jìn)尺下隧道圍巖穩(wěn)定之后的沉降量差別不大，但達(dá)到穩(wěn)定前的沉降速率差異明顯。當(dāng)循環(huán)進(jìn)尺為3.2m時，隧道圍巖沉降的增長速率在開挖之后迅速超過約定的5mm/d，所以類似該研究斷面條件下的圍巖開挖進(jìn)尺不宜超過3.2m/次。