基于流固耦合理論下不同開挖方式的位移影響分析——以阿嘎下隧道為例*

曹彬 劉海明 郭偉 張延杰 楊志華

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2.云南建投基礎工程有限責任公司 昆明 650500;3.保(山)施(甸)高速公路投資開發(fā)有限公司 云南保山 678200)

0 引言

在山區(qū)地質(zhì)較為復雜的區(qū)域，不可避免地會出現(xiàn)塌方、突水等一系列問題，導致隧道施工開挖過程中存在較大風險，因此研究不良地質(zhì)隧道的開挖方法，對是否能合理保證隧道的施工進度、質(zhì)量以及安全竣工具有重要意義[1-2]。

目前國內(nèi)外學者針對隧道開挖方式對周圍土體的擾動進行了大量研究。徐東強等[3]對比不同開挖方法對隧道圍巖位移與應力的影響，得出雙側(cè)壁導洞法最優(yōu)、預留核心土法次優(yōu)的結(jié)論；管新邦[4]對比不同開挖方法，結(jié)果表明采用預留核心土法和臺階法進行施工時有利于圍巖穩(wěn)定；朱澤兵等[5]利用有限元軟件對比地表沉降值，分析各方法的優(yōu)劣；朱寶合等[6]利用有限元軟件分析不同開挖方法下隧道圍巖位移及應力變化，得出最優(yōu)施工方法；張浩等[7]通過進行模擬試驗討論了不同開挖方式對周圍土體的擾動情況。現(xiàn)有文獻多為針對不同開挖方式對隧道周圍土體擾動的研究，但基于流固耦合理論針對不同開挖方式的圍巖位移變化情況及最優(yōu)施工工況的研究較少。

本文依托阿嘎下隧道，采用有限元midas GTS NX分別模擬CRD開挖法、三臺階開挖法、環(huán)形開挖預留核心土法在左右線同步開挖并考慮流固耦合工況下圍巖位移的變化情況，通過控制變量法分別模擬開挖間距為1d～5d(d為隧道凈寬)時不同注漿圈厚度下地表沉降量，確定開挖圍巖穩(wěn)定性影響相對較小且開挖方式經(jīng)濟的選擇，得出最佳開挖間距和注漿圈厚度，旨在為其他類似隧道施工開挖方式的選取提供參考。

1 模型的建立

本文依托阿嘎下隧道的工程概況，模擬隧道(K19+160)～(K19+300)段，經(jīng)過合理簡化后通過midas GTS NX建立三維模型，模型圍巖等級為V級強風化糜棱巖。針對裂隙水發(fā)育及巖體破碎V級圍巖，本文分別采用CRD開挖法、三臺階開挖法、環(huán)形開挖預留核心土法對阿嘎下隧道進行模擬開挖。

模型計算區(qū)域：隧道平均埋深取35 m，地下水位線高度取95～105 m，為消除邊界條件的影響，從隧道開挖區(qū)域向兩側(cè)各取略大于5倍的洞徑，向下取略大于5倍的洞高，向上至地表，模型尺寸橫向長為240 m，豎向高為116～126 m，縱向沿隧道軸線方向長為140 m。環(huán)形開挖預留核心土法劃分為359 534個單元和242 059個節(jié)點，三臺階開挖法劃分為313 824個單元和217 210個節(jié)點，CRD開挖法劃分為343 189個單元和236 369個節(jié)點。在提取模型數(shù)據(jù)時，為消除隧道軸線方向邊界影響，提取模型軸向區(qū)間80～100 m段(即模型中心區(qū)間20 m)結(jié)果作為研究依據(jù)，計算模型如圖1所示，圍巖及隧道襯砌相關(guān)物理力學參數(shù)如表1所示。建立的模型為3D，重力方向為z軸方向，重力加速度為9.8 m/s2，水的容重取9.8 kN/m3。邊界約束：考慮流固耦合時[8]，在施加靜力約束的同時，根據(jù)勘探水位條件，在模型兩側(cè)施加總結(jié)點水頭95～105 m。

圖1 隧道模型網(wǎng)格

表1 阿嘎下隧道物理參數(shù)

阿嘎下隧道在施工過程中，不可避免地會造成周圍土體的擾動，進而導致周圍土體變形。因此，在CRD開挖法、三臺階開挖法及環(huán)形開挖預留核心土法3種方式開挖過程中，要加強對隧道周圍開挖土體的監(jiān)測，通過進行開挖隧道地表位移監(jiān)測從而掌握圍巖變形的關(guān)鍵參數(shù)。布置在距兩隧道中心左右各80 m(每2 m布置一個監(jiān)測點)的地表位移監(jiān)測點的布置示意如圖2所示。

2 不同開挖方式模擬開挖主要步驟

(1)環(huán)形開挖預留核心土法：開挖進尺為0.6 m，臺階長度為8 m，開挖示意如圖3所示。

圖2 地表位移監(jiān)測示意

(2)CRD開挖法：拱部超前支護→左側(cè)上部開挖→左側(cè)上部初期支護→左側(cè)下部開挖→左側(cè)下部初期支護→右側(cè)上部開挖→右側(cè)上部初期支護→右側(cè)下部開挖→右側(cè)下部初期支護→分段拆除臨時支護→仰拱及回填施工→(重復前述步驟，直到開挖結(jié)束)[9]。開挖進尺為0.6 m，臺階長度為8 m，開挖示意如圖4所示。

1—超前支護；2—上臺階弧形開挖；3—上臺階初期支護；4—上臺階核心土開挖；5—中臺階側(cè)部開挖；6—中臺階初期支護；7—中臺階核心土開挖；8—下臺階側(cè)部開挖；9—下臺階初期支護；10—下臺階核心土及仰拱開挖；11—仰拱初期支護。圖3 環(huán)形開挖預留核心土法示意

(3)三臺階開挖法：拱部超前支護→上弧形導坑開挖→上導坑拱部初期支護→中部開挖→邊墻初期支護→下部開挖→下導坑邊墻初期支護→仰拱及回填施工→邊墻二襯施工→(重復前述步驟，直到開挖結(jié)束)[10-11]。開挖進尺為0.6 m，臺階長度為8 m，開挖示意如圖5所示。

3 考慮流固耦合下阿嘎下隧道圍巖位移影響分析

3.1 CRD開挖法地表位移

采用CRD開挖法，開挖間距分別為1d、2d、3d、4d、5d時，隧道不同注漿圈左線與右線同步開挖地表沉降量如圖6～圖10所示。

1—左側(cè)上部開挖；2—左側(cè)下部開挖；3—右側(cè)上部開挖；4—右側(cè)下部開挖。圖4 CRD開挖法示意

圖5 三臺階開挖法示意

圖6 CRD法開挖間距1d地表沉降量 圖7 CRD法開挖間距2d地表沉降量 圖8 CRD法開挖間距3d地表沉降量

圖9 CRD法開挖間距4d地表沉降量 圖10 CRD法開挖間距5d地表沉降量

在考慮流固耦合情況下，對CRD開挖法分析如下：

(1)對圖6～圖10分析發(fā)現(xiàn)：若開挖間距保持不變，0.1d注漿圈引起地表沉降量最大，0.5d注漿圈引起地表沉降量最小，沉降量隨注漿圈的增大而減小；0.3d～0.5d注漿圈的沉降量曲線相差不大，且相對于0.1d～0.2d注漿圈的沉降量較小，但從低耗能、環(huán)保經(jīng)濟角度考慮，注漿圈厚度越小越好。綜合考慮，CRD開挖法在流固耦合工況下，建議注漿圈范圍在0.3d～0.4d較為適宜。

(2)分析表明：開挖間距為1d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-23.5 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-20.2 mm，沉降差為3.3 mm；開挖間距為5d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-16.3 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-15.3 mm，沉降差為1 mm。在流固耦合作用下，明顯可以看到隨著開挖間距的增加，沉降差從3.3 mm減小至1 mm，充分表明控制好開挖間距能減小開挖引起的沉降。

3.2 三臺階開挖法地表位移

采用三臺階開挖法，開挖間距分別為1d、2d、3d、4d、5d時，隧道不同注漿圈左線與右線同步開挖地表沉降量如圖11～圖15所示。

圖11 三臺階法開挖間距1d地表沉降量 圖12 三臺階法開挖間距2d地表沉降量 圖13 三臺階法開挖間距3d地表沉降量

圖14 三臺階法開挖間距4d地表沉降量 圖15 三臺階法開挖間距5d地表沉降量

在考慮流固耦合情況下，對三臺階開挖法分析如下：

(1)對圖11～圖15分析表明：開挖間距為1d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-42.8 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-32.4 mm，沉降差為10.4 mm；開挖間距為2d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-38.3 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-29.6 mm，沉降差為8.7 mm；開挖間距為3d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-33.7 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-26.7 mm，沉降差為7 mm；開挖間距為4d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-30 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-24 mm，沉降差為6 mm；開挖間距為5d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-29.6 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-22.9 mm，沉降差為6.7 mm。

(2)在流固耦合工況下，三臺階開挖引起地表沉降較大，但是通過增加開挖間距和注漿圈厚度，地表沉降量從0.1d注漿圈、1d開挖間距的-42.8 mm，減小到0.3d注漿圈、3d開挖間距的-28.8 mm(減小近32.7%)，減小到0.3d注漿圈、4d開挖間距的-25.8 mm(減小近39.7%)，減小到0.5d注漿圈、5d開挖間距的-22.9 mm(減小近46.5%)，表明增加開挖間距能有效控制地表沉降。

3.3 環(huán)形開挖預留核心土法地表位移

采用環(huán)形開挖預留核心土法，開挖間距分別為1d、2d、3d、4d、5d時，隧道不同注漿圈左線與右線同步開挖地表沉降量如圖16～圖20所示。

在考慮流固耦合情況下，對環(huán)形開挖預留核心土法分析如下：

(1)對圖16～圖20分析表明：開挖間距為1d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-48.2 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-34.4 mm，沉降差為13.8 mm；開挖間距為2d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-43 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-31.5 mm，沉降差為11.5 mm；開挖間距為3d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-37.5 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-28.3 mm，沉降差為9.2 mm；開挖間距為4d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-33.4 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-25.4 mm，沉降差為8 mm；開挖間距為5d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈的-32.7 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈的-25.1 mm，沉降差為7.6 mm。

圖16 核心土法開挖間距1d地表沉降量 圖17 核心土法開挖間距2d地表沉降量 圖18 核心土法開挖間距3d地表沉降量

圖19 核心土法開挖間距4d地表沉降量 圖20 核心土法開挖間距5d地表沉降量

(2)在流固耦合工況下，環(huán)形開挖預留核心土法引起地表沉降較大，但是通過增加開挖間距和注漿圈厚度，地表沉降量從0.1d注漿圈、1d開挖間距的-48.2 mm，減小到0.3d注漿圈、3d開挖間距的-31.1 mm(減小近35.5%)，再減小到0.3d注漿圈、4d開挖間距的-27.8 mm(減小近42.3%)，最后減小到0.5d注漿圈、5d開挖間距的-25.1 mm(減小近48%)，表明增加開挖間距能有效控制地表沉降。

3.4 不同開挖法地表位移對比

在流固耦合下，通過對CRD法、三臺階法、環(huán)形開挖預留核心土法3種開挖方式在不同開挖間距工況下的研究發(fā)現(xiàn)，每種開挖法在3d～4d開挖間距、0.3d注漿圈較為適宜，下面主要對3種開挖法在3d～4d開挖間距、0.3d注漿圈時的地表沉降量進行分析，如圖21、圖22及表2所示。可以看出，對于0.3d注漿圈、3d～4d開挖間距，CRD法地表沉降量最小，環(huán)形開挖預留核心土法沉降量最大，這是由于CRD開挖法有中隔墻支撐，導致沉降量減小，但從施工角度看，CRD法施工過程較為復雜，工期較長，造價高，除非地質(zhì)條件極差，一般建議不采用CRD法施工。本模擬CRD法開挖136步，三臺階法開挖112步，環(huán)形開挖預留核心土法開挖140步，環(huán)形開挖預留核心土法開挖比三臺階法、CRD法開挖所需步時長，最終監(jiān)測結(jié)果是以步時結(jié)束為止，導致環(huán)形開挖預留核心土法地表沉降量比三臺階法在開挖間距為3d時大7.4%、4d時大7.2%，同時表明圍巖開挖完成后，地應力荷載未完全釋放，預留的核心土能有效支撐開挖面的穩(wěn)定。為保證開挖面的穩(wěn)定，采用環(huán)形開挖預留核心土法，符合實際需求。

圖21 不同開挖法開挖間距3d、注漿圈0.3d地表沉降量

圖22 不同開挖法開挖間距4d、注漿圈0.3d地表沉降量

表2 不同開挖法開挖間距3d～4d、注漿圈0.3d地表最大沉降量 mm

4 結(jié)論

(1)研究3種不同開挖方式下圍巖地表沉降規(guī)律，結(jié)果表明，隨著注漿圈從0.1d增加至0.5d，3種開挖方式地表沉降量均呈減小趨勢。

(2)在考慮流固耦合工況下，開挖間距的增加會使地表沉降量變小，因此合理增加開挖間距能減小地表沉降。

(3)在考慮流固耦合工況下，分析滲流作用對圍巖地表沉降的影響，建議類似阿嘎下隧道工程采用環(huán)形開挖預留核心土法，開挖間距為3d、注漿圈為0.3d為宜。

(4)對于0.3d注漿圈、3d～4d開挖間距，CRD開挖法引起的地表沉降量最小，環(huán)形開挖預留核心土法引起的沉降量最大。