水工隧洞上下臺階法開挖的數值模擬研究

呂金輝

(中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

0 前 言

隨著國家的經濟不斷發展，越來越多的隧洞工程應運而生，對此學者們也進行了大量的研究。楊洋等利用FLAC3D對隧洞穿越含煤地層時，隧洞的位移和變形、圍巖應力變化進行了研究，研究結果表明：不同的工況條件下，隧洞的位移和變形均有所不同。李釗等對隧洞臺階長度對隧洞變形的影響進行了研究，研究結果表明：臺階長度對隧洞圍巖應力、塑性區范圍有較大的影響。閆肅利用數值模擬技術，對隧洞開挖的長度、高度進行了優化研究，研究結果表明：開挖臺階的長度應當控制在5m范圍內，可以保證拱頂沉降和水平位移控制在合理的范圍內。彭波對雙側壁導坑法、三臺階七步法和雙側壁結合臺階法三種開挖方法進行了數值模擬研究，研究結果表明：雙側壁更適合超大斷面扁平結構隧洞。李希文等利用FLAC3D對隧洞圍巖變化規律進行了研究，研究結果表明：臺階法施工中豎向位移普遍大于水平位移。朱海濤對不同的開挖方法對地表沉降規律和預測曲線進行了研究，研究結果表明：臺階法適合常規隧洞的開挖。梅竹結合一實際隧洞工程，利用數值模擬對隧洞開挖的整個過程進行了研究，研究結果表明：Ⅳ級圍巖更適合臺階法施工，更利于提高襯砌的安全性。譚忠盛等認為長大隧洞更適合地質地層隧洞大斷面開挖工法，并通過現場實驗證明：此類開挖工法可減少對圍巖體的振動。王傳勇結合一地鐵隧洞項目，提出了在標準段進行上臺階和下臺階進行盾構施工，通過實踐表明此類施工方法能夠縮短工期，控制沉降。歐予月通過工程造價軟件對CD法進行了研究，研究結果表明：CD法施工時序復雜、工期長且經濟性差[1-2]。

以上的研究多集中于不同施工方式對隧洞施工的影響，沒有涉及到隧洞開挖的整個過程，因此文章結合一實際隧洞工程，利用上下臺階法還原了隧洞開挖的全過程，對隧洞開挖進行了研究。

1 工程概況

該隧洞位于我國西部地區，經地質勘察巖土體主要由風化土、風化巖和軟巖組成，采用上下臺階法對隧洞進行支護，隧洞的尺寸如圖1所示，巖土體的物理力學性質如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 隧洞尺寸圖(單位：m)

2 數值模擬

2.1 模型的建立

數值模擬采用MIDAS GTS進行模擬，選擇的巖土體的尺寸長×寬×高為90m×50m×60m(圖2)，此邊界長約是隧洞的4倍，高約是隧洞的3倍，經試算此邊界的長或高增加1m，隧洞的受力和位移變化不超過0.1%，說明隧洞邊界的選取是合理的。

數值模擬中隧洞襯支選擇板單位，材料屬性為各向同性的彈性模型，厚度為0.2m，彈性模量為2×107kN.m2，泊松比為0.31，容重23 kN.m3，二襯選擇3D實體單元，彈性模量為3.15×107kN.m2，泊松比為0.28，容重25kN·m3，錨桿選擇植入式桁架單元，彈性模量為2×108kN·m2，泊松比為0.26，容重78kN·m3。

巖土體和隧洞均選擇混合四面體網格，數值模擬計算至隧洞平衡時結束。

2.2 模擬的結果

2.2.1 位移分析

加固邊坡后的豎向位移和總體位移如圖3和圖4所示。

圖4 隧洞巖土體總體位移(單位：m)

如圖3所示，隧洞巖土體拱底處的豎向位移最大位于拱底處，數值為8.3mm，拱頂處豎向位移方向豎直向上，數值為1.2mm，地面的位移方向主要是豎直向下，數值為5.4mm，位于隧洞的正上方。以上的數值均不超過20mm，說明上下臺階法開挖時，隧洞巖土體的豎向位移是控制在工程允許的范圍內的，不會對隧洞安全造成隱患。

位移<5mm的巖土體所占整個巖土體的70%，超過50%的巖土體幾乎沒有豎向位移，說明隧洞施工并不會對周圍巖土體造成過大的擾動。

如圖4所示，隧洞巖土體拱底處的總體位移最大位于拱底處，最大數值為9.3mm，拱頂處總體位移最大數值為1.3mm，地面的位移方向主要是豎直向下，數值為5.4mm，位于隧洞的正上方。依據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T202-2013)可知，以上的數值均不超過20mm，說明上下臺階法開挖時，隧洞巖土體的總體位移是控制在工程允許的范圍內的，不會對隧洞安全造成隱患。

位移<5mm的巖土體所占整個巖土體的69%，超過48%的巖土體幾乎沒有位移，說明隧洞施工并不會對周圍巖土體造成過大的擾動。

2.2.2 應力分析

隧洞巖土體X和Z軸方向所受應力如圖5和圖6所示。

圖5 隧洞巖土體所受X方向的應力(單位：kN/m2)

圖6 隧洞巖土體所受Z方向的應力(單位：kN/m2)

隧洞巖土體所受X方向的應力如圖5所示，應力主要集中于軟巖區域，即隧洞開挖所在的巖土體，風化巖與軟巖交界處出現少量的應力集中巖土體，此處巖土體最大應力為4.5×10-2kN/m2，位于隧洞左右兩側，所占比例約為5%，隧洞開挖面周圍巖土體超過30%比例應力超過2.0×10-2kN/m2，此數值不超過巖土體所受的最大塑性屈服極限，可認為隧洞開挖對巖土體X方向的應力滿足工程要求。

風化土和風化巖區域的應力幾乎沒有任何變化，說明風化土和風化巖區域施工中可以不作重點考慮。

隧洞巖土體所受Z方向的應力如圖6所示，應力主要集中于軟巖區域，最大應力為8.7×10-2kN/m2，位于隧洞左右兩側，所占比例約為6%，隧洞開挖面周圍超過35%比例巖土體應力超過2.3×10-2kN/m2，此數值不超過巖土體所受的最大塑性屈服極限，可認為隧洞開挖對巖土體Z方向的應力滿足工程要求。

風化土和風化巖區域所受Z方向應力幾乎沒有任何變化，說明施工中風化土和風化巖區域可以不作重點考慮。

2.2.3 數值模擬總結

位移方面從水平位移和總體位移進行了研究，研究結果表明：地表處水平位移和豎向位移均控制在合理的范圍內，此位移不會對周圍巖土體造成不良的影響。

選擇了隧洞巖土體的X方向和Z方向的受力進行了研究，研究結果表明：應力主要集中于隧洞左右兩側，同時主要集中于軟巖區域，風化土和風化巖區域幾乎不受影響，說明隧洞防治應力集中的重點在于軟巖區域，尤其是隧洞開挖區域，另一方面，應力集中區域巖土體所受最大應力均控制在合理范圍內，同樣也不會造成不良影響。

3 結 論

文章結合MIDAS GTS數值模擬技術，還原了上下臺階法隧洞施工的全過程，研究結果表明：

1)隧洞開挖區域巖土體的位移最大處分別發生在拱頂處(位移向上)和拱底處(位移向下)，最大豎向位移為8.3mm，最大總體位移為9.3mm，此位移值均控制在合理的范圍內，不會對周圍巖土體造成不良影響，地表處的位移值均不超過6mm，此位移也滿足隧洞工程的位移要求；

2)隧洞開挖區域所受X方向和Z方向的應力最大值分別為4.5×10-2kN/m2和8.7×10-2kN/m2，此數值均控制在合理的范圍內，不會對隧洞安全造成不良的影響；

3)隧洞的位移和受力沒有發生明顯的位移集中和應力集中現象，說明了此地質條件下上下臺階隧洞開挖是合理可行的，風化土和風化巖區域幾乎沒有發生明顯的位移和應力集中，因此可認為隧洞開挖施工防范的重點在于軟巖區域，風化土和風化巖區域可暫不考慮。

4)此工程可供上下臺階法隧洞開挖提供參考，對于復雜的隧洞開挖工程項目，則有待進一步研究。