淺埋水工隧道開挖工法對(duì)比研究

丁 瑩，馮思超

（華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國家對(duì)各基建工程的投入也在不斷增長(zhǎng)，各大基建工程都在往地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)發(fā)展。為響應(yīng)國家“十四五”規(guī)劃，各地啟動(dòng)修建的許多抽水蓄能工程，需要修建許多淺埋水工隧道。水工隧洞承載著引水、輸水和排水等重要功能，在實(shí)現(xiàn)規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)中扮演著十分重要的角色。然而，當(dāng)隧道埋深較淺，地表地質(zhì)條件較差時(shí)，隧洞開挖極易發(fā)生塌陷、突水等安全事故。

對(duì)于淺埋隧洞而言，其地表地質(zhì)條件較差，隧洞圍巖自穩(wěn)能力較弱，開挖極易出現(xiàn)冒頂、涌水等問題。因此，許多專家學(xué)者在隧洞開挖變形方面做出了研究。伍良波等[1]基于Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，采用極限分析法計(jì)算淺埋隧道的圍巖壓力和穩(wěn)定系數(shù)；李生杰等[2]以高速公路隧道安遠(yuǎn)隧道為例，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析得出軟巖大變形的特性和發(fā)生變形的主要原因；張衛(wèi)國[3]對(duì)某超淺埋風(fēng)積砂質(zhì)新黃土隧道在施工時(shí)運(yùn)用超前小導(dǎo)管進(jìn)洞技術(shù)進(jìn)行研究，得出超前小導(dǎo)管進(jìn)洞技術(shù)在該類隧道現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)各方面的優(yōu)勢(shì)極大。袁青等[4]對(duì)富水淺埋軟巖隧道軟巖大變形機(jī)理進(jìn)行研究，得出大變形是由多種因素耦合形成的，地下水為主要控制因素，并對(duì)此提出“內(nèi)外結(jié)合”的主動(dòng)控制技術(shù)。

本文以某淺埋水工隧洞工程為例，通過FLAC3D模擬隧洞開挖過程，對(duì)比不同開挖工法下隧洞圍巖位移、錨桿應(yīng)力和噴混位移，選擇該工程適合的開挖工法，并對(duì)其他工程提供一定參考。

1 計(jì)算模型建立

1.1 工程概況

本文以該工程隧洞所穿Ⅴ圍巖段為原基礎(chǔ)，隧洞寬5.1 m，高5.835 m，該段埋深約為18～20 m，其圍巖主要以角閃片巖為主，隧洞所穿巖層為強(qiáng)風(fēng)化角閃片巖，其巖體強(qiáng)度弱，節(jié)理發(fā)育，為Ⅴ級(jí)圍巖。

該隧洞支護(hù)方案為初期支護(hù)使用噴錨支護(hù)，之后進(jìn)行二次襯砌，Ⅴ級(jí)圍巖段灌漿錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)：灌漿錨桿采用3 m 徑向錨桿，間距1.0 m，排距1.0 m，噴混部分采用C20 混凝土掛網(wǎng)噴護(hù)，厚20 cm，襯砌部分采用C25 混凝土進(jìn)行襯砌，厚60 cm。

1.2 模型建立

該模型建立基于應(yīng)盡量減少“邊界效應(yīng)”影響的原則，邊界橫向上取隧洞中心到左右邊界的距離約3～5倍洞徑，而下邊界到洞底的距離為2～3 倍洞徑。根據(jù)上述原則，建模時(shí)橫向從隧洞中線位置向兩側(cè)各取25 m、豎向取仰拱底部以下30 m、豎向上邊界為地表，沿隧洞縱向取30 m。網(wǎng)格基本為1.5 m×1.5 m×1.5 m 的六面體網(wǎng)格，隧洞附近加密處理。模型共包括實(shí)體單元46 317 個(gè)，節(jié)點(diǎn)45 519 個(gè)，建立模型如圖1 所示。

圖1 地層模型示意圖

1.3 參數(shù)選取

隧洞施工分為2 種開挖工況，分別為全斷面開挖和三臺(tái)階法開挖，2 種工況的進(jìn)尺都為3 m。其中，全斷面開挖工法一個(gè)進(jìn)尺為3 m，每個(gè)進(jìn)尺按順序進(jìn)行開挖，共10 個(gè)進(jìn)尺，每個(gè)進(jìn)尺開挖完成后即刻進(jìn)行初期支護(hù)，隨即開始下一步開挖并進(jìn)行初期支護(hù)，在每一個(gè)進(jìn)尺開挖和支護(hù)完成以后，再對(duì)前一個(gè)進(jìn)尺隧洞施加二次襯砌；臺(tái)階法開挖通過將隧洞分成3 部分進(jìn)行分層開挖，并保持邊開挖邊支護(hù)原則，首先開挖上臺(tái)階并施加初期支護(hù)，之后中臺(tái)階滯后上臺(tái)階一個(gè)進(jìn)尺進(jìn)行開挖并施加初期支護(hù)，下臺(tái)階同理。3 個(gè)臺(tái)階可以同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立開挖，等同一進(jìn)尺的三臺(tái)階開挖完成后，一次性施加二次襯砌。表1 為隧洞圍巖物理參數(shù)，表2 為隧洞圍巖物理參數(shù)和各支護(hù)參數(shù)。

表1 2#隧洞圍巖物理參數(shù)

表2 隧洞支護(hù)方案設(shè)計(jì)參數(shù)

2 開挖方案結(jié)果分析

2.1 不同工況下圍巖位移分析

以下是通過FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬后，獲得三臺(tái)階法和全斷面法完全開挖后形成的位移云圖，如圖2—圖3 所示。

圖2 三臺(tái)階法開挖隧洞圍巖位移云圖

圖3 全斷面法開挖隧洞圍巖位移云圖

隧洞開挖結(jié)束后，對(duì)比2 種開挖工法，2 種開挖工法均圍繞隧洞開挖面產(chǎn)生變形，2 種工法最大位移均位于拱頂，三臺(tái)階法隧洞各臺(tái)階開挖總位移最大的位置均位于拱頂，地表次之，而隧洞側(cè)壁位移最小。2 種工法中地表、隧洞拱頂和隧洞側(cè)壁的位移見表3。

表3 不同開挖工法下各關(guān)鍵點(diǎn)位移

綜合上述分析可知，2 種工法圍巖位移呈現(xiàn)趨勢(shì)基本相同，只是量值上呈現(xiàn)差異，并與實(shí)際工程圍巖位移相符合。全斷面法的位移小于三臺(tái)階法主要原因在于三臺(tái)階法開挖時(shí)，二次襯砌支護(hù)需要等到三個(gè)臺(tái)階全部開挖完成后進(jìn)行支護(hù)，隧洞最大位移在上臺(tái)階拱頂位置，其開挖完成后雖立即增設(shè)初期支護(hù)，但二次襯砌時(shí)間與進(jìn)尺跨度大，不利于限制圍巖的變形。并且全斷面法開挖時(shí)間和對(duì)圍巖的擾動(dòng)相較于三臺(tái)階法更小，減少人為對(duì)隧洞圍巖變形的影響。

2.2 不同工況下初期支護(hù)錨桿應(yīng)力分析

本節(jié)對(duì)支護(hù)體系結(jié)構(gòu)中的灌漿錨桿的不同工況進(jìn)行有限元建模計(jì)算，分析各種工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，從而對(duì)比兩種工法適用性。

由于全斷面開挖與三臺(tái)階法開挖一個(gè)循環(huán)的進(jìn)尺不同，故采用2 種工法全段開挖完成后的錨桿應(yīng)力進(jìn)行分析。如圖4 所示。

圖4 不同工況下錨桿應(yīng)力云圖

由圖4 可知，2 種工法錨固段的受力以洞軸線對(duì)稱分布，其中拱頂、拱頂兩側(cè)受力比較大，最大受力點(diǎn)在拱頂處，拱腳位置受力較小；對(duì)于全段隧洞而言，主要在臨近每個(gè)進(jìn)尺的掌子面受力較大。對(duì)于2 種不同開挖工法來說，三臺(tái)階法開挖使錨桿受力更大，軸向應(yīng)力最大為30.2 MPa；而全斷面法開挖使錨桿受力較小，軸向應(yīng)力最大為20.7 MPa。

2.3 不同工況下初期支護(hù)噴混位移分析

由于全斷面開挖與三臺(tái)階法開挖一個(gè)循環(huán)的進(jìn)尺不同，故采用2 種工法全段開挖完成后的噴混位移進(jìn)行分析。如圖5、圖6 所示。

圖5 三臺(tái)階法噴混位移云圖

圖6 全斷面法開挖噴混云圖

由上圖可知，2 種工況的噴混位移云圖趨勢(shì)大致相同，噴混位移都表現(xiàn)出圍繞隧洞中線對(duì)稱分布的現(xiàn)象，并且最大變形位置都為拱頂與側(cè)壁，表4 為二者不同位置位移比較。

表4 不同工法噴混變形位移mm

隧洞開挖結(jié)束后，對(duì)比2 種開挖工法，2 種開挖工法噴混均圍繞隧洞開挖面產(chǎn)生變形，2 種工法最大位移均位于拱頂。對(duì)比2 種工法在整體位移、拱頂和側(cè)壁位置位移全斷面法開挖要小于三臺(tái)階法。

從以上結(jié)論可得到全斷面法和三臺(tái)階法各有優(yōu)劣，全斷面法開挖時(shí)噴混的變形小于三臺(tái)階法開挖時(shí)噴混的變形，但在底板位置有較大位移。

3 結(jié)論

通過三臺(tái)階法和全斷面法2 種開挖方法進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析模擬結(jié)果，總結(jié)如下。

1）在圍巖位移方面，2 種工法最大位移均位于拱頂，地表次之，而隧洞側(cè)壁位移最小。整體來看，全斷面法在控制隧洞圍巖變形方面效果更佳。

2）在初期支護(hù)錨桿應(yīng)力方面，2 種工法錨固段的受力以洞軸線對(duì)稱分布，最大受力點(diǎn)在拱頂處，拱腳位置受力最小。三臺(tái)階法開挖使錨桿受力較大，軸向應(yīng)力最大為30.2 MPa；而全斷面法開挖使錨桿受力較小，軸向應(yīng)力最大為20.7 MPa。全斷面法的錨桿應(yīng)力相較于三臺(tái)階法的錨桿應(yīng)力偏小，與圍巖位移趨勢(shì)相符合。

3）在初期支護(hù)噴混位移方面，2 種工況的位移云圖趨勢(shì)大致相同，最大變形位置都為拱頂與側(cè)壁。全斷面法開挖過程中噴混底板位置有較大豎向位移，而三臺(tái)階法中噴混側(cè)壁位置位移較集中，整體位移上全斷面法小于三臺(tái)階法，2 種工法各有優(yōu)劣。

綜上所述，對(duì)于該工程而言，全斷面法較三臺(tái)階法開挖更具穩(wěn)定性，符合規(guī)范要求。