嚴(yán) 濤，金學(xué)松，王維嘉

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031;2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

岳西—潛山高速公路是國(guó)家重點(diǎn)公路濟(jì)南—廣州公路的一段。第五合同段起于安慶市岳西縣青天鄉(xiāng)老鴨村，起點(diǎn)樁號(hào)K88+655，止于岳西縣來(lái)榜鎮(zhèn)楓樹村，終點(diǎn)樁號(hào) K91+350，全長(zhǎng)2 695 m。其設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，標(biāo)段由老鴨嶺隧道和少部分路基構(gòu)成。老鴨嶺隧道為分離式2車道隧道，設(shè)計(jì)凈高為7.03 m，凈寬為10.50 m。左線隧道里程ZK88+680～ZK91+295長(zhǎng)2 615 m，右線隧道里程 YK88+775～YK91+280長(zhǎng)2 505 m，洞內(nèi)設(shè)有4個(gè)人行橫洞及3個(gè)車行橫洞，兩洞內(nèi)設(shè)有6個(gè)緊急停車帶。兩隧道凈間距在29～32 m之間，埋深在5～184 m之間，圍巖主要為花崗片麻巖，根據(jù)風(fēng)化程度和埋深等指標(biāo)劃分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，其中Ⅳ級(jí)圍巖占80%以上，因此，選擇正確的Ⅳ級(jí)圍巖開挖方法，是影響隧道施工安全、工程費(fèi)用和工程進(jìn)度的關(guān)鍵。由于兩隧道凈間距較大，左右線隧道施工干擾較小，本文取單線隧道進(jìn)行分析。通過ANSYS大型有限元軟件對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖采用全斷面開挖和上下臺(tái)階開挖進(jìn)行了詳細(xì)的比較。

1 隧道三維模型

為了研究隧道開挖所造成的位移和應(yīng)力狀態(tài)，以下述假定為前提［1］:

1)圍巖為均質(zhì)的各向同性的連續(xù)介質(zhì);

2)只考慮自重造成的初始應(yīng)力場(chǎng);

3)隧道形狀以規(guī)則的圓形為主。

二次襯砌作為長(zhǎng)期安全性儲(chǔ)備［2］，計(jì)算時(shí)不予考慮。初期支護(hù)由中空注漿錨桿、鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架和早強(qiáng)混凝土組成，建模時(shí)初期支護(hù)統(tǒng)一考慮為襯砌，用4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，老鴨嶺隧道Ⅳ級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1所示。開挖圍巖以及隧道周邊圍巖用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，圍巖采用彈塑性材料計(jì)算，屈服準(zhǔn)則采用Drucker-Prager準(zhǔn)則［3］，Ⅳ級(jí)圍巖及襯砌支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

取X方向?yàn)闄M向，Y方向?yàn)樨Q向，Z方向?yàn)榭v向隧道開挖前進(jìn)方向。以隧道圓心為原點(diǎn)，模型X方向左右各取50 m，Y方向向上取20 m，向下取50 m，Z方向取48 m，將隧道沿 Z方向分成8個(gè)開挖段，以Z=24 m處即第4和第5交界面作為目標(biāo)斷面，如圖2所示。對(duì)模型左右兩側(cè)邊界施加X方向的約束，下邊界施加Y方向的約束，上邊界為自由邊界，縱向約束Z方向位移。三維模型見圖3所示。

采用單元的“生”和“死”模擬隧道的開挖支護(hù)過程，隧道的開挖過程是通過殺死開挖部分的單元實(shí)現(xiàn)的，即把與死單元相關(guān)的剛度和荷載變?yōu)橐粯O小值［4］，每步開挖長(zhǎng)度為6 m;隧道的襯砌支護(hù)通過激活單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，每步支護(hù)長(zhǎng)度同樣為6 m。

老鴨嶺隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面開挖數(shù)值分析計(jì)算中，將整個(gè)施工過程分成以下9步:第1步(自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算)→第2步(第1段開挖支護(hù))→第3步(第2段開挖支護(hù))→第4步(第3段開挖支護(hù))→第5步(第4段開挖支護(hù))→第6步(第5段開挖支護(hù))→第7步(第6段開挖支護(hù))→第8步(第7段開挖支護(hù))→第9步(第8段開挖支護(hù))。開挖支護(hù)完畢見圖4。

圖1 Ⅳ級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表1 Ⅳ級(jí)圍巖及襯砌支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

圖2 隧道斷面示意 (單位:m)

圖3 整體圍巖和襯砌網(wǎng)格

圖4 全斷面開挖支護(hù)完畢網(wǎng)格

采用上下臺(tái)階開挖將整個(gè)施工步分成以下17步:第1步(自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算)→第2步(第1段上臺(tái)階開挖支護(hù))→第3步(第2段上臺(tái)階開挖支護(hù))→第4步(第3段上臺(tái)階開挖支護(hù))→第5步(第4段上臺(tái)階開挖支護(hù))→第6步(第5段上臺(tái)階開挖支護(hù))→第7步(第6段上臺(tái)階開挖支護(hù))→第8步(第7段上臺(tái)階開挖支護(hù))→第9步(第8段上臺(tái)階開挖支護(hù))→第10步(第1段下臺(tái)階開挖支護(hù))→第11步(第2段下臺(tái)階開挖支護(hù))→第12步(第3段下臺(tái)階開挖支護(hù))→第13步(第4段下臺(tái)階開挖支護(hù))→第14步(第5段下臺(tái)階開挖支護(hù))→第15步(第6段下臺(tái)階開挖支護(hù))→第16步(第7段下臺(tái)階開挖支護(hù))→第17步(第8段下臺(tái)階開挖支護(hù))。上下臺(tái)階開挖支護(hù)完畢見圖5。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 地表沉降

圖6給出了兩種開挖工況下目標(biāo)斷面在各施工步拱頂正上方的地表位移累積沉降量。從圖6中可以看出，兩種開挖工況下地表累積沉降量總體都成增加趨勢(shì)，全斷面開挖和上臺(tái)階開挖時(shí)，開挖到目標(biāo)斷面前后地表位移有較顯著的變化，而當(dāng)下臺(tái)階開挖到目標(biāo)斷面前后地表位移沉降并不明顯。全斷面開挖的地表累積沉降量是12.221 mm，而采用上下臺(tái)階法開挖地表累積沉降量為12.454 mm，兩種開挖方法的地表累積沉降量均滿足規(guī)范要求。因此，在圍巖條件較好的Ⅳ級(jí)圍巖中，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)即采用全斷面開挖方法將減小由于開挖造成的地表沉降量。

圖5 上下臺(tái)階開挖支護(hù)完畢網(wǎng)格

圖6 兩種開挖工況地表位移累積沉降量

2.2 拱頂沉降

拱頂位移的發(fā)展是反應(yīng)隧道穩(wěn)定性的一個(gè)重要標(biāo)志，過大的位移變形將造成隧道的凈空不足甚至破壞。圖7給出了兩種開挖工況下目標(biāo)斷面在各施工步下隧道拱頂圍巖累積下沉的變化規(guī)律，兩種開挖工況下主洞開挖影響的范圍在2到3個(gè)開挖段范圍內(nèi)，拱頂位移在全斷面開挖和上臺(tái)階開挖經(jīng)過目標(biāo)斷面的第5到第6施工步間有明顯的沉降，并隨著時(shí)間的增加，沉降趨于穩(wěn)定。全斷面開挖時(shí)，拱頂累積沉降了12.074 mm，而上下臺(tái)階開挖累積沉降了12.428 mm。因此在巖性較好的圍巖中，且開挖不易坍塌，應(yīng)采取減少圍巖擾動(dòng)次數(shù)的全斷面開挖方法。

2.3 圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

圖7 兩種開挖工況拱頂圍巖累積沉降量

開挖前巖體處于初始應(yīng)力狀態(tài)，謂之一次應(yīng)力狀態(tài);開挖后由于應(yīng)力重新分布，圍巖處于二次應(yīng)力狀態(tài);開挖后為了使圍巖保持穩(wěn)定而施加支護(hù)，這就是三次應(yīng)力狀態(tài)［5］。兩種工況開挖完畢后目標(biāo)斷面的圍巖應(yīng)力值和圍巖應(yīng)力圖分別見表2和圖8，兩種開挖方法所引起的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，但大小不一，上下臺(tái)階法開挖圍巖所承受的最大拉應(yīng)力是采用全斷面開挖圍巖所承受的最大拉應(yīng)力的2倍，但全斷面開挖圍巖所承受的最大壓應(yīng)力是上下臺(tái)階法開挖的所承受的最大壓應(yīng)力的2倍多，由于圍巖能承受一定的壓應(yīng)力，而承受拉應(yīng)力的能力很差，因此從圍巖應(yīng)力情況來(lái)比較，Ⅳ級(jí)圍巖開挖選擇全斷面開挖方法優(yōu)于上下臺(tái)階法開挖。

表2 兩種開挖工況開挖完畢目標(biāo)斷面圍巖應(yīng)力MPa

圖8 兩種工況開挖完畢目標(biāo)斷面主應(yīng)力

2.4 襯砌變化規(guī)律

兩種工況開挖支護(hù)完畢后襯砌應(yīng)力值及應(yīng)力圖分別見表3及圖9。由表3可知采用上下臺(tái)階法開挖，襯砌所承受的最大拉應(yīng)力比采用全斷面開挖時(shí)襯砌所承受的最大拉應(yīng)力大0.83 MPa;但全斷面開挖襯砌所承受的最大壓應(yīng)力比上下臺(tái)階法開挖時(shí)襯砌所承受的最大壓應(yīng)力大4.24 MPa，由于襯砌能承受一定的壓應(yīng)力，而承受拉應(yīng)力的能力很差，為了減小襯砌所承受的拉力，宜采用全斷面開挖方法。圖9中全斷面開挖襯砌第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在邊墻底，施工此處襯砌時(shí)應(yīng)盡量做到平滑圓順，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中破壞襯砌結(jié)構(gòu);上下臺(tái)階法開挖時(shí)第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在上下支護(hù)連接處，應(yīng)盡量使上下支護(hù)連接順直，形成整體受力，減小連接處的應(yīng)力。

表3 兩種開挖工況襯砌應(yīng)力值 MPa

圖9 兩種工況開挖完畢襯砌主應(yīng)力

3 結(jié)論

1)Ⅳ級(jí)圍巖開挖，相比采用上下臺(tái)階法開挖，采用減少對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)的全斷面開挖將減少由于開挖造成的地表沉降量，若隧道上方地表有建筑物，對(duì)地表沉降有嚴(yán)格要求，應(yīng)優(yōu)先考慮采用全斷面開挖方法。

2)隧道開挖將引起開挖處拱頂位移有一個(gè)明顯的沉降，并隨著時(shí)間的增加，此處沉降趨于穩(wěn)定，采用全斷面開挖拱頂累積沉降量相對(duì)較小。

3)圍巖承受拉應(yīng)力的能力較差，而上下臺(tái)階法開挖圍巖所承受的最大拉應(yīng)力是采用全斷面開挖圍巖所承受的最大拉應(yīng)力的2倍，因此采用全斷面開挖更加安全。

4)襯砌結(jié)構(gòu)也能承受一定的壓應(yīng)力而承受拉應(yīng)力能力較差，上下臺(tái)階法開挖襯砌所承受的最大拉應(yīng)力比采用全斷面開挖時(shí)襯砌所承受的最大拉應(yīng)力大0.83 MPa，應(yīng)優(yōu)先采用全斷面開挖方法。兩種開挖工況下，邊墻襯砌都是主應(yīng)力集中的地方，施工時(shí)應(yīng)盡量保證此處結(jié)構(gòu)平滑圓順，減小應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)安全。

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