陳 勇

(廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510034)

軟巖+大跨度隧道施工力學(xué)模擬與分析

陳 勇

(廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510034)

永九快速線永龍隧道的雙向6車道淺埋大跨扁平結(jié)構(gòu)，對圍巖穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)受力均產(chǎn)生不利影響. 利用有限元程序模擬V級圍巖軟巖地質(zhì)條件下大跨度隧道的動態(tài)施工過程，以隧道施工后周邊圍巖穩(wěn)定性和初期支護及臨時支護安全性為指標分析開挖效果，從理論和與實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果證實了上下臺階雙側(cè)壁導(dǎo)坑法設(shè)計施工方案的合理. 研究成果為同類工程的設(shè)計與施工提供理論參考.

永龍隧道；軟弱圍巖；大跨度隧道；上下臺階雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；力學(xué)分析；支護

大跨度隧道的開挖不僅取決于工程地質(zhì)條件及斷面跨度與形狀，而且在很大程度上受開挖工藝的影響.大跨度隧道一般采取分步開挖，開挖順序不同，圍巖應(yīng)力分布差別甚大，因此，開挖順序不同，圍巖穩(wěn)定程度存在差異，這就是工程開挖的動態(tài)力學(xué)特性. 目前對軟弱圍巖大跨度隧道較常用的施工方法有單側(cè)壁導(dǎo)坑法(CD法)、中壁交叉法(CRD法)及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[1]. 隧道開挖方案的模擬，大部分文獻是二維分析，沒有考慮到隧道開挖過程的空間效應(yīng)，不能反映開挖進程的變化情況[2]. 為此，本文采用三維有限差分法(FLAC3D)對永龍隧道不同工況下圍巖與支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進行模擬分析，揭示大跨度隧道在不同開挖階段的受力分布情況，為隧道掘進工程設(shè)計和施工提供了重要的參考依據(jù).

1 永龍隧道主要特點

左線隧道起點里程Zk0+845，止點里程Zk2+710，長1 865m，隧道路面設(shè)計高程71.41~56.76m；右線隧道起點里程Yk1+086，止點里程Yk2+705，長1 619m，隧道路面設(shè)計高程76.42~57.31m. 隧道洞高約9.00m，隧道界限寬度13.75m，呈扁平狀結(jié)構(gòu). 隧道進出口進過地段多為Ⅴ級圍巖，少量屬于Ⅳ級圍巖. 由于圍巖級別較低，在隧道開挖前進行了注漿、錨桿、管棚等預(yù)加固措施處理.

隧道采用上下臺階雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其斷面開挖及支護步驟如圖1所示. 具體施工工序為：1拱部φ42小導(dǎo)管(V級圍巖)或φ108管棚(V級圍巖加強段)超前支護注漿；2開挖左側(cè)導(dǎo)坑上臺階；3施作左側(cè)導(dǎo)坑上臺階的初期支護(錨噴支護)、臨時支護；4開挖左側(cè)導(dǎo)坑下臺階；5施作左側(cè)導(dǎo)坑下臺階的初期支護(錨噴支護)、臨時支護；6開挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺階；7施作右側(cè)導(dǎo)坑上臺階的初期支護(錨噴支護)、臨時支護；8開挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺階；9施作右側(cè)導(dǎo)坑下臺階的初期支護(錨噴支護)、臨時支護；10開挖中間上部核心土；11施作中上部的初期支護(錨噴支護)、臨時支護；12開挖中心下臺階；13施作中心底部的初期支護；14拆除臨時支護，鋪設(shè)防水層，模筑二次襯砌；15施作路面和內(nèi)部結(jié)構(gòu).

圖1 隧道典型斷面及施工工序圖

2 隧道施工過程力學(xué)分析

采用三維有限差分法(FLAC3D)對永龍隧道典型施工過程進行模擬分析，并對該隧道支護前后的力學(xué)性能進行分析，能夠考慮到隧道軸線方向的地面不平整性對典型斷面的力學(xué)影響，以及能夠考慮施工的空間效應(yīng)，從而能夠更加真實地反映支護的力學(xué)狀態(tài).

2.1 計算范圍的選取

根據(jù)地形圖建立網(wǎng)格，模型的橫向?qū)挾葹?00m，沿線路縱向長度為30m，按埋深15m取至地表，距隧底仰拱往下取30m，三維計算網(wǎng)格如圖1所示. 計算模型的邊界條件上部為自由邊界，底部為Z方向均受到約束，其余四個側(cè)面為法向約束邊界. 模擬斷面的里程樁號為zK1+880~zK1+910.

圖2 各工況模型網(wǎng)格劃分圖

在三維數(shù)值分析中，隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，采用 Mohr-Coulomb屈服準則. 圍巖采用三維實體單元(brick和wedge)，初期支護采用空間殼單元(shell)，二次襯砌、仰拱采用三維實體單元(brick)，且計算中視為彈性體. 模型單元總數(shù)11 690，節(jié)點總數(shù)13 255，結(jié)構(gòu)單元數(shù)2 925. 因隧道為淺埋隧道，故計算時僅考慮自重應(yīng)力場. 根據(jù)地質(zhì)資料，圍巖的參數(shù)取兩層土體，分別為上部V級圍巖厚度為29m~40m，下部Ⅲ級圍巖厚度30m.

2.2 計算參數(shù)的確定

隧道洞身主要穿越Ⅴ級圍巖，隧道基底位于Ⅲ級圍巖，模擬計算時假設(shè)圍巖為均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，其物理力學(xué)性質(zhì)根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料并結(jié)合規(guī)范[4]來取值. 初期支護采用C20 噴射混凝土，其參數(shù)取值見表1. 注漿小導(dǎo)管超前預(yù)支護的加固效果，根據(jù)經(jīng)驗通過提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)來模擬. 錨桿的作用效果根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[4]建議，Ⅳ級圍巖可將加固區(qū)的圍巖凝聚力提高 20%來處理. 鋼拱架的作用也采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土[6]. 計算沒有考慮鋼筋網(wǎng)的作用效果，作為結(jié)構(gòu)的安全儲備.

表1 圍巖及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

圖3 開挖中洞室周邊位移

2.3 隧道周邊位移從整個位移場結(jié)果來看，隧道在開挖后位移不大，拱頂最大位移值為3.16mm. 從位移值判斷，隧道及周圍土體處于穩(wěn)定狀態(tài).

2.4 圍巖塑性區(qū)

圖4 開挖過程中洞室周圍塑性區(qū)

上圖中為施工中圍巖的塑性區(qū)，圖4a為兩側(cè)導(dǎo)洞開挖圍巖的塑性區(qū)，圖4b為全斷面開挖圍巖的塑性區(qū). 總的來說，圍巖的塑性區(qū)均不大，集中在洞室周圍，塑性區(qū)徑縱向為1.2R，橫向為0.4R，以剪切塑性屈服為主.

2.5 主應(yīng)力

圖5 開挖過程中洞室主應(yīng)力

上圖中為施工中圍巖的主應(yīng)力，圖5a和圖5b為兩側(cè)導(dǎo)洞開挖圍巖的主應(yīng)力圖，圖5c~圖5f為全斷面開挖后圍巖及二襯的主應(yīng)力. 總的來說，圍巖的主應(yīng)力均不大，圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài). 在開挖的工作面，隧道拱腳，拱部，以及仰拱部位會出現(xiàn)拉應(yīng)力，施工中應(yīng)給予注意. 從分析可知，上下臺階雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是合理的施工方案.

2.6 各工況初期支護安全系數(shù)

2.6.1 襯砌截面強度檢算

對初期支護各施工工況下洞周關(guān)鍵點的安全系數(shù)按破損階段法計算如下，洞周關(guān)鍵點如下所示.

圖6 洞室關(guān)鍵點部位示意

表2 圖6a左側(cè)上臺階開挖18m后初基支護關(guān)鍵點部位安全系數(shù)

表3 圖6a右側(cè)側(cè)下臺階開挖后初基支護關(guān)鍵點部位安全系數(shù)

表4 圖6a左右導(dǎo)坑貫通后初基支護關(guān)鍵點部位安全系數(shù)

表5 圖6b全斷面開挖后初基支護關(guān)鍵點部位安全系數(shù)

從安全系數(shù)計算結(jié)果可知，在開挖兩側(cè)壁導(dǎo)坑上臺階時，導(dǎo)坑墻角處安全系數(shù)較小，其余均超出設(shè)計的安全系數(shù). 因此施工時對上臺階開挖導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中應(yīng)適當提高結(jié)構(gòu)的強度.

2.6.2 開挖方案的施工驗證

本文模擬斷面的里程樁號為zK1+880~zK1+910，現(xiàn)取zk1+888、zk1+898兩個隧道斷面拱頂沉降與時間關(guān)系圖如下：

圖7 拱頂位移與時間關(guān)系圖

從監(jiān)控量測的拱頂沉降曲線是收斂的，說明圍巖是穩(wěn)定的，施工是安全的. 測得最大拱頂沉降為4.5mm.數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本吻合，證實了實際開挖方案的合理.

3 結(jié)論

通過對軟弱圍巖大跨度隧道開挖方案的三維數(shù)值模擬，理論分析和監(jiān)控量測結(jié)果表明：

1)從整個位移場結(jié)果來看，隧道在開挖后位移不大，拱頂最大位移值為3.16mm. 從位移值判斷，隧道及周圍土體是處于穩(wěn)定狀態(tài). 與監(jiān)控量測結(jié)果對比，證明模型是合理的，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本吻合，證實了采用上下臺階雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖方案的合理.

2)圍巖的塑性區(qū)均不大，集中在洞室周圍，塑性區(qū)半徑縱向為1.2R，橫向為0.4R，以剪切塑性屈服為主.

3)隧道初期支護最小安全系數(shù)分別為2.507，滿足施工安全要求，說明初期支護是合理的. 最不安全的地方在開挖兩側(cè)壁導(dǎo)坑上臺階時的導(dǎo)坑墻角處，因此，施工時對上臺階開挖導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中應(yīng)適當提高結(jié)構(gòu)的強度.

［1］程崇國, 王新平. 對3車道大斷面公路隧道問題的思考[J]. 公路交通技術(shù), 2002(3): 78-81.

［2］管海濤, 鄧榮貴, 孫冬麗. 隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模擬分析[J]. 四川建筑, 2005, 25(6): 53-54.

［3］中華人民共和國交通部. JTJ024-94 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 1995.

［4］重慶交通科研設(shè)計院. JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

［5］潘昌實. 隧道力學(xué)數(shù)值方法[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 1995.

［6］吳 波, 高 波, 索曉明, 等. 城市地鐵小間距隧道施工性態(tài)的力學(xué)模擬與分析[J]. 中國公路學(xué)報, 2005, 18(3): 84-89.

(責任編輯：饒 超)

Simulation and Analysis of Construction Behavior of Large-Span Tunnel in Soft Rocks

CHEN Yong
(Guangdong Zhonggong Architectural Design Institute Co. Ltd.,Guangzhou 510034, China)

The shallow buried long-span flat structure of Eternal-nine fast line Yong long tunnel for two-way six lanes tunnel reduce the stability of the surrounding rock mass and the tunnel structure. The construction procedure of the tunnel section in the rock mass with a rank of V was simulated using finite element method and was evaluated based on the criteria: the stability of the surrounding rock mass and the safety of preliminary and temporary supports. From the view point of theory and the result of contrast analysis of in-situ monitoring, confirmed fluctuation steps both side drift method firstly the reasonable construction scheme design method. Research results can offer a theoretical reference for design and construction of similar projects.

Yong long tunnel; Soft rock; Large-span tunnel; Fluctuation steps both side drift method; Mechanics analysis; Support

U4

A

1009-2854(2011)05-0025-06

2011-03-01；

2011-04-13

陳 勇(1982— ), 男, 湖南長沙人, 廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司助理工程師.