張運(yùn)良，路 平，王昌勝，李鳳翔

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院)

0 引言

軟弱巖石是指工程環(huán)境中能產(chǎn)生顯著塑性變形，具有軟弱、松散、破碎、風(fēng)化、膨脹等物理特性的巖體總稱。因其工程性質(zhì)軟弱并常常導(dǎo)致工程地質(zhì)問(wèn)題或地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，軟弱圍巖常是隧道工程處理和加固的對(duì)象。

對(duì)于軟弱圍巖，隧道開(kāi)挖后的變形基本可分為彈性變形、塑性變形和流變?nèi)齻€(gè)階段。對(duì)于一般軟弱圍巖，只要加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，如提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，縮短支護(hù)時(shí)間等即可有效限制圍巖變形的進(jìn)一步發(fā)展。而縮短支護(hù)時(shí)間由于其經(jīng)濟(jì)有效性，成為隧道工程施工中普遍采用的方法。

臺(tái)階法是新奧法中適用性最廣泛的施工方法，它將斷面分成上半斷面和下半斷面兩部分分別進(jìn)行開(kāi)挖。隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的調(diào)整，它幾乎可以用于所有的地層，因而在隧道工程施工中，臺(tái)階法是最重要的方法之一。根據(jù)臺(tái)階的長(zhǎng)度，有長(zhǎng)臺(tái)階法、短臺(tái)階法和超短臺(tái)階三種方式。根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、圍巖類別、隧道埋深、斷面尺寸等因素，綜合考慮決定臺(tái)階法施工的步距。

本文根據(jù)炎汝高速公路花子坳隧道的施工為研究背景，對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖段所采用的短臺(tái)階施工工法進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算，并作了較深入的研究。

1 工程概況

花子坳隧道是炎汝高速公路第10標(biāo)的主要工程之一，位于湖南省炎陵縣境內(nèi)。隧道左線起訖里程為ZK42+945～ZK43+868，右線起訖里程 YK42+916.5～YK43+860，為上下行雙線分離式隧道。YK43+915～YK43+140段為粘土、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖，巖體極破碎，自穩(wěn)性差，拱部無(wú)支護(hù)時(shí)易冒頂、掉快，為Ⅴ級(jí)圍巖。根據(jù)圍巖情況，該段采用短臺(tái)階法進(jìn)行掘進(jìn)施工。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算概況

花子坳隧道襯砌內(nèi)輪廓采用直徑5.5 m的單心圓，初期支護(hù)采用24 cm厚的C20噴射混凝土;工字鋼采用I18工字鋼，工字鋼間距為60 cm;錨桿采用D25中空注漿錨桿，環(huán)向間距120 cm，縱向間距60 cm;仰拱填充采用C15片石混凝土，二襯作為安全儲(chǔ)備暫不考慮。

2.2 模型計(jì)算

本文章利用MIDAS GTS有限元分析軟件對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖深埋段的隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬，建模時(shí)考慮邊界效應(yīng)影響，計(jì)算模型沿橫截面方向左右各取40 m，約4倍洞徑;隧底以下取35 m，上部取值大于Ⅴ級(jí)圍巖的坍方平均高度，取55 m;縱向取69 m。

為進(jìn)行臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)周邊圍巖穩(wěn)定性影響的模擬，建立模型如下:縱向0～6 m和24～30 m為考慮縱向邊界效應(yīng)的“緩沖”區(qū)間，6～24 m為進(jìn)行臺(tái)階法施工區(qū)間，臺(tái)階長(zhǎng)度為6 m，循環(huán)進(jìn)尺為1.2 m，初期支護(hù)緊跟開(kāi)挖進(jìn)行。

對(duì)該模型數(shù)值模擬計(jì)算中，把整個(gè)施工過(guò)程分成以下步序來(lái)加以模擬分析:第一步初始狀態(tài)step1，第二步上臺(tái)階開(kāi)挖step2，第三步上臺(tái)階周邊噴錨支護(hù)及臨時(shí)仰拱施作step3;第四步下臺(tái)階開(kāi)挖step4，，第五步下臺(tái)階周邊噴錨支護(hù)step5，第六步拆除臨時(shí)仰拱step6。

該模型僅僅考慮系統(tǒng)錨桿、鋼支撐、噴射混凝土對(duì)圍巖的支護(hù)的作用，超前錨桿和二襯作為安全儲(chǔ)備，不予考慮。

計(jì)算荷載主要是圍巖的自重，按照施工步驟，逐步進(jìn)行計(jì)算，得出開(kāi)挖擾動(dòng)后圍巖的位移、內(nèi)力和塑性區(qū)等，進(jìn)而評(píng)價(jià)施工過(guò)程的安全性，并就施工過(guò)程提出合理的建議。

根據(jù)隧道地勘資料以及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D70-2004，圍巖與支護(hù)材料參數(shù)如表1所示，計(jì)算模型如圖1所示。

表1 模型參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬模型

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)隧道開(kāi)挖應(yīng)力特征分析。

表2 不同施工步序特征點(diǎn)主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 kN

圖2 特征點(diǎn)主應(yīng)力隨施工過(guò)程變化曲線圖

從計(jì)算值看出，隨著施工的進(jìn)行，各特征點(diǎn)主應(yīng)力σ1和σ3呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律:拱頂、拱腰處由于開(kāi)挖應(yīng)力的釋放，圍巖應(yīng)力水平呈減小趨勢(shì)并保持較低應(yīng)力水平;拱腳處隨開(kāi)挖過(guò)程逐漸增大并保持較大應(yīng)力水平，達(dá)到2.2 MPa，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;拱底由于上部圍巖壓力的解除，隨開(kāi)挖過(guò)程隨開(kāi)挖減小并持續(xù)較低。在隧道的開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖處于受壓狀態(tài)。由于隧道深埋且無(wú)結(jié)構(gòu)性偏壓，左右側(cè)應(yīng)力基本對(duì)稱。

施工中應(yīng)特別注意拱腰與拱腳處鎖腳錨桿的施工的及時(shí)性和可靠性，并注意加強(qiáng)對(duì)該段的監(jiān)控量測(cè)，防止拱腰和拱腳處因圍巖壓力較大出現(xiàn)過(guò)大變形，引起支護(hù)開(kāi)裂和侵限，進(jìn)而引起圍巖松動(dòng)，影響圍巖穩(wěn)定性和隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

(2)隧道開(kāi)挖變形特征分析。

由計(jì)算結(jié)果可知，花子坳隧道V級(jí)圍巖段上臺(tái)階施工過(guò)程中，隧道拱頂圍巖的累積下沉變形量最大為-2.8 mm，兩側(cè)邊墻圍巖向洞內(nèi)的累積水平收斂位移量最大為-1.09 mm，下臺(tái)階開(kāi)挖施工后，隧道拱頂圍巖的累積下沉變形量最大為-4.27 mm，兩側(cè)邊墻圍巖向洞內(nèi)的累積水平收斂位移量最大為-1.64 mm，臨時(shí)仰拱拆除后累積下沉變形量最大為-4.80 mm，兩側(cè)邊墻圍巖向洞內(nèi)的累積水平收斂位移量最大為-1.89 mm，特征點(diǎn)位移隨施工過(guò)程的變化趨勢(shì)如圖3所示。每一施工步洞周特征點(diǎn)的位移計(jì)算結(jié)果如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，開(kāi)挖過(guò)程中隧道圍巖基本穩(wěn)定。

表3 不同施工步序特征點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果 mm

施工中對(duì)計(jì)算斷面圍巖變形進(jìn)行了量測(cè)，隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖豎向位移與周邊收斂在上臺(tái)階開(kāi)挖后達(dá)到最大沉降值的50%左右。由實(shí)測(cè)數(shù)值可見(jiàn)，圍巖水平收斂和拱頂下沉較計(jì)算結(jié)果稍大，但變化規(guī)律基本一致。

圖3 特征點(diǎn)位移隨施工過(guò)程變化曲線圖

3 監(jiān)控結(jié)果

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

隧道深埋段施工過(guò)程中，對(duì)拱頂沉降、圍巖壓力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。本文選取與數(shù)值模擬同一斷面處的變形、應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)力、位移變形圖如圖4、圖5。

圖4 右線進(jìn)口深埋段拱頂沉降時(shí)程圖

圖5 右線進(jìn)口深埋段圍巖壓力時(shí)程圖

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

從圖4、5可以看出，拱頂沉降和圍巖壓力在隧道上臺(tái)階開(kāi)挖完成4～6 d后基本趨于穩(wěn)定;下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂沉降繼續(xù)增大，而后趨于穩(wěn)定，最終沉降值為-13.29 mm，較理論計(jì)算值偏大。圍巖壓力實(shí)測(cè)值右拱腰達(dá)1.082 MPa，左拱腰0.255 MPa，右拱腰較左拱腰大，說(shuō)明存在一定的構(gòu)造偏壓。后序施工中需加強(qiáng)對(duì)此處監(jiān)測(cè)，防止發(fā)生襯砌開(kāi)裂等病害。

4 結(jié)論

通過(guò)有限元數(shù)值模擬花子坳隧道臺(tái)階法施工過(guò)程中圍巖體穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，在花子坳隧道Ⅴ級(jí)圍巖深埋段采用短臺(tái)階法施工，效果良好，拱頂下沉及圍巖變形都在控制范圍內(nèi)。表明此工法適應(yīng)花子坳隧道的地形地質(zhì)條件，可作為地質(zhì)情況相似的其他深埋隧道的施工方案。

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