顏杜民，何　平，陳　崢，王　東

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京　100044；2.中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，太原　030024)

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Ⅳ級(jí)圍巖隧道兩臺(tái)階法開(kāi)挖進(jìn)尺研究

顏杜民1，2，何平1，陳崢1，王東2

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044；2.中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，太原030024)

以吉圖琿高鐵富巖1號(hào)隧道為工程實(shí)例，運(yùn)用有限元分析方法對(duì)不同開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺下的隧道兩臺(tái)階法進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同工況下隧道變形和應(yīng)力的響應(yīng)規(guī)律，得出工程適用的開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺。研究結(jié)果表明：開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)圍巖變形影響較大，兩者呈線性正相關(guān)關(guān)系；在Ⅳ級(jí)較差圍巖條件下，拱頂受拉破壞先于拱腰和掌子面的受剪破壞，拱頂掌子面后方1 m處第一主應(yīng)力達(dá)到最大值；隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增大，拱頂?shù)谝恢鲬?yīng)力和拱腰、掌子面處D-P值均增大，隧道更易發(fā)生破壞；Ⅳ級(jí)較差圍巖，開(kāi)挖進(jìn)尺建議取2.0 m，Ⅳ級(jí)偏好圍巖開(kāi)挖進(jìn)尺可增大至4 m。

鐵路隧道；Ⅳ級(jí)圍巖；兩臺(tái)階法；開(kāi)挖進(jìn)尺；數(shù)值模擬

兩臺(tái)階法是新奧法隧道施工中一種重要的方法，臺(tái)階法具有初次支護(hù)全斷面閉合時(shí)間短，有利于控制圍巖變形等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。但施工中開(kāi)挖進(jìn)尺沒(méi)有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)小，會(huì)使工期延長(zhǎng)，施工成本加大；開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)大，則使拱頂覆土不穩(wěn)定，甚至塌方，這對(duì)于隧道掌子面的穩(wěn)定及隧道安全極為不利[5-10]。

以富巖1號(hào)隧道工程為例，采用有限元分析軟件ANSYS研究?jī)膳_(tái)階法在不同開(kāi)挖進(jìn)尺下對(duì)隧道變形及受力的影響，通過(guò)研究隧道開(kāi)挖以后周圍圍巖及隧道的受力和變形來(lái)確定合適的開(kāi)挖進(jìn)尺。在此研究基礎(chǔ)上，提出Ⅳ級(jí)圍巖兩臺(tái)階法開(kāi)挖隧道的合理開(kāi)挖進(jìn)尺，為類似工程提供參考。

1　工程背景

吉圖琿高鐵富巖1號(hào)隧道位于圖們市長(zhǎng)安鎮(zhèn)磨盤山村，隧道起訖里程為GDK284+005～GDK285+036，全長(zhǎng)1 031 m，最大埋深67 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，隧址區(qū)巖性主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積碎石類土、白堊系上統(tǒng)龍井組含礫砂巖、華力西晚期的花崗閃長(zhǎng)巖。隧址未見(jiàn)斷層等地質(zhì)構(gòu)造，但穿越白堊系上統(tǒng)龍井組含礫砂巖與華力西晚期的花崗閃長(zhǎng)巖呈不整合接觸帶，整體處于Ⅳ級(jí)圍巖狀態(tài)。

2　三維有限元模型

2.1數(shù)值模擬參數(shù)的確定

有限元數(shù)值分析中，隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性體考慮，材料力學(xué)特性假定遵循D-P屈服準(zhǔn)則。襯砌材料因其力學(xué)特性遠(yuǎn)較圍巖好，計(jì)算中視為彈性體。結(jié)合工程地質(zhì)勘察報(bào)告、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)[11]和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)[12]，將土層概化為1層Ⅳ級(jí)圍巖。結(jié)構(gòu)參數(shù)均參考隧道設(shè)計(jì)規(guī)范及實(shí)際工程施工報(bào)告給出，其中初期襯砌采用C25混凝土，二次襯砌采用C30混凝土。詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2模型的建立

有限元模型如圖1所示，其中隧道部分的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2，根據(jù)研究，在隧道洞徑3～5倍以外部分的圍巖將不受隧道開(kāi)挖的影響，模型橫向長(zhǎng)度為120 m，豎向長(zhǎng)度為100 m，縱向長(zhǎng)度為60 m，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，隧道埋深為58 m。模型側(cè)向水平約束，底面豎向約束，上表面自由。

表1　材料參數(shù)

圖1?、艏?jí)圍巖隧道有限元模型

立體模型圍巖條件隧道內(nèi)輪廓/m初期襯砌/cm二次襯砌/cmⅣ級(jí)圍巖R1=6.41;R2=2.7;R3=13.662540

2.3計(jì)算步驟

模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用的兩臺(tái)階開(kāi)挖法，用生/死單元來(lái)模擬初期支護(hù)的激活和隧道的開(kāi)挖過(guò)程，初期支護(hù)施作以前位移釋放30%，施作初期支護(hù)設(shè)防50%，其余的20%在后期支護(hù)如仰拱和二次襯砌施作時(shí)釋放[13-15]。圖2為兩臺(tái)階法臺(tái)階尺寸圖，它是兩臺(tái)階法研究的基本尺寸模型，計(jì)算步驟如下。

第一步：建立有限元模型；

第二步：自沉降計(jì)算；

第三步：隧道開(kāi)挖，分步開(kāi)挖上臺(tái)階。

(1)上臺(tái)階開(kāi)挖至距洞口30 m處并施作初期支護(hù)，下臺(tái)階不進(jìn)行開(kāi)挖，二次襯砌先不施作；(2)上下臺(tái)階同時(shí)按照擬定的1個(gè)開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖部分不施作初期支護(hù)。

圖2　兩臺(tái)階法臺(tái)階尺寸

3　施工進(jìn)尺研究

在Ⅳ級(jí)較差和Ⅳ級(jí)偏好兩種圍巖條件下，分別設(shè)置開(kāi)挖進(jìn)尺為1、2、3、4 m，分析圍巖變形和應(yīng)力的響應(yīng)規(guī)律。

3.1變形分析3.1.1拱頂沉降

圖3、圖4分別為較差圍巖、偏好圍巖下開(kāi)挖進(jìn)尺不同時(shí)拱頂沉降曲線。橫坐標(biāo)零點(diǎn)為掌子面后方已經(jīng)支護(hù)的拱頂即Z=-30 m處，x軸以掌子面開(kāi)挖方向?yàn)檎?；縱坐標(biāo)為該處的豎向沉降值，負(fù)號(hào)表示沉降垂直向下。在相同圍巖條件下，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增大，拱頂沉降越來(lái)越大。而不同圍巖條件下，圍巖越差，拱頂沉降越大，但拱頂沉降均會(huì)隨開(kāi)挖進(jìn)尺的增大而增大。

圖3　較差圍巖拱頂沉降曲線

圖4　偏好圍巖拱頂沉降曲線

圖5為拱頂最大沉降值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系圖，兩者呈線性關(guān)系。

圖5　拱頂最大沉降值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系

拱頂最大沉降值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系式為

(1)

R2=0.999

(2)

R2=0.998

3.1.2地表沉降

圖6、圖7分別為較差圍巖、偏好圍巖下開(kāi)挖進(jìn)尺不同時(shí)，地表Z=-30 m線處的地層橫向沉降曲線，均在隧道中心地表處達(dá)到沉降最大值，橫向影響范圍在40 m左右，沉降曲線拐點(diǎn)在15 m左右。與開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)拱頂沉降的影響相似，開(kāi)挖進(jìn)尺越大，地表沉降越大。

圖6　較差圍巖下橫向沉降曲線

圖7　偏好圍巖下橫向沉降曲線

3.1.3水平收斂

圖8為水平最大收斂位移值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系，兩者呈線性關(guān)系，開(kāi)挖進(jìn)尺越大，水平最大收斂位移越大。

圖8　水平最大收斂位移值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系

水平最大收斂位移值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系式為

(3)

R2=0.979

(4)

R2=0.975

3.2應(yīng)力分析

圖9～圖10分別為較差圍巖、偏好圍巖下開(kāi)挖進(jìn)尺不同時(shí)拱頂?shù)谝恢鲬?yīng)力圖。隨著距隧道初始分步開(kāi)挖面的距離的增加，拱頂?shù)谝恢鲬?yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小而后再增大趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，距掌子面后方1 m處第一主應(yīng)力達(dá)到最大值。開(kāi)挖進(jìn)尺的影響范圍在掌子面前方4 m處，之后第一主應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

圖11為拱頂最大第一主應(yīng)力值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系圖。圖12為拱腰處最大第一主應(yīng)力值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系圖。圖13為掌子面最大第一主應(yīng)力值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系圖。圖14為下臺(tái)階最大第一主應(yīng)力值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系圖。

圖9　較差圍巖拱頂?shù)谝恢鲬?yīng)力

圖10　偏好圍巖拱頂?shù)谝恢鲬?yīng)力

圖11　拱頂最大第一主應(yīng)力值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系

圖12　拱腰處最大第一主應(yīng)力值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系

圖13　掌子面最大第一主應(yīng)力值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系

圖14　下臺(tái)階最大第一主應(yīng)力值與開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系

通過(guò)分析可以得出，對(duì)于Ⅳ級(jí)較差圍巖，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺達(dá)2.3 m時(shí)，拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，易導(dǎo)致拱頂圍巖沿節(jié)理面開(kāi)裂滑塌。對(duì)較好圍巖，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺達(dá)2.7 m時(shí)圍巖拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3.3強(qiáng)度檢驗(yàn)3.3.1最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，最大拉應(yīng)力可按式(5)計(jì)算。

(5)

式中，c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

較差圍巖和偏好圍巖的最大拉應(yīng)力計(jì)算值分別為392.5、768 kPa，本文取1.25為安全系數(shù)，拉應(yīng)力允許值分別為314 kPa和614 kPa。同時(shí)考慮較差圍巖節(jié)理面較發(fā)育，建議Ⅳ級(jí)較差圍巖拱頂不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，即允許最大拉應(yīng)力為零。

較差圍巖、偏好圍巖不同工況下隧道不同部位受到的最大第一主應(yīng)力值見(jiàn)表3和表4(負(fù)值表示未出現(xiàn)拉應(yīng)力，正值為當(dāng)前受到的拉應(yīng)力)，同一圍巖下，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增大，各位置的第一主應(yīng)力均在增大；但不同地質(zhì)條件相同開(kāi)挖進(jìn)尺下，第一主應(yīng)力的值與地層條件有關(guān)系。圍巖較差時(shí)，隧道開(kāi)挖進(jìn)尺3 m時(shí)拱頂出現(xiàn)了拉應(yīng)力，易發(fā)生危險(xiǎn)，應(yīng)控制開(kāi)挖進(jìn)尺在3 m以下。對(duì)于較好圍巖，允許拉應(yīng)力為610 kPa，因此在開(kāi)挖進(jìn)尺4 m情況下不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞問(wèn)題。

表3　較差圍巖隧道不同部位受到的最大第一主應(yīng)力值　kPa

表4　偏好圍巖隧道不同部位受到的最大第一主應(yīng)力值　kPa

從上述結(jié)果可以得出，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增大，隧道拱頂位置逐漸成為易發(fā)生受拉破壞的危險(xiǎn)區(qū)域，考慮Ⅳ級(jí)較差圍巖拱頂存在垂直節(jié)理面的情況，建議以不出現(xiàn)拉應(yīng)力為判據(jù)。 根據(jù)分析，除拱頂外，其他部位不易出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞。

3.3.2Drucker-Prager準(zhǔn)則

表5、表6分別為較差圍巖、偏好圍巖不同工況下隧道不同部位受到的最大D-P值。

表5　較差圍巖隧道不同部位受到的最大D-P值　103

表6　偏好圍巖隧道不同部位受到的最大D-P值　103

從上述結(jié)果可以得出，隨著隧道開(kāi)挖進(jìn)尺的增大，拱頂、拱腰和掌子面D-P值逐漸增大。較差圍巖下，進(jìn)尺為3 m時(shí)，拱腰位置已經(jīng)出現(xiàn)剪切破壞；偏好圍巖下，各部位相對(duì)較為安全。

3.3.3對(duì)比分析

(1)破壞方式不同：最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則是受拉破壞，Drucker-Prager準(zhǔn)則為受剪破壞。

(2)破壞危險(xiǎn)區(qū)域不同：最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則危險(xiǎn)區(qū)域位于拱頂，Drucker-Prager準(zhǔn)則危險(xiǎn)區(qū)域位于拱腰和掌子面。

4　結(jié)論

(1)圍巖變形受開(kāi)挖進(jìn)尺影響較大，變形與開(kāi)挖進(jìn)尺呈線性正相關(guān)關(guān)系。

(2)對(duì)于Ⅳ級(jí)較差圍巖，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺達(dá)2.3 m時(shí)，拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，易導(dǎo)致拱頂圍巖沿節(jié)理面開(kāi)裂滑塌；當(dāng)進(jìn)尺等于或大于3 m時(shí)，拱腰部分區(qū)域受到的過(guò)大的剪應(yīng)力，導(dǎo)致該區(qū)域易發(fā)生剪切破壞。

(3)對(duì)于Ⅳ級(jí)偏好圍巖，當(dāng)進(jìn)尺達(dá)到4 m時(shí)，隧道不會(huì)發(fā)生受拉破壞和受剪破壞。

(4)建議兩臺(tái)階法的最優(yōu)開(kāi)挖進(jìn)尺：地質(zhì)條件較差時(shí)，開(kāi)挖進(jìn)尺建議取2.0 m；地質(zhì)條件偏好時(shí)，開(kāi)挖進(jìn)尺建議增加4.0 m。

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Research on Excavation Footage of Tunnels in Ⅳ Rock with Two-bench Construction Method

YAN Du-min1，2, HE Ping1, CHEN Zheng1, WANG Dong2

(1.School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China;2.The Third Engineering Co.， Ltd. of China Railway 12th Bureau Group， Taiyuan 030024， China)

Based on No.1 Fuyan tunnel on Jituhui high-speed rail， the finite element method is applied to numerically simulate the tunneling with two-bench construction method in different excavation cyclical footage. Tunnel deformation and response regularity of stress are comparatively analyzed to obtain excavation cyclical footage suitable for engineering. The research results show that excavation footage poses greater impact on the surrounding rock， which is in a linear and positive correlation with excavation footage; in the case of poor Ⅳrock， tension-destroying in vault occurs before shear-destroying in haunch and driving face and the maximum first main stress is located 1m behind the driving face in vault; with the increase of excavation footage， the first main stress in vault and DP value in haunch and driving face are increased， making the tunnel more vulnerable to damage; the excavation footage in poor Ⅳ rock is recommended to be 2 m， while the value may rise to 4 m in good Ⅳ rock．

Railway tunnel; Ⅳrock; Two-bench construction method; Excavation footage; Numerical simulation

2016-01-26；

2016-02-18

顏杜民(1973—)，男，工程師，碩士，主要從事地下和隧道工程施工，E-mail：309529059@qq.com。

何平(1961—)，女，教授，E-mail:phe@bjtu.edu.cn.

1004-2954(2016)09-0099-05

U455.4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.022