鐘 華，劉 巍，譚 耿，錢海洋

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

在我國“一帶一路”國家戰(zhàn)略推動下，廣西作為我國與東盟國家連接樞紐，其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來大發(fā)展，交通運輸網(wǎng)不斷擴張與加密，目前廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃為“6橫7縱8支線”(詳見圖1)。公路建設(shè)不可避免地穿越高山、險峰等障礙物，因

此，隧道工程在建設(shè)過程中成為關(guān)鍵控制性工程。隧道施工涉及的巖土屬性具有明顯的地域性、隱蔽性和復雜性，在實際施工過程中很難綜合、準確地分析圍巖體與隧道結(jié)構(gòu)相互作用。同時，巖土工程理論又嚴重滯后于施工，這顯著增加了復雜地質(zhì)條件下隧道施工的安全風險。

圖1 廣西高速公路規(guī)劃圖

隨著隧道開挖、支護形式的增多，國內(nèi)外學者對隧道施工技術(shù)的研究不斷深入，并在理論、數(shù)值模擬等方面都取得了巨大成果。楊臻[1]研究了極限分析法在節(jié)理裂隙隧洞的應(yīng)用效果，提出強度折減法計算隧道穿越節(jié)理巖體施工的安全系數(shù)；馬海萍[2]基于斷裂破壞理論，結(jié)合單軸、雙軸壓縮試驗結(jié)果，提出側(cè)壓力系數(shù)和節(jié)理裂隙的角度對隧道開挖過程的影響很明顯，建議施工過程中加強破碎巖體預支護；史世雍[3]統(tǒng)計了我國數(shù)十個巖溶隧道的變形規(guī)律，提出溶洞會誘發(fā)隧道圍巖大變形；吳夢軍[4]借助有限元方法分析了溶洞尺寸等對朝東巖石隧道施工圍巖穩(wěn)定性的影響。目前，針對復雜地質(zhì)條件對隧道穩(wěn)定性研究，僅考慮了單因素作用的影響，綜合考慮節(jié)理、巖溶對隧道進洞圍巖受力變形的研究極少。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

隴禁隧道位于崇左市龍州縣上金鄉(xiāng)兩岸村隴禁屯北側(cè)。隧址處屬巖溶峰叢洼地地貌，地形起伏較大，山體連綿起伏。隧道主要穿越中風化白云質(zhì)灰?guī)r和微風化白云質(zhì)灰?guī)r等地層，洞身埋深較深，進出口段山體斜坡自然坡角約55°～80°。隧道進口端局部節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，節(jié)理貫通性較差，裂隙面平直粗糙，無充填，裂隙密度達為3～4條。

1.2 結(jié)構(gòu)概況

隧道設(shè)計為高速公路雙洞單向交通行車兩車道分離式小間距隧道，左右線全長分別為351 m和330 m。汽車荷載設(shè)計等級為公路-Ⅰ級，設(shè)計行車速度為100 km/h。隧道設(shè)計尺寸為13.25 m×5.0 m，縱坡均為單向坡，縱坡坡率均為0.5%。隧道開挖支護形式為整體采用復合式襯砌，初支采用鋼拱架+噴錨支護，二襯為模筑鋼筋混凝土(見圖2)。

圖2 隴禁隧道設(shè)計圖

2 三維數(shù)值模型建立

2.1 模型尺寸及邊界條件確定

隴禁隧道設(shè)計寬為16.20 m，設(shè)計高為11.39 m，每次開挖進尺5 m，洞口正立面如圖3所示。采用數(shù)值有限元軟件FLAC3D建立隧道進口段整體有限元模型，仿真模擬節(jié)理、溶洞對隧道進洞施工圍巖穩(wěn)定性的影響。

圖3 隴禁隧道洞口斷面簡圖

眾所周知，模型邊界是影響模擬結(jié)果的重要因素。三維模型邊界應(yīng)根據(jù)工程實際情況添加位移邊界條件，當隧道開挖輪廓線與模型邊界距離較小，位移邊界會影響隧道結(jié)構(gòu)受力和變形，使計算結(jié)果與隧道實際受力變形值相差較大。研究表明[5-7]，隧道開挖引起地表沉降變形范圍約1～3倍隧道直徑，當隧道開挖邊界線與模型邊界線的距離大于5倍隧道直徑時，隧道開挖施工對周邊環(huán)境影響可忽略不計。

因此，選取X方向3倍設(shè)計寬度，Y方向4倍開挖進尺，Z方向3倍開挖高度為模型區(qū)域，模型尺寸為(X方向、Y方向、Z方向)120 m×20 m×70 m。通過有限元軟件ANSYS對模型進行前處理得到數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 ANSYS數(shù)值模型圖

有限元軟件ANSYS軟件后處理速度慢且精度較差，通過ANSYS-FLAC3D轉(zhuǎn)換程序，將已賦予材料屬性的整體模型導入FLAC3D軟件，得到含節(jié)理、溶洞的整體三維模型網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 FLAC3D整體三維模型網(wǎng)格圖

2.2 模型計算參數(shù)賦值

隴禁隧道左右線洞身圍巖級別主要為Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，其分布及比例見表1。洞口段為Ⅴ級圍巖，巖體較破碎，整個垂直巖面存在橫縱相交節(jié)理，自穩(wěn)能力差。左洞口上方存在直徑為6 m的溶洞和不穩(wěn)定孤石，溶洞走向沿小樁號發(fā)展，洞內(nèi)無填充物。

表1 巖體力學參數(shù)表

根據(jù)設(shè)計文件及現(xiàn)場實際施工條件，為保證圍巖穩(wěn)定和限制地表沉降位移，洞口及洞身均采用三臺階法開挖，洞口采用大管棚+鋼拱架+噴錨+二次襯砌等復合支護形式。大管棚直徑為108 mm，鋼拱架間距為700 mm，初期支護混凝土厚度為240 mm。其中，圍巖體為實體單元，采用摩爾庫倫本構(gòu)模型模擬；錨桿、管棚材料為植入式梁單元，采用彈性模型模擬；初期支護采用殼單元模擬。巖體計算參數(shù)如表1所示。

初期支護中包含大管棚、鋼拱架、錨桿和混凝土材料，各材料屬性均不同，則初支結(jié)構(gòu)的力學參數(shù)不能單獨用混凝土或鋼拱架參數(shù)代替。模型計算過程中，應(yīng)采用等效剛度原理計算初期支護的力學參數(shù)。隴禁隧道初支及二襯力學參數(shù)詳見表2。

表2 隴禁隧道初支、二襯力學參數(shù)表

2.3 施工階段劃分

根據(jù)隴禁隧道實際開挖、支護方式，仿真模擬隧道左右線各施工階段。結(jié)合三臺階法施工順序，單個進尺施工階段劃分如下：

(1)建立模型網(wǎng)格單元。

(2)自重應(yīng)力場分析/初始應(yīng)力場分析，位移清零。

(3)施作大管棚或超前小導管，對圍巖進行預加固處理。

(4)開挖上臺階部分巖體計算、初期支護施加計算。

(5)開挖中臺階部分巖體計算、初期支護施加計算。

(6)開挖下臺階部分巖體計算、初期支護施加計算。

(7)開挖仰拱部分巖體計算、初期支護施加計算。

(8)二次襯砌施加計算。

3 計算結(jié)果分析

3.1 初始應(yīng)力分析

根據(jù)隧道初始條件及實際施工情況，模擬隴禁隧道場地初始應(yīng)力狀態(tài)，計算結(jié)果云圖如圖6所示。

通過對隧址初始應(yīng)力階段的豎向位移、豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力云圖分析，可知：

(1)巖體上表面應(yīng)力和位移基本為0，初始地應(yīng)力為0，表明模型自平衡效果較好。

(2)模型豎向應(yīng)力從上至下逐漸增加，下表面應(yīng)力為1.6 MPa。由于上部巖體自重，下部巖體自重應(yīng)力隨著巖體厚度增加而增加，模型下表面自重應(yīng)力最大。

3.2 隴禁隧道左線進洞分析

隨著時間推移，圍巖不斷趨向穩(wěn)定，模擬中、下臺階開挖施工時，假定圍巖體已完成應(yīng)力重分布，并形成新的平衡狀態(tài)。圖7和圖8分別為隴禁左線進洞階段累計豎向位移云圖及累計豎向應(yīng)力云圖。

(a)豎向位移云圖

(b)豎向應(yīng)力云圖圖6 初始應(yīng)力階段云圖

圖7 左洞進洞豎向位移云圖

圖8 左洞進洞豎向應(yīng)力云圖

由隴禁隧道進洞過程的累計豎向位移、豎向應(yīng)力云圖可得：

(1)下臺階開挖過程，拱頂沉降變形及開挖水平面附近累計位移分別為6.3 mm和6.1 mm，兩者變化量均為0?？赡茉驗樵摬糠謳r體完整性較好，基本不存在縱橫節(jié)理，圍巖自穩(wěn)能力較強。

(2)圍巖拱頂及開挖面附近累計豎向應(yīng)力約為2.4×104 Pa，模型下表面累計豎向應(yīng)力約為-1.7×106 Pa，圍巖應(yīng)力增量基本為0，圍巖處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)塑性區(qū)面積沿開挖輪廓線向拱腳不斷延伸，但總影響范圍處于可控狀態(tài)。初期支護結(jié)構(gòu)拱腳位移最大，累計豎向位移為3 mm。

3.3 隴禁隧道右線進洞分析

隴禁隧道右線洞口巖面存在縱橫相交的節(jié)理，節(jié)理間隙及密度較大，洞口右上角存在直徑為6 m的溶洞，洞內(nèi)無填充物。模擬隧道右洞進洞施工，模型計算結(jié)果如圖9～10所示。

圖9 右洞進洞豎向位移云圖

圖10 右洞進洞豎向應(yīng)力云圖

由右洞進洞的豎向位移、豎向應(yīng)力云圖可得：

(1)拱頂沉降變形及開挖水平面附近累計位移量分別為8.4 mm和5.6 mm，右洞圍巖變形明顯比同階段左洞圍巖變形大，拱頂沉降變形差值約1.9 mm。

(2)圍巖拱頂及開挖面附近累計豎向應(yīng)力約為2.5×105 Pa，模型下表面累計豎向應(yīng)力約為-1.7×106 Pa，圍巖應(yīng)力變化較小，圍巖處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。右洞拱頂圍巖總應(yīng)力明顯比同階段左洞拱頂圍巖應(yīng)力大，拱頂最大應(yīng)力差為0.1×104 Pa。

4 監(jiān)控量測分析

隴禁隧道開挖后，在拱頂位置設(shè)置相應(yīng)位移監(jiān)控點，洞口20 m范圍設(shè)置5個拱頂測點，分別為1#、2#、3#、4#、5#測點，每個測點間距為4 m。由于隧道光線較暗，將反光片貼在初期支護結(jié)構(gòu)上作為觀測點。隧道右洞口位移監(jiān)測點的正立面圖見圖11。

圖11 隧道洞口監(jiān)測點正立面圖

根據(jù)設(shè)計文件及相關(guān)規(guī)范要求，隧道圍巖豎向位移監(jiān)控周頻率為每天一次，隨著開挖深度的增加，可減小洞口監(jiān)測測頻率，隧道進口豎向位移前6期觀測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各測點豎向位移表(mm)

由表3可知，隨著隧道開挖深度增加，各測點豎向位移逐漸增加，增加速率逐漸減小，最后保持不變；拱頂最大沉降量為11.3 mm，遠小于其預警值8 cm，隧道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是，隧道左右洞口為陡坡、陡壁，且基巖完全裸露，斜坡地表存在崩積巖堆，陡崖巖體被高角度的節(jié)理裂隙切割，左洞存在危巖體且圍巖風化卸荷強烈，圍巖穩(wěn)定性非常差，施工過程偶有落石和掉塊現(xiàn)象發(fā)生，為保證現(xiàn)場施工人員安全，應(yīng)增加該區(qū)域巖體的位移監(jiān)測，清除表面危巖體，并加強防護。

5 結(jié)語

本文以崇水高速公路的隴禁隧道為工程背景，采用有限元軟件ANSYS和FLAC3D建立以隧道左右洞口、溶洞和節(jié)理裂隙為對象的整體三維模型，綜合分析節(jié)理、溶洞隧道進洞施工對圍巖受力變形特性的影響，可得：

(1)隧道開挖會使圍巖體受力和變形發(fā)生改變，拱頂最大位移為8.8 mm，隨著開挖過程的不斷推進，拱頂應(yīng)力和沉降變形不斷增加。隧道開挖的影響范圍較小，模型下表面應(yīng)力及位移基本不發(fā)生改變。

(2)隧道右洞施工誘發(fā)圍巖累計變形普遍大于同階段左洞圍巖位移，表明巖溶對隧道進洞圍巖的穩(wěn)定性影響較大，但總應(yīng)力及累計變形均在可控范圍內(nèi)，不危及隧道結(jié)構(gòu)安全。

(3)隧道洞口雖為Ⅴ級圍巖，但總應(yīng)力處于較低水平，圍巖最大累計位移約1 cm，遠小于預警值，洞口三臺階開挖及復合支護形式能滿足隧道圍巖變形及穩(wěn)定性要求。