■薛大全

(中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福州 300015)

1 引言

已有工程實踐表明，在軟巖地層進行隧道修建時經(jīng)常會產(chǎn)生諸如隧道斷面縮小、襯砌開裂、鋼拱架扭曲等大變形破壞現(xiàn)象，而且隧道圍巖變形初期不僅絕對量值較大，位移的速度也很快。為此，國內(nèi)外眾多學者針對大變形軟巖隧道工程進行了一系列理論和試驗研究，尤其在施工工法及支護參數(shù)等方面進行了較為深入的探討：如王樹仁等對軟巖隧道的大變形力學機制及支護技術(shù)進行了分析;王書剛、李術(shù)才等從隧道開挖與支護的安全性出論述了淺埋偏壓隧道的設(shè)計與施工情況；劉志春等對軟巖隧道二襯施做時機進行了探討，王祥秋等對崇遵高速公路龍井隧道進日段施工過程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)以及有限元分析結(jié)果進行對比研究，得出了在偏壓作用下隧道施工過程中圍巖位移的變化規(guī)律。

以上研究成果對于工程設(shè)計及施工起到了一定的指導作用。云中隧道進口右洞由于地形的因素，該隧道洞口右側(cè)地勢明顯高于洞口左側(cè)段，導致隧道洞口段處于偏壓的受力，且洞口實際開挖過程中圍巖主要為坡積土及砂土狀-碎塊狀強風化碎斑熔巖，松散-破裂結(jié)構(gòu)，地下水發(fā)育，實際開挖過程中采用了CD法開挖，在施工過程中初支噴層出現(xiàn)了開裂，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，拱頂和拱腳均及拱腰收斂均出現(xiàn)了很大的凈空位移，地表也出現(xiàn)了明顯的裂縫，及時采取了注漿及超前小導管等支護措施，防止了隧道進一步的災(zāi)變?？梢奀D法開挖在偏壓軟弱圍巖段施工存在很大安全隱患；本文以云中隧道洞口段偏壓軟弱圍巖為研究對象，基于FLAC3D有限差分軟件對比分析在隧道施工中常用的CD法和CRD法兩種不同開挖支護方法在偏壓軟弱圍巖段的適用性及支護結(jié)構(gòu)的受力特征進行分析研究。

2 工程背景

云中隧道位于福建閩清境內(nèi)，隧道區(qū)屬丘陵低山地貌，隧道縱穿北東向山脊，地形起伏較大。山體自然斜坡坡度為25～30°；進口段山體自然斜坡坡度為20～30°，出口段山體自然斜坡坡度為20～25°沿線最高點海拔約140.0m，溝谷較窄，切割較深，植被較發(fā)育。

云中隧道全長433.5m，左右洞呈小凈距布置，左洞全長435m，右洞全長432m，為短隧道。隧道全長位于直線范圍內(nèi)。隧道縱坡坡率/坡長：右洞為-2.98%/432m，左洞為-2.98%/435m。

隧道區(qū)進口段風化巖層厚度較厚、出口段及洞身段上覆土層一般厚度較小，巖層主要以侏羅紀南園組(J3n)碎斑熔巖為主，屬較硬-堅硬巖，巖體較破碎-較完整，對隧道洞身圍巖的穩(wěn)定較有利，洞身圍巖級別一般為Ⅳ級，局部為Ⅲ級。

圖1 云中隧道縱斷面圖

隧道區(qū)地形起伏較大；地下水主要為強風化層中的孔隙、裂隙型潛水、構(gòu)造裂隙水，主要受大氣降水垂向補給，地下水較豐富。

3 計算模型

計算選取洞口段YK5+822剖面進行準三維計算，三維計算。計算坐標系X軸為水平方向，Y軸豎直向上為正，Z軸取為沿隧道軸線方向。計算模型范圍及邊界條件參照巖石力學和隧道力學理論確定?？紤]到“邊界效應(yīng)”，橫向邊界到隧道邊界的距離約4倍洞徑(隧道跨徑12m)，計算模型左右各50m；在垂直方向上，上邊界至地表，下邊界到隧道底部的距離約3倍洞徑，下邊界距隧道底部為36m；只考慮自重作用，忽略構(gòu)造應(yīng)力；數(shù)值計算軟件采用FLAC3D，圍巖采用實體單元模擬，初噴混凝土采用liner單元模擬；采用順序建模的方式實現(xiàn)隧道的開挖和支護，通過空單元命令實現(xiàn)開挖，同時建立結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)支護效果。CRD法計算模型共剖分了17028個節(jié)點，20475個單元；CD法計算模型共剖分了17334個節(jié)點，20853個單元。計算模型如下圖2、圖3所示。

模型邊界約束條件設(shè)定如下：

(1)模型左右邊界定為單約束邊界，取 u=0，v≠0，w≠0(u為X方向位移，v為Y方向位移，w為Z方向位移)；

(2)模型前后邊界定為單約束邊界，取 u≠0，v=0，w≠0；

(3)模型底邊界定為全約束邊界，取u=0，v=0，w=0；

(4)模型上邊界定為自由邊界，不予約束。

參考研究區(qū)域的煤巖物理力學實驗結(jié)果，取模型為近似理想的彈塑性模型，其破壞準則選用Mohr-Coulomb準則。

圖2 CRD法開挖計算模型

圖3 CRD法開挖計算模型

其中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；c為粘結(jié)力；φ為內(nèi)摩擦角。

其主要地層結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

表1 材料計算參數(shù)

采用邊模量、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力及抗拉強度等材料參數(shù)來進行模擬計算。針對體變模量和切變模量采用以下兩個公式進行材料屬性轉(zhuǎn)換。

體變模量(bulk)：

切變模量(shear)：

式中，E——彈性模量；

μ——泊松比。

4 不同工法開挖數(shù)值模擬分析

(1)位移場變化特征

從圖4、圖5可知，開挖完成后，由于應(yīng)力釋放，圍巖變形表現(xiàn)為底板右拱肩以豎向位移為主，左拱腰及右拱腳以水平位移為主，拱頂水平位移稍大于豎向位移。由于存在偏壓，右側(cè)拱部位移量值大于左側(cè)拱部。由下表2可知，兩種施工工法在YK5+822剖面洞周變形位移CRD法明顯優(yōu)于CD法。

由此可見，對于處在淺埋偏壓地段且?guī)r性較弱的洞口，應(yīng)及時施做仰拱，以盡早形成封閉受力環(huán)，增強圍巖整體穩(wěn)定性。拱腳和邊墻部位應(yīng)該作為加固設(shè)計與施工考慮的重點部位。

對于隧道淺埋偏壓軟弱圍巖段，CD法與CRD法都能很好的控制隧道的洞周變形，但CRD法效果更佳。

CD法與CRD法兩種不同工法隧道施工過程中隧道洞周位移值如下表2所示：

圖4 隧道開挖垂直位移(m)等值線

圖5 隧道CD法開挖位移(m)等值線

(2)應(yīng)力場規(guī)律特征

圖6-圖7分別表示采空區(qū)在隧道上隧道開挖過程中的最大主應(yīng)力(σ1)和最小主應(yīng)力(σ3)變化等值線圖。由于隧道的開挖，隧道附近出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于CD法和CRD法支護方式的不同，相應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)域及集中程度也有一定的差異，隧道處于偏壓淺埋軟弱層，兩種工法在右拱肩、左側(cè)仰拱及右側(cè)仰拱區(qū)域都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且應(yīng)力在該區(qū)域集中分布，拱腰及拱腳表現(xiàn)為以壓應(yīng)力為主(FLAC3D中壓應(yīng)力為負，拉應(yīng)力為正)，“壓-剪”破壞較為明顯，最大主應(yīng)力CD法拱腳地層應(yīng)力集中區(qū)域明顯大于CRD法，CRD法左拱腳位置較CD法壓應(yīng)力集中程度及范圍小。表3數(shù)據(jù)可知，CRD法噴層內(nèi)最大及最小主應(yīng)力相對CD法更小，支護結(jié)構(gòu)更合理。

CD法與CRD法兩種不同工法隧道施工過程中隧道初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力值如下表3所示：

圖6 隧道CRD法開挖主應(yīng)力(Pa)等值線圖

圖7 隧道CD法開挖主應(yīng)力(Pa)等值線圖

表3 隧道不同施工方法初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果

(3)初支彎矩分析

由以下噴層彎矩圖8可見，在軟巖隧道施工過程中，CRD和CD法開挖支護過程中噴層內(nèi)沿隧道軸線的彎矩My(y方向為隧道軸線方向)兩種工法在右拱肩位置都為為正彎矩，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，也是隧道支護容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，在施工中要加強監(jiān)測；其余部位主要為負彎矩，表現(xiàn)為壓應(yīng)力；由于這兩種工法都有臨支撐結(jié)構(gòu)，都能很好的抵抗隧道偏壓變形，由圖8(a)、圖8(b)可知，在臨時中隔壁結(jié)構(gòu)中CD工法比CRD工法彎矩集中范圍大，相應(yīng)彎矩值也更大， 分別為-37.7kN·m.、-25.4kN·m，CRD 法彎矩值相對減小32.9%，可見由于CRD橫撐的作用，其中隔壁彎矩受力明顯改善。由表4數(shù)據(jù)可以看出，CD工法拱頂部位出現(xiàn)了拉應(yīng)力，對施工安全不利，其他部位也均大于于CRD法噴層中的彎矩值。在實際施工過程中，采用CD法開挖支護需在拱頂及右拱肩位置加強支護，并且盡快使噴層成環(huán)，使噴層結(jié)構(gòu)均勻受力，減小局部彎矩集中。

CD法與CRD法兩種不同工法隧道施工過程中隧道初支彎矩值如下表4所示：

圖8 初支彎矩圖(N·m)

表4 隧道不同施工方法噴層支護結(jié)構(gòu)彎矩計算結(jié)果

4 結(jié)論

通過對云中隧道洞口段淺埋軟弱偏壓隧道CD法與CRD法兩種不同施工工法的數(shù)值模擬計算與分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)隧道的開挖引起隧道上覆地層沉降，下伏地層向上隆起，由于隧道右側(cè)偏壓受力，在拱肩位置位移及受力都較左邊大，在實際施工過程中應(yīng)加強該區(qū)域的支護與監(jiān)測，動態(tài)施工，及時防治危險的發(fā)生。

(2)CD法與CRD法兩種開挖支護工法在淺埋軟弱偏壓隧道均能很好的控制變形，但整體上CRD法施工效果更佳，在嚴格控制變形的隧道施工中建議適用該工法。