強(qiáng)風(fēng)化千枚巖地層隧道開挖方法的數(shù)值分析

冷 浩, 周曉軍

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

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強(qiáng)風(fēng)化千枚巖地層隧道開挖方法的數(shù)值分析

冷 浩, 周曉軍

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

采用有限差分法對(duì)某隧道出口段強(qiáng)風(fēng)化千枚巖地層中擬采用的傳統(tǒng)三臺(tái)階七步開挖法與新三臺(tái)階七步開挖法的施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過對(duì)相應(yīng)施工方法下隧道圍巖發(fā)生的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的對(duì)比與分析，結(jié)果表明新三臺(tái)階七步開挖法更有利于控制隧道施工期間所引起的圍巖變形，可適合于強(qiáng)風(fēng)化千枚巖地層中隧道出口段的施工。

傳統(tǒng)的三臺(tái)階七步開挖法； 新三臺(tái)階七步開挖法； 圍巖變形； 支護(hù)內(nèi)力； 數(shù)值模擬

近年來傳統(tǒng)的三臺(tái)階七步開挖法在大斷面隧道施工中得到廣泛應(yīng)用，如蘭渝鐵路毛羽山隧道、雅康高速公路的前碉隧道[1]等。傳統(tǒng)的三臺(tái)階七步開挖法針對(duì)圍巖條件較好的地層具有技術(shù)成熟、施工工藝簡(jiǎn)單、施工方式靈活等特點(diǎn)，但是對(duì)處于軟弱地層中的大斷面隧道而言，采用傳統(tǒng)的三臺(tái)階七步開挖法施工時(shí)存在拱頂和拱肩處圍巖變形難以控制、施作初期支護(hù)時(shí)難度較大、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高等突出的問題。因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的三臺(tái)階七部開挖法進(jìn)行改進(jìn)。本文基于新建成蘭鐵路某隧道出口端處于強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)千枚巖地層的工程實(shí)際，從控制隧道施工期間的圍巖變形為目標(biāo)，保證隧道施工過程的快速安全，提出了便于控制圍巖變形的新三臺(tái)階七步開挖法[2]，并建立三維數(shù)值模型就兩種施工方法所引起的隧道圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工程背景

2 施工方法選取

參閱相關(guān)文獻(xiàn)[3-15]，對(duì)于絕大多數(shù)的山嶺地區(qū)穿越軟弱圍巖的鐵路和公路大斷面隧道而言，為了有效地降低隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)，控制隧道施工而引起的圍巖變形、沉降，目前的技術(shù)現(xiàn)狀主要以臺(tái)階法和分部開挖法進(jìn)行施工。鑒于該隧道出口段穿越節(jié)理極為發(fā)育的千枚巖地層，結(jié)合國(guó)內(nèi)軟弱圍巖隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)傳統(tǒng)的三臺(tái)階七步開挖法施工工法的研究，為降低隧道施工期間的安全風(fēng)險(xiǎn)，控制圍巖發(fā)生過大的變形，結(jié)合文獻(xiàn)[2]中所提出的適合于黃土大斷面隧道的新開挖方法，將方法擬應(yīng)用于該隧道出口段大斷面隧道的施工。采用有限差分法分別建立針對(duì)兩種臺(tái)階法的三維數(shù)值模型，對(duì)隧道施工過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以便通過隧道開挖而引起的圍巖變形和支護(hù)內(nèi)力的對(duì)比來確定適合于該隧道出口段的施工方法。

傳統(tǒng)的三臺(tái)階七步開挖法是指在隧道開挖過程中，將隧道開挖輪廓線范圍內(nèi)的圍巖劃分為7個(gè)不同的開挖分部，如圖1所示。而新三臺(tái)階七步法[2]是對(duì)傳統(tǒng)三臺(tái)階七步開挖法的改進(jìn)，其特點(diǎn)是將隧道開挖輪廓線范圍內(nèi)的圍巖分割為7個(gè)分部，如圖2所示。

圖1 三臺(tái)階七步開挖法施工步驟 (單位: m)

圖2 新三臺(tái)階七步開挖法施工步驟 (單位: m)

3 施工方法的數(shù)值分析與對(duì)比

3.1 模型尺寸

根據(jù)該隧道出口段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其開挖斷面凈高為10.67 m，最大開挖跨度為9.40 m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖如圖3所示。據(jù)此建立了出口段隧道與地層結(jié)構(gòu)共同作用的三維有限差分模型，如圖4所示。

圖3 隧道出口段襯砌結(jié)構(gòu)斷面(單位：mm)

圖4 洞口段三維數(shù)值模型

隧道三維有限差分模型的上邊界取至地表面，下部邊界與隧道仰拱底部的距離為40 m，左右兩側(cè)邊界至隧道中心線的距各為40 m，隧道縱向長(zhǎng)度為48 m；仰坡高度為48 m，坡度45°。為便于對(duì)比和分析，兩種工法的三維計(jì)算模型的邊界條件、圍巖巖性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)在兩種開挖過程的模擬計(jì)算中均保持相同。根據(jù)隧道地質(zhì)勘察資料，合理的選取相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)，具體取值見表1。此處不考慮千枚巖的節(jié)理的影響以及地下水的影響。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

隧道超前地質(zhì)加固采用大管棚注漿，間距0.4 m；初期支護(hù)采用鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土:噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，鋼筋網(wǎng)作用體現(xiàn)在Shell單元參數(shù)提高上，二襯采用C30模筑鋼筋混凝土。在三維數(shù)值模擬計(jì)算中，千枚巖地層采用實(shí)體單元加以模擬，不考慮錨桿的作用。對(duì)于襯砌的參數(shù)，由于鋼拱架與噴射混凝土實(shí)際上是共同受力、共同變形，所以鋼拱架可以根據(jù)鋼筋混凝土計(jì)算原理采用等效截面計(jì)算，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，同樣二次襯砌也據(jù)此計(jì)算，采用面積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，將鋼拱架(鋼筋)和混凝土的彈性模量綜合統(tǒng)一的轉(zhuǎn)化方法，其轉(zhuǎn)換公式為[16]：

(1)

式中：En為混凝土和鋼拱架換算后的彈性模量；An為混凝土和鋼拱架總面積；Ec為混凝土的彈性模量；Ac為混凝土的面積；Es為鋼拱架的彈性模量；As為鋼拱架的面積。

3.2 施工工序

對(duì)傳統(tǒng)三臺(tái)階七步開挖法施工過程的模擬，從圖1中所示的第1步開始，按照先后順序依次模擬隧道的施工過程，直至整個(gè)隧道二次襯砌澆筑完畢，共模擬計(jì)算有41個(gè)步驟，且每個(gè)步驟內(nèi)模擬的巖體開挖進(jìn)尺均為2 m，具體模擬計(jì)算的開挖步驟如下：

(1)第1步，進(jìn)行1部?jī)?nèi)巖體的開挖，開挖進(jìn)尺為2 m，并施做初期支護(hù)。

(2)第2步對(duì)1部繼續(xù)開挖2～4 m，施做初期支護(hù)。

(3)第3步對(duì)1部繼續(xù)開挖4～6 m，施做初期支護(hù)。

(4)第4步對(duì)1部繼續(xù)開挖6～8 m，然后將2部開挖進(jìn)尺2 m，將6-1部開挖進(jìn)尺2 m，同時(shí)在1部以及2部?jī)?nèi)施做初期支護(hù)。

以此類推，根據(jù)上述施工步驟直到開挖進(jìn)尺到48 m。然后當(dāng)1部巖體開挖進(jìn)尺至38 m時(shí)，在洞口段開始從洞口以4 m為一個(gè)循環(huán)開始施做二襯。

對(duì)于新三臺(tái)階七步開挖法的三維模型而言，仍然將每個(gè)分部?jī)?nèi)巖體被挖除的進(jìn)尺設(shè)為2 m，從1部開挖直至整個(gè)隧道二次襯砌澆筑完畢，共模擬計(jì)算了39個(gè)步驟, 具體模擬開挖的計(jì)算步驟如下：

(1)第1步中進(jìn)行1部巖體的開挖，進(jìn)尺為2 m，并施做初期支護(hù)。

(2)第2步中對(duì)1部繼續(xù)開挖，進(jìn)尺為2～4 m，施做初期支護(hù)。

(3)第3步中對(duì)1部巖體繼續(xù)開挖，進(jìn)尺為4～6 m，施做初期支護(hù)。

(4)第4步中對(duì)1部巖體的開挖進(jìn)尺為6～8 m，對(duì)2部?jī)?nèi)的巖體開挖進(jìn)尺為2 m，并施做1部和2部的初期支護(hù)。

以此類推，按照上述施工步驟直到開挖進(jìn)尺達(dá)到48 m。至此，當(dāng)1部開挖進(jìn)尺達(dá)到34 m時(shí)，在洞口段開始從洞口以4 m為一個(gè)循環(huán)開始施做二襯。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過對(duì)兩種施工方法開挖過程的數(shù)值模擬，主要從開挖所引起的圍巖拱頂沉降、斷面水平位移和初期支護(hù)的受力狀況進(jìn)行比對(duì)與分析。

3.3.1 監(jiān)測(cè)斷面關(guān)鍵點(diǎn)位移對(duì)比分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，為分析兩種施工方法所引起的圍巖變形，選取埋深最小處作為圍巖變形的監(jiān)測(cè)斷面，因?yàn)槁裆钭钚√幉焕谛纬捎行У某休d拱，圍巖穩(wěn)定性較差，該斷面里程距離隧道洞口2 m里程，其中監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)包括6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)如圖5所示；通過對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的分析，在隧道開挖過程中不同步驟下各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上的位移結(jié)果分析如圖6～圖13所示。

圖5 隧道周邊特征關(guān)鍵點(diǎn)位置

圖6 不同工法下拱頂沉降與開挖步驟的關(guān)系曲線

圖7 不同工法下左側(cè)拱肩沉降與開挖步關(guān)系曲線

圖8 不同工法下右側(cè)拱肩沉降與開挖步關(guān)系曲線

圖9 不同工法下左側(cè)拱肩水平位移與開挖步關(guān)系曲線

圖10 不同工法下右側(cè)拱肩水平位移與開挖步關(guān)系曲線

圖11 不同工法左側(cè)拱腳水平位移與開挖步關(guān)系曲線

圖12 不同工法下右側(cè)拱腳水平位移與開挖步關(guān)系曲線

圖13 不同工法下拱底豎向位移與開挖步關(guān)系曲線

通過對(duì)兩種施工方法下監(jiān)測(cè)斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移狀況對(duì)比，其結(jié)果如表2所示。從表2和圖6～圖13可以看出，與傳統(tǒng)的三臺(tái)階七步開挖法相比，在相同條件下采用新三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行施工時(shí)，后者所引起的隧道拱頂下沉量減少了20.05 %，拱肩水平收斂減少了23.19 %，拱底鼓底減少20.1 %，但隧道底部拱腳處的水平位移卻增大了35.74 %，導(dǎo)致這種情況的其原因可能是由于仰拱部位分部開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)不能及時(shí)閉合，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)拱腳處受力較大，導(dǎo)致位移值增大。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移

3.3.2 監(jiān)測(cè)斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)對(duì)比與分析

為了分析隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的最不利位置，選取距離隧道洞口里程為2 m處的斷面為研究斷面。針對(duì)所選取的斷面，分析其斷面處初期支護(hù)的受力特征。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算中所確定的監(jiān)測(cè)斷面各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移狀況，當(dāng)模擬開挖的施工步驟達(dá)到第20步即1部的開挖進(jìn)尺達(dá)到40 m時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位移趨于穩(wěn)定并達(dá)到峰值，此時(shí)初期支護(hù)處于最不利的受力狀態(tài)，其應(yīng)力狀態(tài)如表3所示。

表3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

4 結(jié) 論

通過對(duì)該隧道出口段采用傳統(tǒng)三臺(tái)階七步開挖法和新三臺(tái)階七步開挖法施工過程的數(shù)值模擬，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)三臺(tái)階法相比，采用新三臺(tái)階七步開挖法施工時(shí)所引起的隧道拱頂沉降、拱肩下沉、拱腳水平收斂以及初期支護(hù)的應(yīng)力均較小。

數(shù)值模擬結(jié)果表明兩種工法均是可行的，但新臺(tái)階七步法更有利于控制圍巖發(fā)生的過大變形，而且隧道拱頂、拱肩部位初期支護(hù)的應(yīng)力也??；針對(duì)新三臺(tái)階七步法開挖，由于開挖斷面更大，工序更為簡(jiǎn)便易行，可以有效降低工程造價(jià)；對(duì)圍巖變形的控制也更加理想，因此建議采用新三臺(tái)階七步法進(jìn)行施工作業(yè)。

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冷浩(1990～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯綆X隧道施工力學(xué)。

U455.41+1

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[定稿日期]2016-06-28