山嶺隧道斷層破碎帶富水段開(kāi)挖方法的對(duì)比分析

陳 亮，曾永軍

(廣東省南粵交通韶贛高速公路管理中心，廣東 韶關(guān) 512522)

0 引言

小北山1號(hào)隧道F3 斷裂于地表 ZK16+500(K16+460)通過(guò)隧址區(qū)。斷層范圍大，斷裂帶通過(guò)隧道(K16+150～K16+600)處范圍圍巖破碎、裂隙發(fā)育，易形成地下水的通道及富集帶，圍巖級(jí)別低。隧道掘進(jìn)至 ZK16+480時(shí)，掌子面右半幅圍巖由質(zhì)地堅(jiān)硬的中風(fēng)化花崗巖突變?yōu)槿L(fēng)化輝綠巖，塌方堆積體約 280m3，為松散土狀，整體呈深灰綠色。隧道全斷面開(kāi)挖會(huì)對(duì)破碎帶土體帶來(lái)擾動(dòng)，甚至導(dǎo)致隧道掌子面發(fā)生塌方，對(duì)隧道施工安全帶來(lái)影響，不宜采用全斷面開(kāi)挖方法。

1 FLAC3D 模擬隧道分部開(kāi)挖法

采用 FLAC3D 有限元法對(duì)不同的開(kāi)挖工法進(jìn)行模擬，比較不同工法對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，分析不同圍巖等級(jí)下隧道開(kāi)挖掌子面處的狀態(tài)，得出在斷層破碎帶中進(jìn)行隧道開(kāi)挖需要減少對(duì)圍巖體的擾動(dòng)，以保證隧道開(kāi)挖的安全。

1.1 建立數(shù)值模型

隧道開(kāi)挖工法見(jiàn)表 1，計(jì)算模型如圖1所示。通過(guò)模擬計(jì)算分析，考察隧道動(dòng)態(tài)施工觸發(fā)圍巖的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)的特性及其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，為工程提供建議的施工方法。

表1 開(kāi)挖工法

圖1 FLAC3D計(jì)算模型

對(duì)于隧道斷層富水段的計(jì)算，采用 FLAC3D 有限元法計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力，圍巖和初期支護(hù)均采用實(shí)體單元模擬，圍巖采用 Mohr-Coulomb 本構(gòu)關(guān)系，初期支護(hù)單元采用彈性本構(gòu)。模型寬 221m，高 145m，縱向長(zhǎng)度等于開(kāi)挖長(zhǎng)度為 60m，隧道中心計(jì)算水頭高度159m。模型考慮水的影響，采用流固耦合計(jì)算，在整個(gè)開(kāi)挖模擬過(guò)程中主要監(jiān)測(cè)隧道拱頂處的沉降位移和隧道拱底的位移。模型邊界條件：模型左右邊界方向約束X方向位移,固定孔隙壓力采用透水邊界；前后邊界方向約束Y方向位移,允許孔隙水壓力變化；底面約束Z方向位移,固孔隙壓力采用透水邊界；頂面為自由面。在開(kāi)挖過(guò)程中由于隧道周邊圍巖破碎，且隧道處于富水地段，施工對(duì)開(kāi)挖隧道進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，為減少對(duì)圍巖體的擾動(dòng)，開(kāi)挖進(jìn)尺選為1m。

1.2 不同工法對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響

1.2.1 兩種三臺(tái)階法之間的比較

在 FLAC3D 中模擬三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，將第一種三臺(tái)階法的上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在 5m，第二種臺(tái)階法的上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在 10m，以比較不同臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。考慮到邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，分析計(jì)算結(jié)果時(shí)以模型 30m處的結(jié)果為參考。

圖2 上臺(tái)階為 5m的三臺(tái)階法豎向位移云圖

圖3 上臺(tái)階為10m的三臺(tái)階法豎向位移云圖

圖2和圖3分別列出了考慮流固耦合效應(yīng)下兩種不同上臺(tái)階長(zhǎng)度的三臺(tái)階法的圍巖位移分布，可以發(fā)現(xiàn)兩者的位移基本成對(duì)稱分布，位移場(chǎng)分布也大致相同。隧道頂部位移表現(xiàn)為隧道開(kāi)挖后拱頂下沉，并帶動(dòng)上方一定區(qū)域內(nèi)的圍巖產(chǎn)生向下位移，5m上臺(tái)階開(kāi)挖的三臺(tái)階法其頂部的沉降量為 4.03cm，以 10m上臺(tái)階開(kāi)挖的三臺(tái)階法其頂部的沉降量為 4.35cm。兩種工法開(kāi)挖的最大正向位移值分別為 10.58cm 和 11.11cm，出現(xiàn)在隧道的拱底，表現(xiàn)為由于隧道開(kāi)挖卸載和強(qiáng)大的水壓作用引起底部回彈。

圖4 上臺(tái)階為 5m的三臺(tái)階法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖5 上臺(tái)階為10m的三臺(tái)階法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖6 上臺(tái)階為 5m的三臺(tái)階法圍巖塑性區(qū)

圖7 上臺(tái)階為10m的三臺(tái)階法圍巖塑性區(qū)

圖4至圖7分別為兩種不同三臺(tái)階開(kāi)挖方式下隧道初期支護(hù)上的最大主應(yīng)力云圖和隧道圍巖塑性區(qū)分布圖。從圖中可以直觀地發(fā)現(xiàn)兩種開(kāi)挖方式下最大主應(yīng)力值分布形式大致相同，均出現(xiàn)在初期支護(hù)的拱腳處，其中上臺(tái)階為 5m的三臺(tái)階法其拱腳處最大主應(yīng)力值稍大，為 2.816MPa;上臺(tái)階為 10m的三臺(tái)階法其拱腳處最大主應(yīng)力值為 2.692MPa。對(duì)比兩種工法下塑性區(qū)的分布圖，可以發(fā)現(xiàn)兩種工法在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)塑性區(qū)的范圍大致相當(dāng)。兩種工法均在隧洞周圍形成閉合的塑性區(qū)，雖然上下臺(tái)階均為 10m的三臺(tái)階法塑性區(qū)半徑較上臺(tái)階 5m下臺(tái)階 10m的三臺(tái)階法略小，但隧道頂部的塑性區(qū)一直存在。總的來(lái)說(shuō)上臺(tái)階 5m下臺(tái)階10m的三臺(tái)階法與上、下臺(tái)階均為 10m的三臺(tái)階法相比較，兩者之間的差異并不明顯?？紤]隧道在斷層破碎帶中開(kāi)挖，應(yīng)盡量減小圍巖變性和沉降，以隧道拱頂沉降量作為首要參考因素，上臺(tái)階 5m下臺(tái)階10m的三臺(tái)階法能更好地防止隧道頂部發(fā)生塌落。

1.2.2 兩臺(tái)階法與三臺(tái)階法比較

采用 FLAC3D 模擬兩臺(tái)階時(shí)臺(tái)階的長(zhǎng)度控制為 10m，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看兩臺(tái)階開(kāi)挖的位移場(chǎng)分布狀態(tài)和三臺(tái)階法的位移場(chǎng)分布沒(méi)有很大區(qū)別，同樣也是對(duì)稱分布的狀態(tài)。在模擬計(jì)算過(guò)程中，考慮到兩臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)一次開(kāi)挖范圍較大，對(duì)隧道周邊巖土體造成的擾動(dòng)較大，通過(guò)增加計(jì)算步數(shù)的形式來(lái)模擬開(kāi)挖對(duì)地應(yīng)力的二次影響的程度。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，采用兩臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，隧道拱頂?shù)某两盗勘热_(tái)階開(kāi)挖時(shí)要大，達(dá)到了 4.73cm。引起沉降量增大的原因主要還是由于開(kāi)挖對(duì)上部土體擾動(dòng)與比三臺(tái)階相比要大，此外支護(hù)施加也沒(méi)有三臺(tái)階法及時(shí)。

圖8 兩臺(tái)階法豎向位移云圖

圖9 上臺(tái)階為10m的三臺(tái)階法豎向位移云圖

圖10 兩臺(tái)法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖11 上臺(tái)階為10m的三臺(tái)階法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

比較兩種工法下隧道初期支護(hù)上的最大主應(yīng)力值云圖，可以發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)階法最大主應(yīng)力分布云圖與三臺(tái)階相比大致相同，其拱腳處的最大主應(yīng)力值同樣是初期支護(hù)上最大的，數(shù)值為 2.99MPa，與三臺(tái)階法相比要稍大些。兩臺(tái)階法其初期支護(hù)底部的位移量雖然沒(méi)有三臺(tái)階法大，但初期支護(hù)底部的最大主應(yīng)力值仍比三臺(tái)階法大，數(shù)值為1.16MPa。從圖12和圖13可以看出，兩種工法的塑性區(qū)半徑大致相同。但是兩臺(tái)階法除了在拱底出現(xiàn)了受拉塑性區(qū)外，其左右拱肩處的受拉塑性區(qū)范圍較大，容易造成兩側(cè)土體破壞，引起垮塌。

圖12 兩臺(tái)階法圍巖塑性區(qū)

圖13 上臺(tái)階為10m的三臺(tái)階法圍巖塑性區(qū)

1.2.3 核心土法與上臺(tái)階為 5m的三臺(tái)階法比較

從之前的計(jì)算結(jié)果比較來(lái)看,盡量減小對(duì)圍巖體的擾動(dòng)，及時(shí)支護(hù)可以使隧道拱頂沉降量減小，避免塌方的發(fā)生。進(jìn)一步的，模擬核心土長(zhǎng)度為 5m，下臺(tái)長(zhǎng)度為10m的預(yù)留核心土法開(kāi)挖，將其計(jì)算結(jié)果與上臺(tái)階 5m下臺(tái)階 10m的三臺(tái)階開(kāi)挖法進(jìn)行比較，兩者的位移云圖、初期支護(hù)上最大主應(yīng)力圖以及圍巖塑性區(qū)分布圖見(jiàn)圖14和圖15所示。

圖14 核心土法豎向位移云圖

圖15 上臺(tái)階為5m的三臺(tái)階法豎向位移云圖

分析計(jì)算結(jié)果可以得到：預(yù)留核心土法開(kāi)挖引起的頂部沉降和底部回彈比三臺(tái)階法要略小一些，頂部沉降量為 3.98cm，底部位移為 10.23cm。核心土法開(kāi)挖初期支護(hù)上的最大主應(yīng)力也較三臺(tái)階法小。在塑性區(qū)的分布上，兩者在隧道底部和隧道的拱肩部均出現(xiàn)了受拉塑性區(qū)，核心土法圍巖塑性區(qū)半徑比三臺(tái)階法大。

圖16 核心土法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖17 上臺(tái)階為5m的三臺(tái)階法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖18 核心土法圍巖塑性區(qū)

圖19 上臺(tái)階為5m的三臺(tái)階法圍巖塑性區(qū)

2 四種工法對(duì)比分析

將四種工法Y=30m斷面處的隧道拱頂下沉、底部隆起繪制成圖表，進(jìn)行直觀比較，見(jiàn)表2。采用兩臺(tái)階法開(kāi)挖引起的拱頂下沉為最大，而底部隆起最大出現(xiàn)在上下臺(tái)階均為 10m的三臺(tái)階法中，采用預(yù)留核心土法時(shí)得到的底部隆起和拱頂沉降量是四種工法中最小的。四種工法的拱底隆起位移均在10cm以上，這對(duì)仰拱的施工，以及隧道初期支護(hù)提出了較高的要求。

表2 四種工法拱頂沉降與拱底位移量

四種工法初期支護(hù)上最大主應(yīng)力值匯總見(jiàn)表3。初期支護(hù)上的最大主應(yīng)力值均出現(xiàn)在初期支護(hù)的左右拱腳處，預(yù)留核心土法的初期支護(hù)上拱腳最大主應(yīng)力是四種工法中最小的。初期支護(hù)作為重要的承載結(jié)構(gòu)，在維護(hù)隧道穩(wěn)定的同時(shí)勢(shì)必承受較大的圍巖應(yīng)力，在軟弱破碎圍巖狀態(tài)下，加上地層中較高的水壓，使得初期支護(hù)在拱頂和拱底位移較大的情況下，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)在拱腳處出現(xiàn)較大的應(yīng)力值。

表3 初期支護(hù)上最大主應(yīng)力值

四種工法進(jìn)行隧道開(kāi)挖過(guò)程中，在隧道四周的巖層中均出現(xiàn)閉合的塑性區(qū)，在支護(hù)結(jié)構(gòu)底部的圍巖均出現(xiàn)了受拉塑性區(qū)。四種工法頂部和拱肩處的塑性區(qū)存在著一定的差別，差別主要在于拱肩處受拉塑性區(qū)的范圍。從計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),兩臺(tái)階法施工引起的塑性區(qū)范圍最大，從拱肩一直延伸至拱腳附近，其他三種工法受拉塑性區(qū)范圍大致相同。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)小北山隧道擬采用的幾種工法的數(shù)值計(jì)算與對(duì)比，得出如下結(jié)論：

采用 FLAC3D 有限元模擬分部開(kāi)挖的幾種工法，考慮水的影響所得的計(jì)算結(jié)果表明拱底隆起位移較大，在施工過(guò)程中需要注意。計(jì)算結(jié)果顯示，盡量減小對(duì)圍巖體的擾動(dòng)可以對(duì)隧道頂部的沉降控制起到一定的作用，拱肩處出現(xiàn)的受拉塑性區(qū)在施工過(guò)程中容易造成洞室的整體失穩(wěn)，需要及時(shí)支護(hù)。所模擬的四種工法中預(yù)留核心土法安全可靠度最高，為施工安全綜合考慮，F(xiàn)3斷裂帶部分采用了該種施工方法。實(shí)際施工時(shí)，在左幅ZK16+480～ZK16+518及右幅K16+150～K16+600段采用了預(yù)留核心土法，隧道順利掘進(jìn)，取得了較好的效果。隧道通車后，該段落未發(fā)現(xiàn)二襯砼存在異常情況，隧道通車運(yùn)營(yíng)情況良好。