軟弱破碎圍巖隧道開挖工法比選研究

羅燕平

(四川川交路橋有限責(zé)任公司，四川 德陽 618000)

0 前 言

軟弱破碎圍巖在隧道施工過程中一直是重難點問題，因其具有強度低、承載能力差、粘結(jié)力差、遇水易軟化、巖體結(jié)構(gòu)面比較軟弱以及容易導(dǎo)致滑塌等工程地質(zhì)特點成為大量專家學(xué)者關(guān)注的焦點[1-2]。艾光讀[3]依托陳家店隧道工程，選擇了四種軟弱圍巖隧道施工方法即臺階法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，并對這四種軟弱圍巖隧道施工方法展開了研究，結(jié)合實際工程地質(zhì)條件，提出了最優(yōu)的施工方法即雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。葉權(quán)[4]依托云南省麗江文筆山隧道的噴錨暗挖臺階法施工段，采用有限元分析軟件，對軟弱圍巖施工段隧道初期支護沉降進行技術(shù)研究，通過監(jiān)控量測對實際施工工況下的斷面進行數(shù)據(jù)收集，分析了鎖腳錨桿的支護作用理論。高艷花[5]依托青峰軟巖隧道,提出了相應(yīng)的施工工法、掌子面穩(wěn)定對策、拱腳穩(wěn)定控制技術(shù)、合理剛度及強度支護措施等軟巖隧道施工大變形系統(tǒng)控制技術(shù)，并采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測手段,研究了上述系統(tǒng)控制技術(shù)對軟弱圍巖隧道大變形的控制效果。本文依托金家莊特長螺旋隧道工程，通過數(shù)值模擬比選兩臺階法和三臺階預(yù)留核心土法兩種施工方法，討論適合該隧道的最優(yōu)開挖工法。

1 工程概況

金家莊特長隧道位于河北省張家口市赤城縣炮梁鄉(xiāng)磚樓村東、金家莊村西北方向，全長4 104 m，隧道最大埋深約314.5 m，隧道區(qū)地表標高為1 406～1 738 m，相對高差332 m，入口端洞口坡度為16°～24°，出口端洞口坡度為26°～31°。隧道區(qū)地層主要為海西期二長花崗巖，局部為第四系覆蓋層。

本文以K82+100～K82+180為研究標段，該標段內(nèi)隧道橫斷面采用兩臺階法和三臺階預(yù)留核心土法進行模擬開挖，進行開挖工法的比選。

2 隧道開挖數(shù)值模擬

2.1 計算模型建立

本次計算以金家莊特長螺旋隧道K82+100～K82+180段作為設(shè)計依據(jù)建立模型。隧道開挖寬度為13.83 m，高度為12.09 m。根據(jù)圣維南原理，隧道開挖計算模型的邊界通常取開挖洞徑的5～7倍[7]。本次建模中左右邊界取至距隧道邊墻80 m，上邊界取至距隧道拱頂80 m，下邊界取至距隧道拱底以下80 m，模型沿隧道軸向拉伸50 m。模型單元全部采用具有個8節(jié)點的6面體三維實體單元，計算模型總共包含153 100個單元和157 233個節(jié)點，計算精確度可以得到保證。各個施工工法計算模型見圖1。為了真實地模擬隧道所處的地應(yīng)力場，模型下邊界采用約束豎向位移的位移邊界條件，頂面采用與上覆圍巖重度等效的應(yīng)力邊界條件、側(cè)面根據(jù)不同側(cè)壓力換算成相應(yīng)的邊界條件。

(a)兩臺階法網(wǎng)格劃分

2.2 開挖工法步序

本文針對金家莊特長螺旋隧道，采用兩臺階開挖法、三臺階預(yù)留核心土開挖法進行數(shù)值模擬(見表1)。

表1 隧道開挖計算工法一覽表 單位：m

2.3 模型計算參數(shù)選取

計算中將隧道圍巖視為均質(zhì)、單一材料各向同性的連續(xù)介質(zhì)，采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)模型來描述。通過FLAC3D中的空模型來實現(xiàn)圍巖的開挖。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70—2014)和金家莊特長螺旋隧道地質(zhì)勘察資料并做相應(yīng)調(diào)整，本次計算選取的圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示,錨桿物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表2 圍巖、初期支護和二次襯砌物理力學(xué)參數(shù)

表3 錨桿物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值計算結(jié)果

本次計算選取監(jiān)測斷面位于模型Y=40 m處，并在洞周布置8個監(jiān)測點，記錄開挖過程中圍巖及支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移變化，斷面監(jiān)測點位置布置圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點位置示意圖

3.1 隧道洞周位移

位移監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。從表4可以看出，兩種工況下的洞周圍巖位移大致相同。對于相同監(jiān)測點位，工況2(兩臺階法)的位移明顯高于工況1(三臺階預(yù)留核心土法)的位移，這是因為采用三臺階預(yù)留核心土法一次開挖面積較小，有利于掌子面穩(wěn)定，同時能夠更加及時的給圍巖提供支護阻力，控制圍的變形。

表4 洞周位移監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：cm

3.2 隧道洞周應(yīng)力

采用三臺階預(yù)留核心土法隧道開挖圍巖洞周應(yīng)力分布云圖見圖 3所示。

(a)最大主應(yīng)力

采用兩臺階法隧道開挖圍巖洞周應(yīng)力分布云圖見圖4。

a)最大主應(yīng)力

由圖3～4可知，開挖完成后三臺階預(yù)留核心土法圍巖最大主應(yīng)力5.72 MPa，位于拱頂和仰拱，最小主應(yīng)力-5.46 MPa，位于洞周距拱頂和拱底一定距離的位置。兩臺階法最大主應(yīng)力4.51 MPa，位于拱頂和仰拱，最小主應(yīng)力-5.04 MPa，位于洞周距拱頂和拱底一定距離的位置。對比兩種工法的洞周圍巖應(yīng)力可知，兩臺階法最大、最小主應(yīng)力均小于三臺階預(yù)留核心土法。兩臺階法施工對圍巖的擾動明顯小于三臺階預(yù)留核心土法，圍巖所需承受的主應(yīng)力要優(yōu)于三臺階預(yù)留核心土法。

3.3 初期支護內(nèi)力對比

各工況下初期支護最大最小主應(yīng)力值及其分布位置見表5。

表5 初期支護最大最小應(yīng)力及分布位置 單位：MPa

由表5可以看出，兩種工況下得到的初期支護應(yīng)力大小和分布有所不同。工況1(三臺階預(yù)留核心土法)較工況2(兩臺階法)的最大、最小主應(yīng)力分別增加了18%和34%，說明兩臺階法控制隧道初期支護的變形優(yōu)于三臺階預(yù)留核心土法。

3.4 初期支護位移(見圖5～6)對比

圖5 工況1初支位移曲線

圖6 工況2初支位移曲線

從圖5～6可以看出，工況1(三臺階預(yù)留核心土法)下隧道初期支護各監(jiān)測點最大位移為20 mm，位于左拱腳；初期支護整體位移分布情況：拱腳位移>邊墻位移>拱肩位移>拱頂和仰拱位移。位移最小值位于拱頂；工況2(兩臺階法)下隧道初期支護最大位移只有14 mm左右，位于拱腳；初期支護洞周位移分布均勻，拱頂沉降受較大的圍巖水平側(cè)向壓力和二次襯砌施加的影響，其值有所減小，初期支護整體位移分布情況：拱腳位移，邊墻位移，仰拱位移>拱肩位移>拱頂位移。

對比兩種工況下初支位移曲線，工況1(三臺階預(yù)留核心土法)開挖初期支護位移相比工況2(兩臺階法)開挖增加了30%，說明兩臺階法相比三臺階預(yù)留核心土法施工擾動小，能控制了隧道初期支護的邊墻及拱腳的變形情況。

3.5 二次襯砌內(nèi)力對比

各工況下二次襯砌支護最大最小主應(yīng)力值及其分布位置見表6。

表6 二次襯砌最大最小應(yīng)力及分布位置 單位：MPa

由表 6可以看出，兩種工況下得到的二次襯砌應(yīng)力大小和分布差異不大，二次襯砌應(yīng)力的分布情況比較相似，且二次襯砌在整個支護體系中受力相對較小，說明其主要作用仍是作為安全儲備。同時，計算時彈性單元模擬二次襯砌，實際中不管是混凝土還是鋼架都不是理想的彈性體，故而模擬出來的二次襯砌應(yīng)力會比實際偏大。

3.7 圍巖塑性區(qū)對比

隧道在開挖的過程中，必然會引起圍巖應(yīng)力的重分布，其中部分圍巖因發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力超過其屈服強度，從而產(chǎn)生不可恢復(fù)的屈服區(qū)域，形成圍巖塑性區(qū)。圖 7為上臺階開挖至Y=40 m(Y表示距離洞口的距離)、開挖完成后的工況1、工況2條件下圍巖塑性區(qū)分布,表7為圍巖塑性區(qū)體積。

(a)工況1塑性區(qū)

表7 兩種工況施工完成后圍巖塑性區(qū)體積 單位：m3

對比兩種工況的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，工況1(三臺階預(yù)留核心土法)最終塑性區(qū)范圍比工況2(二臺階法)最終塑性區(qū)范圍大了14%,說明兩臺階法在開挖過程中對圍巖的擾動更??；從塑性區(qū)的分布看，三臺階預(yù)留核心土法塑性區(qū)分布范圍更少，更利于控制圍巖的穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合金家莊特長螺旋隧道工程現(xiàn)場工法(三臺階預(yù)留核心土法和兩臺階法)，借助FLAC3D有限元差分軟件分別對金家莊螺旋隧道現(xiàn)場施工工法進行開挖數(shù)值模擬，對比分析了兩種工法下隧道圍巖的位移、應(yīng)力、初支、二襯內(nèi)力、圍巖塑性區(qū)分布等，得到各工法下隧道施工的力學(xué)特性，并對施工工法進行工法比選，得到以下結(jié)果。

1)在控制圍巖變形方面，由于三臺階預(yù)留核心土法開挖能夠迅速施作支護結(jié)構(gòu)[6]，及時提供支護作用，改善了支護結(jié)構(gòu)受力，使支護結(jié)構(gòu)能夠及早承擔(dān)圍巖應(yīng)力，控制隧道變形速率，從而減小了隧道整體變形，故在控制圍巖變形方面，三臺階預(yù)留核心土法優(yōu)于兩臺階法。

2)從隧道開挖后圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)可以看出，三臺階預(yù)留核心土法開挖后圍巖的大小主應(yīng)力明顯高于兩臺階法，這是由于三臺階預(yù)留核心土法開挖面較多，對圍巖擾動較大所造成的[7]。

3)對比兩種工法的塑性區(qū)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，三臺階預(yù)留核心土法最終塑性區(qū)范圍比兩臺階法最終塑性區(qū)范圍大了14%。說明兩臺階法在開挖過程中對圍巖的擾動更??；從塑性區(qū)的分布看，三臺階預(yù)留核心土法塑性區(qū)分布范圍更少，更利于控制圍巖的穩(wěn)定。

4)對比兩種工法下初期支護內(nèi)力可知，三臺階預(yù)留核心土法初期支護內(nèi)力明顯大于兩臺階法，這是因為三臺階預(yù)留核心土法開挖后支護比較及時，在短時間內(nèi)承擔(dān)圍巖所釋放的應(yīng)力，控制住了圍巖的變形，保證了施工時的安全；而兩臺階法由于支護沒有三臺階預(yù)留核心土法及時，故當(dāng)其進行初期支護時，圍巖已經(jīng)釋放了一部分應(yīng)力，所以就初期支護應(yīng)力而言，兩臺階法要小于三臺階預(yù)留核心土法，但對于安全性而言，三臺階預(yù)留核心土法優(yōu)于兩臺階法。

由此可見，對比兩種工法，兩臺階法更適宜于圍巖較穩(wěn)定，掌子面揭露情況較好的情況；三臺階預(yù)留核心土法更適宜于圍巖較差，需及時對圍巖進行支護的情況。對于金家莊特長螺旋隧道，建議根據(jù)圍巖等級合理確定具體施工方法。針對金家莊特長螺旋隧道，當(dāng)圍巖級別為S4a1，S4a2時，建議采用兩臺階法施工；當(dāng)圍巖級別為S5a，S5b時，建議采用三臺階預(yù)留核心土法。

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