淺埋松散堆積體下偏壓隧道CD法開挖數(shù)值模擬分析

馬煒 徐現(xiàn)啟 劉文杰 鄧才兵

摘要：淺埋松散堆積體下偏壓隧道圍巖具有松散、含水量高、無自穩(wěn)能力、頂部覆蓋層較淺的特點，所以保證施工過程中隧道支護結(jié)構(gòu)及地表變形的穩(wěn)定性具有重要意義。本文以宜昭高速公路B4段隧道為工程實例，通過采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件精細仿真了富水薄層松散堆積體下偏壓隧道CD法進洞的施工過程，評價“管棚+雙層超前小導(dǎo)管+CD法”的進洞適應(yīng)性，研究富水松散堆積體淺埋偏壓隧道支護結(jié)構(gòu)受力、變形特征及地表沉降、收斂變形規(guī)律，以便指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

關(guān)鍵詞：松散堆積體;偏壓隧道;CD法;數(shù)值模擬

Abstract：The surrounding rock of bias tunnel under shallow buried and loose deposits has the characteristics of loose，high water content，no self-stabilizing ability，and shallow overburden at the top. So it is of great significance to ensure the stability of tunnel support structure and surface deformation during construction. In this paper，taking the B4 section tunnel of Yizhao Expressway as an engineering example，the construction process of the bias tunnel with CD method under the loose deposits with thin and water-rich layer was finely simulated by using the ABAQUS，which is a finite element numerical simulation software，and the adaptability of the tunnel with "pipe shack + double-layer advance small conduit +CD method" was evaluated. The stress and deformation characteristics of the support structure of shallow buried bias tunnel with water-rich and loose deposits，as well as the rules of surface settlement and convergence deformation are studied，so as to guide the site construction.

Key words：loose deposits;bias tunnel;CD method;the numerical simulation

1工程背景

擬建細沙隧道位于云南省昭通市境內(nèi)，進洞口位于鎮(zhèn)雄縣杉樹鄉(xiāng)細沙村、出洞口位于彝良縣龍海鄉(xiāng)鎮(zhèn)河村。擬建的隧道右洞起訖樁號LK1+702～LK4+044，長度2342m，總體大致走向353°，最大埋深約335m;隧道左洞起訖樁號為LZK1+714～LZK4+042，長度2328m，總體大致走向353°，最大埋深約330m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查：隧道進洞段斜坡坡體主要為松散碎石土，滲透系數(shù)較大，且斜坡土巖界面較陡，道角河河流對斜坡坡腳的沖蝕作用將大大降低斜坡整體穩(wěn)定性。同時，道角河在該段洪水水位較隧道設(shè)計高程略高，且碎石土透水性較好，易發(fā)生隧道涌水及坍塌等現(xiàn)象，其對隧道影響較大。隧道洞口段圍巖除松散碎石土與稍密碎石土層外還包括強～中風(fēng)化玄武巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及斷層破碎帶，整體處于Ⅴ級圍巖狀態(tài)。

2三維有限元模型

2.1 數(shù)值模擬參數(shù)的確定

有限元數(shù)值模擬分析中，隧道圍巖采用Mohr-Coulomb本構(gòu)進行模擬，噴射混凝土、二次混凝土襯砌及鋼支撐采用線彈性本構(gòu)模擬。模型參數(shù)的確定結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告及《公路隧道設(shè)計細則》（JTG/T D70 - 2010）推薦數(shù)值確定。其中噴射混凝土采用C25混凝土，二次襯砌采用C30混凝土。具體參數(shù)如下表：

2.2 建立模型

為研究隧道CD法進洞施工過程中地表沉降和圍巖及襯砌受力的變化規(guī)律，選取左線樁號為LK1702～LK1789穿越富水松散堆積體的區(qū)間段作為研究對象，依據(jù)工程資料建立雙線隧道CD法施工三維有限元模型，見圖1。數(shù)值模擬計算中，初期噴射混凝土、二次混凝土襯砌、碎石土、管棚注漿區(qū)等均采用三維實體單元，并賦予不同的材料參數(shù)，其中前兩項采用重單元的方法進行模擬，管棚注漿區(qū)通過采用不同的場變量由原本碎石土的材料參數(shù)變更為灌漿加固后的參數(shù)。鋼拱架、中隔壁均采用梁單元模擬;地基域X向（橫向）、Y向（豎直向）均以隧洞中心點為起點分別向左、向右、向下延伸3倍洞徑，隧道開挖方向長度為40m，模型橫向長度為107m，豎向長度為42m。模型網(wǎng)格剖分主要采用掃略與映射相結(jié)合的方法，剖分后的網(wǎng)格主要以規(guī)則六面體單元為主，減少計算中力傳遞產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。整個模型共劃分單元519920個（包括開挖體、噴混、襯砌等重單元），單元節(jié)點462429個。模型圍巖四周邊界施加水平向約束;模型底部施加全約束;上部表面為自由表面。

2.3 計算步驟

計算分析過程中嚴格按照現(xiàn)場實際開挖順序與支護順序（見圖2），即每側(cè)按三部分臺階開挖，開挖同時施作初期支護、中隔壁，兩側(cè)先后距離相隔10m，每層臺階長度保持在2m，左右線開挖距離最少保持在20m，充分還原實際施工工序，有限元模型示意圖如圖3所示。

3計算結(jié)果

在圍巖條件不變的情況下，建立開挖循環(huán)進尺為0.5m的有限元模型，按現(xiàn)場實際開挖工序設(shè)置分析步，只考慮承受重力荷載，不考慮水壓力及溫度變化，分析地表沉降、支護結(jié)構(gòu)變形及受力的變化規(guī)律。為了研究CD法施工對偏壓隧道地表變形及支護結(jié)構(gòu)變形與受力的影響，選取左線單線開挖10m與左線開挖完成35m基礎(chǔ)上右線開挖2m作為特征時刻，并將左右隧道軸線正上方與進洞截面的交點分別設(shè)為典型節(jié)點A和B，對地表豎向位移分布云圖及典型節(jié)點的位移歷時變化規(guī)律進行分析。

3.1 地表沉降

圖4、圖5分別為左線與右線的地表沉降云圖，其中位移云圖單位為m，y軸以地表垂直向上為正，因此負值即表示地表沉降值。根據(jù)分布云圖可知，靠近開挖洞口周圍地表沉降整體呈漏斗狀分布，地表沉降較大值主要分布在隧道洞口頂部區(qū)域。由左線地表豎向位移云圖可以看出距離開挖斷面較遠處出現(xiàn)波紋狀局部隆起，主要是由于左線埋深較淺、上部碎石土松散度高且開挖前采取了管棚等加固措施所導(dǎo)致。從右線地表豎向位移云圖可以看出右線拱頂沉降遠大于左線，相差3.76cm，主要是由于頂部偏壓所導(dǎo)致。

圖6所示為地表典型節(jié)點豎向沉降歷時曲線，施工開始階段，各典型點的豎向位移較小，且均為正值（其中負值表示沉降，正值表示回彈），表明地表上的各典型節(jié)點位置均發(fā)生了回彈，此時所對應(yīng)的施工步為變換場變量模擬超前灌漿的過程。隧道開挖過程中，地表典型節(jié)點B的變形表現(xiàn)為持續(xù)沉降，這是由于右線開挖初期的瞬間卸荷對土體產(chǎn)生了擾動，開挖完成時右線典型節(jié)點B的沉降值為39.5mm，而由于左線埋深較淺，在開挖右側(cè)先行導(dǎo)坑Ⅳ之前節(jié)點A均處于回彈階段，開挖完成是節(jié)點A的沉降值為2mm。分析結(jié)果表明，隧道開挖過程中會對地表變形產(chǎn)生影響，而隧洞埋深的影響十分顯著，地表沉降較大值主要分布再隧洞頂部區(qū)域。

3.2 支護結(jié)構(gòu)變形分析

圖7、圖8分別為左線與右線施工期噴混豎向位移分布云圖，從圖中可以看出噴混在圍巖壓力作用下拱頂產(chǎn)生沉降，拱底產(chǎn)生局部隆起，由于隧道頂部為松散堆積體薄層且左線埋深較淺（有限元模型左線最大埋深為3m），因此左線噴混拱頂沉降只有4.87mm。而右線噴混拱頂豎向位移明顯大于左側(cè)，且由于右線洞口段屬于偏壓，拱頂右側(cè)（埋深較大一側(cè)）豎向位移明顯大于左側(cè)位移，導(dǎo)致左部與右部產(chǎn)生變形差。

3.3 支護結(jié)構(gòu)受力分析

圖9、圖10分別為左線與右線施工期噴混最大主應(yīng)力分布云圖，由云圖可知施工期噴混拉應(yīng)力大多分布在噴混拱底位置，主要是由于圍巖壓力的作用，表面徑向收斂變形較大所致，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)拱底位置，左線施工期噴射混凝土拉應(yīng)力最大值為0.94MPa，右線拉應(yīng)力最大值為1.04MPa，主要是由于頂部偏壓所導(dǎo)致。

4結(jié)論

（1）靠近開挖洞口地表沉降整體呈漏斗狀分布，地表沉降較大值主要分布在隧道洞口頂部區(qū)域，距離隧道軸線越遠施工擾動影響越小，沉降值越小。

（2）隧道不同埋深下的地表變形規(guī)律存在明顯差異，由于左右線埋深相差較大，因此左右線地表沉降值也相差較大，因此建議在現(xiàn)場實際施工中優(yōu)先考慮埋深較大線路的地表沉降值能否滿足規(guī)范要求。

（3）支護結(jié)構(gòu)變形受隧道埋深影響較大，埋深與拱頂沉降呈線性關(guān)系，且洞頂偏壓會導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形差。

（4）施工期由于圍巖壓力的作用，初期支護出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱底左側(cè)位置。

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基金項目：重慶市科學(xué)基金重點項目（035679）;2002年高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研項目（20020183061）。

作者簡介：馬煒（1985–），男，副高級工程師，研究方向為道路橋梁施工。