超大斷面扁平結構隧道開挖方法數(shù)值模擬及優(yōu)化研究

李 盼

(湖南省交通科學研究院有限公司, 湖南 長沙 410015)

當隧道的開挖斷面面積超過140 m2、隧道的扁平率(高寬比)在含仰拱時<0.65或在不含仰拱時<0.55且隧道斷面的形狀近似為橢圓形扁平狀時，一般稱為超大斷面扁平結構隧道。隨著我國交通流量和對交通條件需求的日益增長，超大斷面扁平結構公路隧道的建設呈現(xiàn)出逐漸增多趨勢。超大斷面扁平結構公路隧道能有效緩解高密度的交通流量，并提高斷面利用率，逐漸成為未來隧道結構形式的主流[1]。然而，超大斷面扁平結構隧道的受力特性和圍巖應力分布情況較為復雜，隧道在開挖過程中的應力重分布趨于不利，這導致隧道底腳處的應力集中過大，支護結構的承載力較小[2]，從而使得隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性降低，這些問題的產(chǎn)生必然會對超大斷面扁平結構隧道的施工帶來更為嚴峻的考驗。在現(xiàn)階段研究中，黃朱林[3]通過二維彈塑性有限元數(shù)值模擬就扁平率對大跨隧道圍巖及支護的穩(wěn)定性影響進行了分析，得出了扁平率的大小對隧道安全系數(shù)的影響機理；范君黎等[4]利用擴展有限元法(XFEM)對不同扁平率隧道的穩(wěn)定性進行了研究，得出了隧道扁平率的大小與隧道強度、損傷破壞以及裂紋產(chǎn)生的相互關系；熊根貴[5]應用ABAQUS對超大斷面隧道施工開挖方法和分步開挖過程進行了有限元數(shù)值分析，得出了隧道的最優(yōu)開挖工序；瞿東明等[6]應用數(shù)值有限元法，對比分析了不同隧道開挖方法下隧道受力以及發(fā)生變形大小的差異性，得出超大斷面隧道的安全施工方法。隧道的開挖是一個復雜的系統(tǒng)工程，因此，有必要針對超大斷面扁平結構隧道的開挖施工問題進行數(shù)值模擬分析，得出隧道在開挖過程中的受力特性及分布情況，從而提出一種最優(yōu)的超大斷面扁平結構隧道的開挖方法，為隧道開挖施工提供一定的理論依據(jù)。

本文結合某超大斷面扁平結構公路隧道工程，采用MIDAS/GTS有限元分析軟件，建立該隧道的三維開挖施工模型，并詳細分析該隧道在3種不同開挖方法下圍巖位移場和應力場的變化，揭示該超大斷面扁平結構隧道的力學特性及位移變化規(guī)律，最后通過對比分析，得到該超大斷面扁平結構隧道的最優(yōu)開挖方法，進而保障隧道的施工安全。

1 工程概況

該公路隧道為溫州市某隧道工程，隧道洞長1360m，開挖高度13.8m，寬度16.5m，洞凈高約6.9m，開挖斷面面積為172m2，扁平率為0.5(不含仰拱)，隧道為上下雙層四心臥式橢圓結構。根據(jù)地質(zhì)測繪、鉆探、槽探資料，該隧道口自地面以下以殘坡積物和全風化基巖為主，風化物為粉質(zhì)黏土，風化土呈可塑狀；遇水后，強度明顯降低，屬中軟土地基土層，隧道圍巖等級為Ⅲ～Ⅴ級。

2 不同開挖方法及數(shù)值模擬分析

2.1 隧道開挖方案

隨著對隧道工程領域研究不斷深入，我國逐步發(fā)展形成了一套較為完善的隧道開挖方法理論體系[7]。其中針對超大斷面公路隧道常用的開挖方法主要有臺階法、CD工法、雙側壁導坑法[8-10]等。臺階法工期短、施工方便，但容易產(chǎn)生大變形；雙側壁導坑法對圍巖擾動較小，但工序復雜、成本高。因此，根據(jù)該隧道工程的實際特點，提出了雙側壁導坑法結合臺階法的施工方案，并應用MIDAS/GTS軟件對三臺階七步法、雙側壁導坑法和雙側壁導坑法結合臺階法進行對比分析，以尋求最優(yōu)的開挖施工方案。3種開挖方案的開挖工序如圖1所示。

圖1 隧道不同開挖方案的開挖工序

2.2 計算模型及參數(shù)設置

由于該公路隧道規(guī)模較大，本文僅選取隧道進口段圍巖條件較差的典型斷面ZK1+375～ZK1+405進行數(shù)值模擬分析，該斷面所處的圍巖級別為Ⅴ級，其物理力學參數(shù)主要來源工程地質(zhì)勘察報告和設計報告，見表1。

表1 圍巖及隧道結構支護參數(shù)項目彈性模量/GPa泊松比重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)粉質(zhì)黏土0.080.3014.324.315.1全風化凝灰?guī)r1.100.3018.325.314.8噴射混凝土250.2522——錨桿2000.3076——

考慮邊界效應，根據(jù)現(xiàn)場工程的實際情況和圣維南原理，隧道邊界取3倍洞徑寬度作為有限元分析范圍，計算模型的左右邊界施加水平方向約束，底部施加豎向約束，上邊界為自由邊界[11]。分析中圍巖體選用理想彈塑性本構關系，其屈服準則采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)強度破壞準則，其它支護結構如錨桿、噴混凝土等均使用彈性本構關系，其中鋼拱架采用I25b拱架，縱向間距0.5 m×0.5 m，鋼拱架的作用采用等效方法就行分析，即將工字鋼的彈性模量折算到噴射混凝土上，計算公式為：

E=E0+Ag×Eg/Ac

(1)

式中：E為折算后混凝土彈模；E0為原混凝土彈性模量；Ag為鋼拱架截面積；Eg為鋼材彈模；Ac為噴射混凝土截面積。

由于該隧道埋深較淺，計算初始應力場僅考慮自重應力場。最終，由MIDAS/GTS軟件建立3種不同開挖方案下的二維計算分析模型，如圖2所示。

a)三臺階七步法

b)雙側壁導坑法

c)雙側壁結合臺階法

3 數(shù)值模擬結果分析

3.1 位移場分析

圍巖的變形是最直觀的[12]，通過比較圍巖的變形量可以很好地判斷隧道結構穩(wěn)定性。當隧道開挖后，出現(xiàn)臨空面，巖體有了變形空間。由于地應力局部釋放，巖體因卸荷作用而發(fā)生位移變化，因此，首先對平面應變條件下圍巖的變形量進行對比分析。由于本隧道工程屬于扁平結構，拱頂位移是其穩(wěn)定性評價的關鍵指標，故針對3種方案，選取了隧道斷面4個關鍵位置點(見圖3)作為分析對象，得到了3種開挖施工方法下的圍巖位移計算值(見表2)。

圖3 隧道斷面關鍵點位置

表2 3種開挖方法下隧道圍巖位移計算值開挖方法拱頂/mm拱底/mm左拱腰水平位移/mm右拱腰水平位移/mm三臺階七步法-22.8615.4917.14-11.73雙側壁導坑法-17.3215.1412.99-9.94雙側壁結合臺階法-14.648.136.64-7.23

由表2可知該隧道開挖支護后，隧道圍巖水平位移較大，左邊墻位移值略大于右邊墻位移值，且兩者位移方向相反，這導致兩側邊墻向內(nèi)發(fā)生擠壓。三臺階七步法的最大水平位移值最大(見圖4)，左右最大水平位移分別為36.69 mm和34.43 mm，而雙側壁導坑法在開挖過程中施加了臨時支護并及時閉合成環(huán)，所以其水平位移值最小。同時由于隧道開挖后引起工程偏應力，導致巖層擴容膨脹，表現(xiàn)為隧道拱底向上隆起，隧道拱頂沉降，一般來說，開挖斷面越大，引起的偏應力越大，所導致的擴容變形也越大。在以上3種開挖方法下，三臺階七步法和雙側壁導坑法的底板隆起值相差不大，分別為15.49 mm和15.14 mm，雙側壁結合臺階法拱底隆起值8.13 mm最小。考慮到施工過程相互影響的作用，當上臺階開挖完畢后，已經(jīng)發(fā)生一定的位移變化；在下臺階繼續(xù)開挖的過程中，因為施工對上臺階圍巖繼續(xù)產(chǎn)生影響，會使上臺階圍巖產(chǎn)生的變形持續(xù)增加，直到下臺階開挖支護完成，雙側壁結合臺階法每次開挖范圍相對較小，對周邊圍巖位移影響較小，因此位移整體變化量最小。

a)三臺階七步法

b)三臺階七步法

c) 雙側壁結合臺階法

3.2 應力場分析

隧道開挖后，隧道結構受力發(fā)生改變，引起圍巖應力重分布，因此隧道圍巖的受力狀態(tài)是評價施工方法優(yōu)劣的重要標準。3種開挖方法下隧道結構所受的最大主應力分布如圖5所示。

a) 三臺階七步法

b) 雙側壁導坑法

c) 雙側壁結合臺階法

從圖5可以看出，采用三臺階七步法和雙側壁結合臺階法開挖時，隧道所受圍巖壓力不是很大，且隧道邊墻受力較均勻，從兩側邊墻部分至拱底出現(xiàn)壓應力，在隧道拱底處出現(xiàn)不同程度的應力集中現(xiàn)象。采用雙側壁導坑法開挖支護后，最大主應力分布趨勢有所不同，在隧道拱頂出現(xiàn)了較多的拉應力區(qū)，隧道兩側邊墻位置處有較大的壓應力。

采用三臺階七步法開挖時，在隧道拱腳處產(chǎn)生最大拉應力為0.17MPa，在隧道拱頂和隧道拱底處均出現(xiàn)了壓應力集中現(xiàn)象，拱頂和拱底的壓應力分別為0.25MPa和0.18MPa。而采用雙側壁導坑法施工時，在拱頂處出現(xiàn)了層次較分明的拉應力區(qū)，且距洞口越遠應力越小，然后逐漸過渡到隧道圍巖的壓應力區(qū)，最大拉應力為0.06MPa，在拱腰處產(chǎn)生最大壓應力0.67MPa，隧道拱腳和拱底的壓應力分別為0.12MPa和0.31MPa。采用雙側壁導坑結合臺階法開挖時，應力集中現(xiàn)象分布范圍最小，主要集中在拱腳處，隧道邊墻部分出現(xiàn)拉應力，在隧道拱腳處產(chǎn)生最大拉應力為0.22MPa，壓應力主要分布在隧道拱底板附近，為0.15MPa，而在拱肩位置處出現(xiàn)最大壓應力為1.14MPa。

由以上分析可知，隧道拱頂、底板和拱腳易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，是隧道施工中的薄弱部分，不利于隧道結構的穩(wěn)定，由新奧法的基本原理可知，隧道在開挖后，隧道圍巖從變形到破壞需要一定的時間[13]，如果在圍巖受到破壞之前及時施加初期支護結構，就可以控制圍巖的變形程度，降低圍巖變形速率，從而保證整個隧道結構的穩(wěn)定性。

因此，在隧道施工時有必要針對容易出現(xiàn)應力集中的薄弱部分及時采取相應的支護防護措施，防止圍巖因變形過大導致失穩(wěn)，進一步保障施工安全。

4 結論

以某超大斷面扁平結構公路隧道工程為研究對象，采用了MIDAS/GTS有限元軟件，分別模擬分析了該隧道在三臺階七步法、雙單側壁導坑法和雙側壁導坑結合臺階法等3種開挖工法下的開挖過程，獲得了該隧道在開挖支護后圍巖的位移、應力變化分布規(guī)律，并優(yōu)選出適用于該隧道開挖的最優(yōu)方法。主要結論如下：

1) 綜合比較3種開挖方法，隧道在開挖支護后圍巖變形均表現(xiàn)為拱頂下沉，仰拱向上隆起，兩側邊墻向洞內(nèi)擠入。拱頂、拱腰和仰拱是隧道開挖過程中應力集中的主要部位，也是隧道工程的主要控制部位，在隧道施工時需加強隧道關鍵部位和薄弱部位的監(jiān)控監(jiān)測，對于變形較大的位置有必要采取相應的局部支護措施，以保證隧道結構的穩(wěn)定性。

2)超大斷面扁平結構公路隧道由于跨度大、扁平率低，其變形和受力情況較普通隧道更加復雜。在隧道開挖時會產(chǎn)生較大的拱頂和仰拱位移，建議施工時應及時進行支護；設計時可適當加大兩邊墻襯砌的厚度，以減少邊墻的水平位移，控制隧道支護襯砌壓力，使超大斷面隧道的應力分布均勻化，改善超大斷面扁平結構隧道的受力情況。

3) 通過分析比較隧道在3種開挖方法下的圍巖變形和應力分布情況，得出雙側壁導坑結合臺階法是最適用于該隧道開挖的方法。該方法每次開挖的面積最小，對其他部分圍巖的擾動干擾較小，應力重分布影響較小，受力更加均勻，有利于維持圍巖的穩(wěn)定性，同時其比雙側壁導坑法工序更簡單、施工工期更短。因此，結合本隧道工程的地質(zhì)條件和施工特點，認為雙側壁導坑結合臺階法在控制圍巖變形，減小支護結構受力等方面有良好的適用性和經(jīng)濟性，是該隧道工程施工方法的首選。