黃金花 朱孟龍
摘要:為優(yōu)化節(jié)理發(fā)育巖體條件下超大斷面隧道開挖方法,文章以天峨至北海公路(巴馬至平果段)山貢隧道為工程依托,通過引入遍布節(jié)理模型開展隧道開挖過程數(shù)值分析,并建立0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m共6種中隔壁法循環(huán)開挖進(jìn)尺數(shù)值模擬工況,從圍巖變形及塑性區(qū)分布的角度分析循環(huán)開挖進(jìn)尺對圍巖穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,當(dāng)循環(huán)開挖進(jìn)尺>2 m時,進(jìn)尺的增加會導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性快速降低,據(jù)此確定了山貢隧道交叉中隔壁法開挖的最優(yōu)循環(huán)開挖進(jìn)尺為2 m。
關(guān)鍵詞:隧道;超大斷面;遍布節(jié)理模型;數(shù)值模擬;開挖優(yōu)化
中國分類號:U455.4
0引言
隨著科技水平的發(fā)展以及隧道建設(shè)行業(yè)數(shù)十年的積累,我國已成為世界上公路隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多、發(fā)展速度最快的國家[1]。隨著人民的出行需求進(jìn)一步提高,公路隧道建設(shè)的斷面也越來越大,大斷面乃至超大斷面的公路隧道工程大量涌現(xiàn)[2]。同時,伴隨著我國對地下空間的深入開發(fā),超大斷面公路隧道的修建數(shù)量仍將長期處于上升趨勢[3]。
隨著工程數(shù)量的增加,我國在超大斷面公路隧道修建技術(shù)上也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。目前,大斷面公路隧道的開挖方法主要有臺階法、中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。為適應(yīng)不同的施工條件,大量學(xué)者通過不同的方式對傳統(tǒng)開挖方法的改進(jìn)與優(yōu)化開展了研究。宋曙光等[4]對超大斷面隧道臺階法施工過程的力學(xué)效應(yīng)開展研究,對臺階法開挖的臺階高度進(jìn)行了優(yōu)化;張俊儒等[5]在巖石三軸壓縮試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出主動支護(hù)的鋼架巖墻組合支撐法并通過數(shù)值模擬對其進(jìn)行了優(yōu)化;夏才初等[6]基于現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果對大斷面小凈距隧道的支護(hù)系統(tǒng)變形與受力特征進(jìn)行分析,提出了支護(hù)體系的優(yōu)化方案;謝東武[7]通過對特大斷面大跨隧道的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征進(jìn)行了深入分析,得出了核心巖柱的最優(yōu)寬度。除此之外,還有大量學(xué)者基于不同的工程背景對超大斷面隧道的開挖工法進(jìn)行了優(yōu)化研究[8-12]。
從上述研究的開展可以看出,當(dāng)前針對超大斷面隧道施工大多從圍巖破碎狀態(tài)、隧道埋深范圍出發(fā)對開挖方法及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,極少考慮隧道圍巖的節(jié)理裂隙發(fā)育程度,而巖體的穩(wěn)定狀態(tài)是受結(jié)構(gòu)面控制的,未考慮結(jié)構(gòu)面狀態(tài)的工法優(yōu)化分析結(jié)果顯然是缺乏合理性的。因此,本文以實(shí)際工程為依托,采用數(shù)值模擬技術(shù)并引入遍布節(jié)理模型以表征巖體的節(jié)理、裂隙發(fā)育狀態(tài),對超大斷面隧道開挖方法進(jìn)行優(yōu)化,為工程現(xiàn)場的安全、快速施工提供保障。
1工程概況
擬建天峨至北海公路(巴馬至平果段)山貢隧道位于馬山縣永州鎮(zhèn)山貢屯東南側(cè)約 0.6 km 處,為越嶺隧道。隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌,山體連綿,地形起伏較大,地形地貌主要受地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造控制。隧道平均埋深約為60 m,屬淺埋隧道,圍巖以薄層狀強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主,局部夾砂巖,巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育,巖體多呈破碎狀,圍巖級別以Ⅴ級為主。山貢隧道最大開挖跨徑為18.44 m,最大開挖面積為187.19 m 2,屬超大斷面隧道。隧道開挖斷面如圖1所示。
2工法優(yōu)化路徑
目前隧道施工中常用的基本開挖方法有全斷面法、臺階法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。其中臺階法根據(jù)臺階數(shù)量、是否預(yù)留核心土等因素又衍生出多種開挖方法;CD法根據(jù)是否做橫隔板又分為中隔壁法與交叉中隔壁法等。各種開挖方法的適用條件不同,且各有其優(yōu)缺點(diǎn)(見表1)。
根據(jù)山貢隧道淺埋、大斷面的特點(diǎn),初步選定三臺階七步法、交叉中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三種開挖方法,如圖2所示。通過數(shù)值模擬進(jìn)行開挖過程分析以確定最合理開挖方法,并在確定開挖方法后,對開挖進(jìn)尺進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案及工況設(shè)置如圖3所示。
3數(shù)值計算模型
3.1數(shù)值模型
本文以圍巖破碎、節(jié)理發(fā)育的ZK77+280 ~ ZK77+360區(qū)段作為研究對象,采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型,模型高度為100 m,根據(jù)隧道埋深,隧道上部巖體高60 m,不考慮邊界影響;考慮到隧道開挖的邊界效應(yīng),模型寬度取7倍洞徑,共120 m,以隧道中軸線劃分,左右各60 m,縱向長度80 m,模型整體尺寸為100 m×120 m×80 m(高×寬×縱深),如圖4所示。邊界條件采用速度邊界,上邊界設(shè)置為自由邊界,下邊界為固定邊界,約束其在X、Y、Z三個方向的速度為0,其余邊界均約束其法向速度為0。在模型中設(shè)置4個監(jiān)測點(diǎn),分別位于拱頂、左右拱腰、仰拱處,用于監(jiān)測拱頂沉降、拱腰收斂、仰拱隆起變形。監(jiān)測斷面設(shè)置在ZK77+320,即Y=40處。
為對比不同開挖方式對隧道施工的影響,分別建立了三臺階七步法、交叉中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三種開挖工況,如圖5所示。隧道圍巖采用實(shí)體單元zone模擬,初期支護(hù)、臨時支護(hù)均采用shell單元模擬,錨桿采用cable單元模擬。
3.2本構(gòu)模型及圍巖力學(xué)參數(shù)
為反映山貢隧道節(jié)理、裂隙發(fā)育的圍巖狀態(tài),采用遍布節(jié)理(Ubiquitous-Joint Model)本構(gòu)模型。關(guān)于遍布節(jié)理模型的理論基礎(chǔ),以往的研究已作了充分的說明[13-15],此處不再贅述。應(yīng)用遍布節(jié)理本構(gòu)模型時需輸入節(jié)理參數(shù),包括節(jié)理傾向、傾角、粘聚力、摩擦角等。根據(jù)地勘報告,研究區(qū)段內(nèi)主要為第三組節(jié)理發(fā)育,其傾向?yàn)镴dip=17、Jdd=42,節(jié)理粘聚力Jc按文獻(xiàn)[16]的方法,取完整巖體的1%,節(jié)理摩擦角取完整巖體的摩擦角。初期支護(hù)取鋼拱架折算之后的參數(shù),模擬過程不施作二襯,具體參數(shù)取值見表2~4。
4結(jié)果分析
4.1開挖方法
對工況1、工況2、工況3運(yùn)行計算,提取模型Y=40 m處的地表沉降數(shù)據(jù),繪制地表沉降與隧道中軸線距離的關(guān)系曲線,如圖6所示。從圖6中可以看出,三種工況條件下隧道開挖所引起的地表沉降特征一致,地表沉降值隨著與中軸線距離的減小而增加,在隧道中軸線附近達(dá)到峰值。對比三種工況的最終地表沉降值,工況1最大,為33.7 mm,工況2最小,為25.8 mm,工況3居中,為30.7 mm。
塑性區(qū)是判斷圍巖穩(wěn)定性的重要因素,本文分別對三個工況模型Y=40 m斷面進(jìn)行切片處理,得到的塑性區(qū)分布如圖7所示。可以看出,三種工況條件下圍巖塑性區(qū)均從隧道洞室向周邊擴(kuò)展,呈現(xiàn)出一致性。但在斷面塑性區(qū)面積上,顯然是工況2最小,這也和提取得到的地表沉降結(jié)果相吻合。
切片觀察能較為直觀地看到特定斷面的圍巖塑性區(qū)分布情況,方便對目標(biāo)斷面展開分析,而隧道開挖過程中圍巖的整體塑性區(qū)分布對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)有著至關(guān)重要的影響。因此,為獲取三維巖體的塑性區(qū)發(fā)育狀態(tài),通過在FLAC3D軟件中用fish語言編程實(shí)現(xiàn)三維巖體模型塑性區(qū)體積的自動計算,計算得到工況1、工況2、工況3在隧道開挖貫通后的塑性區(qū)體積分別為154 417.6 m 3、49 470.0 m 3、81 913.9 m 3,由此可以判斷,采用工況2(即交叉中隔壁法)開挖不僅有利于控制地表沉降,更有利于圍巖的整體穩(wěn)定性。
4.2循環(huán)開挖進(jìn)尺
在工況2開挖方法的基礎(chǔ)上,通過設(shè)置不同循環(huán)開挖進(jìn)尺以研究山貢隧道合理的循環(huán)開挖進(jìn)尺。分別設(shè)置循環(huán)開挖進(jìn)尺為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m共六個工況,工況序號為4~9。循環(huán)開挖模型如圖8所示。
圍巖變形是反映隧道施工穩(wěn)定性的最主要因素,通過切片處理得到各工況條件下,監(jiān)測斷面Y=40 m處的變形云圖,如圖9所示。
從圍巖變形云圖中可以看出,工況4~9條件下圍巖最終變形呈現(xiàn)出一致性,其變形最大值均處于拱頂處。由于中隔壁的存在,拱頂中軸線位置處位移較小,中隔壁起到了良好的控制變形作用。同樣的,臨時橫撐也有效減小了圍巖的水平收斂變形。為定量分析循環(huán)開挖進(jìn)尺對圍巖變形的影響,提取斷面監(jiān)測結(jié)果并匯總,見表5。
通常來說,隧道開挖引起的圍巖變形應(yīng)隨著循環(huán)開挖進(jìn)尺的增加而增加,表5中的數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出此趨勢。在工況9(即循環(huán)開挖進(jìn)尺3.0 m)條件下,監(jiān)測斷面的拱頂下沉、拱腰收斂、仰拱隆起值均為最大,分別為37.0 mm、20.6 mm、22.5 mm,說明較小的循環(huán)開挖進(jìn)尺更有利于控制圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。然而,由于隧道施工工期條件與經(jīng)濟(jì)性因素的制約,往往需要在施工進(jìn)度與施工安全之間找到較好的平衡點(diǎn),而不能一味地縮短開挖進(jìn)尺以最大限度地保證圍巖的穩(wěn)定性。
為了更直觀地展現(xiàn)循環(huán)開挖進(jìn)尺對圍巖變形的影響,以隧道開挖輪廓線為基準(zhǔn),根據(jù)提取得到的拱頂下沉、拱腰收斂、仰拱隆起變形結(jié)果,繪制不同循環(huán)開挖進(jìn)尺條件下的圍巖變形圖。由于循環(huán)開挖進(jìn)尺對圍巖變形的影響值相對隧道輪廓較小,繪制時人為地將變形結(jié)果放大50倍以便于研究分析,如圖10所示。
圖10為表5數(shù)據(jù)的直觀展示,同樣可以看出,隨著循環(huán)開挖進(jìn)尺的增加,圍巖變形也隨之增加。循環(huán)開挖進(jìn)尺對拱頂沉降變形的影響較大,對周邊收斂的影響相對較小。當(dāng)循環(huán)開挖進(jìn)尺≤1.5 m時,進(jìn)尺的改變對圍巖變形影響較小;而在循環(huán)進(jìn)尺>2.0 m后,開挖進(jìn)尺的增加對圍巖變形的影響顯著增大。
由上述分析可知,當(dāng)循環(huán)開挖進(jìn)尺>2 m后,圍巖的穩(wěn)定性會顯著下降,因此,利用上文編寫的fish語言分別計算工況4~9隧道開挖完成后圍巖的塑性區(qū)體積,以進(jìn)一步說明循環(huán)開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響。各工況塑性區(qū)體積計算結(jié)果如表6所示,根據(jù)計算結(jié)果繪制折線圖,如圖11所示。
表6中塑性區(qū)體積隨循環(huán)開挖進(jìn)尺增加而增加,與開挖進(jìn)尺對圍巖變形的影響一致,這也說明圍巖變形的增加與圍巖穩(wěn)定性的降低相對應(yīng)。圖11中,工況4~7分別對應(yīng)循環(huán)開挖進(jìn)尺0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m,循環(huán)開挖進(jìn)尺的增加對模型塑性區(qū)體積的影響較小,循環(huán)開挖進(jìn)尺每增加0.5 m,塑性區(qū)體積的增加比率分別為8.3%、10.7%、14.8%;當(dāng)循環(huán)開挖進(jìn)尺>2 m(工況8、工況9)后,循環(huán)開挖進(jìn)尺的增加對模型塑性區(qū)體積的影響顯著,循環(huán)開挖進(jìn)尺每增加0.5 m,塑性區(qū)體積的增加比率分別為25.5%、29.1%,循環(huán)開挖進(jìn)尺的增加對圍巖整體的穩(wěn)定性有明顯的影響。因此,考慮到施工進(jìn)度及圍巖穩(wěn)定性兩方面的影響,山貢隧道采用2 m的循環(huán)開挖進(jìn)尺施工最為合理。
5結(jié)語
本文依托天峨至北海公路(巴馬至平果段)山貢隧道開展超大斷面隧道開挖優(yōu)化研究,通過引入遍布節(jié)理模型開展隧道開挖過程數(shù)值分析,對山貢隧道的開挖方法、循環(huán)開挖進(jìn)尺進(jìn)行優(yōu)化研究,主要得到了以下結(jié)論:
(1)通過引入遍布節(jié)理本構(gòu)模型建立了節(jié)理巖體隧道開挖數(shù)值模型,合理確定了傾向、傾角、粘聚力、摩擦角等節(jié)理參數(shù),有效提高了節(jié)理巖體隧道開挖數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。
(2)基于山貢隧道設(shè)計資料,分別建立三臺階七步法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁法三種隧道開挖數(shù)值模型,計算分析不同開挖方法所引起的地表沉降及塑性區(qū)分布,確定采用交叉中隔壁法開挖支護(hù)更有利于圍巖穩(wěn)定。
(3)模擬多種工況,從圍巖變形及塑性區(qū)分布的角度分析循環(huán)開挖進(jìn)尺對圍巖穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,當(dāng)循環(huán)開挖進(jìn)尺>2 m時,進(jìn)尺的增加導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性快速降低,并據(jù)此確定了山貢隧道交叉中隔壁法開挖的最優(yōu)循環(huán)開挖進(jìn)尺為2 m。
參考文獻(xiàn):
[1]洪開榮,馮歡歡.中國公路隧道近10年的發(fā)展趨勢與思考[J].中國公路學(xué)報,2020,33(12):62-76.
[2]陳湘生,徐志豪,包小華,等.中國隧道建設(shè)面臨的若干挑戰(zhàn)與技術(shù)突破[J].中國公路學(xué)報,2020,33(12):1-14.
[3]張俊儒,吳潔,嚴(yán)叢文,等.中國四車道及以上超大斷面公路隧道修建技術(shù)的發(fā)展[J].中國公路學(xué)報,2020,33(1):14-31.
[4]宋曙光,李術(shù)才,李利平,等.超大斷面隧道軟弱破碎圍巖臺階法施工過程力學(xué)效應(yīng)規(guī)律研究[J].隧道建設(shè),2011,31(S1):170-175.
[5]張俊儒,徐劍,龔彥峰,等.單跨5車道公路隧道工法優(yōu)化及施工力學(xué)特性研究[J].隧道建設(shè)(中英文),2021,41(5):831-840.
[6]夏才初,龔建伍,唐穎,等.大斷面小凈距公路隧道現(xiàn)場監(jiān)測分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007(1):44-50.
[7]謝東武. 特大斷面大跨隧道斷面形式與支護(hù)參數(shù)優(yōu)化[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.
[8]周磊生,孫會彬,孔軍,等.CD和CRD法施工下超大斷面隧道圍巖變形控制數(shù)值計算研究[J].公路交通技術(shù),2018,34(S1):66-69,75.
[9]孫智,王春河,油新華,等.復(fù)雜條件超大斷面隧道圍巖控制技術(shù)研究[J].施工技術(shù),2018,47(19):9-12.
[10]黃金山. 特大斷面淺埋偏壓隧道CRD工法施工力學(xué)研究[D].泉州:華僑大學(xué),2011.
[11]歐敏. 特大斷面淺埋偏壓隧道雙側(cè)壁工法關(guān)鍵性問題研究[D].泉州:華僑大學(xué),2012.
[12]蔣坤,夏才初,卞躍威.節(jié)理巖體中雙向八車道小凈距隧道施工方案優(yōu)化分析[J].巖土力學(xué),2012,33(3):841-847.
[13]王安. 水平層狀圍巖隧道變形特征及爆破方案優(yōu)化分析[D].武漢:華中科技大學(xué),2017.
[14]趙永,楊天鴻.基于遍布節(jié)理模型的深埋巷道穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山,2016(5):36-41.
[15]張權(quán),姜諳男,吳洪濤,等.基于遍布節(jié)理模型的隧道循環(huán)開挖進(jìn)尺優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2020,57(6):70-77.
[JP4][16] Sainsbury B, Pierce M, Ivars D M. Simulation of Rock Mass Strength Anisotropy and Scale Effects Using A Ubiquitous Joint Rock Mass (UJRM) Model[C]. International Flac/dem Symposium on Numerical Modeling,2008.