基于遍布節(jié)理模型的超大斷面隧道開挖優(yōu)化研究

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。

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