黃正凱

(中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司，武漢 100855)

1 概述

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入高速發(fā)展階段，廣大中西部地區(qū)對(duì)高等級(jí)道路需求日趨旺盛[1-2]。由于西部地區(qū)山嶺眾多，且高等級(jí)公路對(duì)其線性平順性要求較高，導(dǎo)致公路橋隧比逐年提高[3-4]。地下隧道工程面臨眾多挑戰(zhàn)，主要包括以下幾點(diǎn)：較高的工程造價(jià)、較為復(fù)雜工程地質(zhì)條件、較大的施工難度[5-6]。實(shí)際工程中為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，超前支護(hù)和預(yù)加固處理的方式也隨之被引入，超前管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)近年來不斷發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)成為目前常用超前支護(hù)技術(shù)之一[7]。目前隧道施工方法中常用的有全斷面法、臺(tái)階法以及CRD法共3種方法。全斷面法是一次性開挖成型的施工方法，能有效的減少開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，盡早地對(duì)襯砌形成封閉，保護(hù)圍巖的完整性，但是全斷面法開挖對(duì)圍巖要求較高，多以硬質(zhì)圍巖為主，適用于小斷面尺寸的隧道開挖。臺(tái)階法開挖相對(duì)于全斷面法開挖增加了工作面，各工作面間獨(dú)立作業(yè)互不干擾，其施工進(jìn)度加快，由于每一次開挖面積較小所以利于掌子面穩(wěn)定，但臺(tái)階開挖相互影響，增加了對(duì)圍巖的擾動(dòng)。CRD法由于中隔壁和臨時(shí)支撐的加入并在開挖后及時(shí)閉合各個(gè)分塊，在開挖過程中減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，這有利于控制拱頂下沉和圍巖變形。CRD法施工適用于對(duì)地表沉降要求嚴(yán)格，圍巖條件極差的地質(zhì)環(huán)境(如：粘性土、砂層及砂卵層等)，但CRD法施工也面臨眾多缺點(diǎn)，如施工速度緩慢、施工成本較高等。

朱寶合等[8]利用數(shù)值模擬軟件，根據(jù)正習(xí)高速公路桃子埡隧道施工及設(shè)計(jì)的情況，模擬了臺(tái)階法開挖施工、全斷面法開挖施工、交叉中隔壁法開挖施工和中隔壁法開挖施工等4種不同開挖施工方法，并對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行分析;李茂良等[9]利用數(shù)值模擬的方法，研究了不同開挖方法對(duì)淺埋隧道層狀圍巖的影響，并分析其力學(xué)特征及性質(zhì)；熊鵬、李曉紅等[10-11]通過對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)合，運(yùn)用數(shù)值分析的方法對(duì)層狀巖體的破壞特征進(jìn)行分析，查明了巖體層理垂直方向是隧道圍巖變形破壞區(qū)存在的地方，總結(jié)出地形產(chǎn)生的偏壓影響、地層結(jié)構(gòu)特征對(duì)層狀巖體中洞室變形破壞特征有相關(guān)影響。李盼[12]結(jié)合超大斷面的扁平結(jié)構(gòu)隧道，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件邁達(dá)斯和GTS對(duì)臺(tái)階法開挖、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖以及二者相互結(jié)合方式進(jìn)行了模擬，獲得了圍巖受力和位移分布規(guī)律及特點(diǎn)，總結(jié)出超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道最宜施工方法是雙側(cè)壁與臺(tái)階法相結(jié)合的方法。張延新等[13]運(yùn)用三位快速拉格朗日法研究了施工各步驟中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分布規(guī)律及圍巖塑性區(qū)的分布狀況和破壞機(jī)理，通過對(duì)地鐵隧道拱頂下沉回歸分析及數(shù)值模擬驗(yàn)證分析結(jié)果，分析了不同地層條件下拱頂下沉與地表沉降的關(guān)系，解釋了由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)滯后以及地層中富水含細(xì)砂導(dǎo)致拱頂下沉與較大的地表沉降。

本文結(jié)合重慶某公路隧道工程，采用ABAQUS數(shù)值分析軟件,建立該隧道二維數(shù)值模型并對(duì)3種施工方法(全斷面法、臺(tái)階法以及CRD法)施工過程對(duì)圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化及管棚與錨桿支護(hù)的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行模擬分析，最終總結(jié)不同開挖方式對(duì)圍巖影響規(guī)律和管棚與錨桿支護(hù)措施對(duì)整個(gè)支護(hù)體系和圍巖體系的影響規(guī)律。

2 工程概況

本研究依托工程為重慶某公路隧道，該隧道起點(diǎn)至終點(diǎn)樁號(hào)為K52+141～K53+341，總長(zhǎng)度為1 200 m，起點(diǎn)高程為 100 m，終點(diǎn)高程為118 m，縱坡為1.5%，最大埋深約為20 m，設(shè)計(jì)車速為50 km/h。圍巖節(jié)理發(fā)育，存在斷層破碎帶，且地下水豐富。隧道斷面凈寬為6.8 m，凈高為5.9 m，襯砌厚為0.3 m，錨桿長(zhǎng)為3.1 m。本文以K0+500～K0+510段為主要模擬對(duì)象，該處隧道埋深為5.9 m。根據(jù)前期工程地質(zhì)勘探資料和設(shè)計(jì)資料可知，該隧道此處圍巖以中風(fēng)化黑色碳質(zhì)泥巖為主，圍巖較為破碎，屬于軟弱圍巖土層，隧道圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)圍巖。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖特征，運(yùn)用數(shù)值分析軟件ABAQUS進(jìn)行在全斷面法、臺(tái)階法和CRD法共3種工況下施工，分析各工況下開挖對(duì)地面沉降、拱頂變形的影響。

3 數(shù)值模擬

由于該隧道路線較長(zhǎng)，本文根據(jù)典型地質(zhì)條件較差地段K52+600～K52+610段為地質(zhì)條件進(jìn)行處理。隧道埋深取5.9 m。截面尺寸及開挖方法如圖1所示。斷面凈寬為6.8 m，凈高為5.9 m，襯砌厚為0.3 m，錨桿長(zhǎng)為3.1 m，呈梅花形布置。數(shù)值模擬中隧道圍巖參數(shù)及其支護(hù)參數(shù)見表1所示。錨桿使用梁?jiǎn)卧?，接觸為嵌入接觸。襯砌與巖體、管棚與襯砌及管棚與巖體均為綁定約束(tie約束)。鋼筋網(wǎng)片在初期支護(hù)中作為安全考慮，可忽略不計(jì)。

表1 圍巖及支護(hù)參數(shù)取值

圖1 隧道截面尺寸及開挖模示意

本文對(duì)隧道不同施工方法(全斷面法開挖施工、臺(tái)階法開挖施工、交叉中隔壁法開挖施工)，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，深入分析了不同的隧道開挖方法和錨桿及管棚等支護(hù)措施對(duì)其圍巖穩(wěn)定性的影響。

4 分析計(jì)算結(jié)果

4.1 對(duì)不同開挖方式下地面處豎直方向位移分析

采用全斷面法開挖、臺(tái)階法開挖、CRD法開發(fā)開挖施工對(duì)地面豎直方向沉降影響模擬結(jié)果如圖2所示?？梢缘贸?種開挖方式均造成了地面豎直方向沉降，向下沉降量從隧道頂端向上地面投影處向四周逐漸遞減，隧道頂端向地面投影處向下沉降量最大。從結(jié)果中可知隧道開挖中全斷面法開挖造成的地面沉降最大，交叉中隔壁法(CRD法)開挖造成的地面沉降最小。全斷面法開挖地面下沉量為0.015 4 m，臺(tái)階法開挖地面下沉量為0.015 4 m，CRD法開挖地面下沉量最小為0.013 5 m。CRD法開挖比全斷面開挖小7.4%，即0.001 m。所以，將3種開挖方法對(duì)地面沉降造成的影響相對(duì)比，其沉降趨勢(shì)、范圍和大小均差別不大，但選用CRD法開挖對(duì)地面沉降造成影響最小。

圖2 地表沉降數(shù)據(jù)示意

4.2 對(duì)不同開挖方式下隧道圍巖位移分析

采用全斷面法開挖、臺(tái)階法開挖、CRD法開發(fā)開挖施工對(duì)隧道圍巖豎直方向位移影響模擬結(jié)果如圖3所示。通過分析可知，隧道拱頂圍巖向豎直向下變形由以上3種開挖方式均能造成，同時(shí)隧道拱底圍巖向上變形也均能造成，距離襯砌邊緣由近至遠(yuǎn)變形逐漸減小，變形分布沿隧道中軸線對(duì)呈對(duì)稱分布。3種開挖方式中全斷面法開挖造成拱頂處圍巖向豎直下變形，拱底處圍巖向豎直上的變形最大；CRD法開挖造成拱頂圍巖向下變形，拱底圍巖向上變形最小。隧道拱頂圍巖向下變形，全斷面法開挖位移為0.021 3 m；CRD法開挖位移為0.019 3 m，比全斷面開挖小10.4%,即0.002 m。隧道拱底圍巖向上變形，全斷面法開挖位移為0.022 4 m；CRD法開挖位移為0.021 2 m，比全斷面開挖小5.7%,即0.001 2 m。所以，將3種開挖方法對(duì)圍巖數(shù)值方向造成的位移相對(duì)比，其位移趨勢(shì)、范圍和大小均差別不大，不管采取什么方式開挖均會(huì)造成拱頂下稱拱底上凸，但是選用CRD法開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)最小。

a 全斷面開挖

4.3 對(duì)不同開挖方式下隧道圍巖豎直方向應(yīng)力分析

采用全斷面法開挖、臺(tái)階法開挖、CRD法開發(fā)開挖施工對(duì)隧道圍巖豎直方向應(yīng)力影響模擬結(jié)果如圖4所示。通過分析可知，3種開挖方式中豎直方向應(yīng)力分布基本一致，拱頂、拱底以及地表出現(xiàn)了拉應(yīng)力。由于土體抗拉強(qiáng)度小，抗壓強(qiáng)度大，導(dǎo)致地表土體產(chǎn)生破壞和向下的位移。由圖4可見，管棚施工措施有效的承擔(dān)了大部分應(yīng)力，減小了由于開挖導(dǎo)致的圍巖破壞，對(duì)上部圍巖松動(dòng)甚至垮塌起到了強(qiáng)力而有效的抑制，管棚處及其周邊圍巖最終達(dá)到了加固目的。3種開挖方式中全斷面法開挖造成圍巖水豎直應(yīng)力最大；CRD法開挖造成圍巖水豎直應(yīng)力最小。所以，增加管棚并使用CRD法開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)能降到最小。

a 全斷面開挖

4.4 對(duì)管棚和錨桿支護(hù)進(jìn)行應(yīng)力和位移分析

隧道施工中管棚和錨桿支護(hù)的應(yīng)力模擬結(jié)果如圖5所示。錨桿均受拉力，且拉力分布為；靠近襯砌處拉力大，隨著離襯砌距離逐漸增大其拉力逐漸減小。相應(yīng)的，錨桿變形隨著離襯砌距離增大而減小，且隧道上部的錨桿所受拉力，明顯大于隧道下部的錨桿拉力。所以，錨桿支護(hù)能有效地提高整個(gè)支護(hù)體系的強(qiáng)度，并且錨桿的特點(diǎn)是其抗拉強(qiáng)度高，運(yùn)用這一特點(diǎn)能使其克服巖土體較低的抗拉強(qiáng)度的不足。此外，管棚也均受拉力，中部變形最大，兩側(cè)變形逐漸減小，由此可見隧道的大部分圍巖松動(dòng)帶來的變形壓力由管棚所承擔(dān)。所以，通過數(shù)值模擬和分析可知抑制拱頂圍巖的變形和地面的沉降可以對(duì)管棚進(jìn)行增加，這樣能能夠達(dá)到有效的抑制作用。

圖5 管棚和錨桿支護(hù)應(yīng)力及位移示意

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托重慶某軟弱破碎圍巖條件下的公路隧道開挖工程,運(yùn)用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，對(duì)全斷面法、臺(tái)階法以及CRD法共3種不同開挖條件情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

1) 3種開挖方式下圍巖應(yīng)力和位移分布一致，但CRD法相比其他兩種數(shù)值較小。

2) 3種開挖方式造成的相對(duì)位移量關(guān)系：全斷面法開挖>臺(tái)階法開挖>CRD法開挖，但位移量總體相差不大。綜合減少圍巖擾動(dòng)及位移控制，CRD法開挖相對(duì)更適合于圍巖破碎、裂隙發(fā)育的地質(zhì)情況。

3) 在工程施工中，根據(jù)圍巖情況合理增加管棚和錨桿支護(hù)能夠有效提高整個(gè)支護(hù)體系和圍巖體系強(qiáng)度，并且能有有效減小隧道圍巖變形。