花崗巖隧道開挖圍巖變形特性數(shù)值分析

郭 慶,郭顏沛,蘭素戀,劉友能

(1.中鐵十七局集團第一工程有限公司,山東 青島 266500;2.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530226;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;4.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007)

0 引言

隧道建設(shè)是公路、鐵路工程中施工難度最大、技術(shù)含量最高的系統(tǒng)性工程之一。隧道開挖誘發(fā)的圍巖穩(wěn)定性問題一直以來都是工程界研究的焦點,在隧道開挖期間,對圍巖變形進行合理地預(yù)測和控制對保證隧道施工安全具有十分重要的意義[1]。近年來國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者在隧道開挖誘發(fā)圍巖變形方面開展了較為深入的研究,例如甘安武等[2]建議采用BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法反演以獲得隧道圍巖的力學(xué)參數(shù),并基于強度折減法對隧道圍巖的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬,分析隧道拱頂沉降情況,并通過參數(shù)擬合給出圍巖的自穩(wěn)系數(shù);軒元等[3]采用Midas GTS有限元分析軟件對不同施工條件下的紅河隧道工程進行了三維數(shù)值計算分析;戚翼等[4]采用FLAC 3D軟件對哈爾濱地鐵二號線隧道工程進行了三維建模,并模擬分析了隧道開挖前后拱頂和地表位移的變化趨勢。由于地質(zhì)條件、支護結(jié)構(gòu)及施工工藝等因素的影響,在實際工程施工時常常會出現(xiàn)一定程度上的不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此,研究施工過程中隧道圍巖的變形情況并有效地預(yù)防或減少不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生具有重要意義[5-6]。

廣西花崗巖分布廣泛,分布區(qū)主要包括桂東南、桂南、桂東及桂北、桂東北等區(qū)域,揭露花崗巖巖組面積約為19 393.4 km2[7]?！笆奈濉逼陂g,隨著廣西快速公路網(wǎng)建設(shè)的迅速推進,高速公路、鐵路建設(shè)大范圍地穿越花崗巖地區(qū),花崗巖隧道開挖的穩(wěn)定性問題受到了越來越多的關(guān)注。為了更加深刻地認識花崗巖隧道開挖所誘發(fā)的圍巖變形的規(guī)律,本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,以國道G219防城港峒中至東興公路工程馬鞍坳隧道為例,采用大型有限元分析軟件ABAQUS,對花崗巖隧道開挖過程中圍巖的變形規(guī)律和關(guān)鍵點位移的變化情況進行數(shù)值模擬,其研究成果可供同類工程借鑒。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

所研究隧道位于防城港市防城區(qū)峒中鎮(zhèn),為分離式隧道。隧道從防城港市防城區(qū)大坑村穿入,自防城區(qū)高林瑤寨穿出。隧道右線起于K4+425,終于K8+180,全長3 755 m,隧道路基設(shè)計高程為295.364～381.764 m,最大埋深約為385.77 m,約位于K6+510處;左線起于ZK4+405,終于ZK8+175,全長3 770 m,隧道路基設(shè)計高程為295.671～381.513 m,最大埋深約為402.22 m,約位于ZK6+500處。隧道峒中端洞口位于半徑R=600 m的圓曲線上,東興端洞口左線位于半徑R=1 500 m圓曲線上,其余均為直線段,隧道左、右線縱坡均為i=-2.39%。左右線均屬特長隧道,隧道進、出口均采用削竹式洞門。隧道縱斷面設(shè)計綜合考慮了隧道長度、通風、排水、洞口位置及洞口線形等因素。

1.2 不良地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

(1)隧址未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用和特殊性巖土。

(2)隧道地區(qū)內(nèi)地表水主要為沖溝水,隧道進出口均有沖溝存在。隧道進口附近沖溝位于隧道北側(cè),距離隧道最近處約60 m,屬季節(jié)性沖溝,自東向西流,峰水季節(jié)水量較大,枯水季節(jié)干涸。此外,該沖溝于K5+500附近與隧道斜交,該處隧道埋深約230 m,主要巖土體為微風化花崗巖,為弱透水層,故沖溝對隧道的影響較小。隧道出口附近沖溝位于隧道東側(cè),距離隧道最近處約140 m,屬季節(jié)性沖溝,自北向南流,峰水季節(jié)水量較大,枯水季節(jié)干涸,該沖溝對隧道的影響較小。

(3)隧道區(qū)地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙水和侵入巖風化帶的網(wǎng)狀裂隙水。第四系覆蓋層中的孔隙水主要接受大氣降水的深入補給,含水層賦水性差,地下水位變化大,平時干涸無水。侵入巖風化帶的網(wǎng)狀裂隙水主要由大氣降水補給,通過構(gòu)造裂隙、層間裂隙和風化裂隙作短距離徑流,在地形切割低洼處以散流、泉的形式排出地表,匯集成溝溪,一般泉水多為季節(jié)泉,枯水季節(jié)干涸。

1.3 隧道開挖方式

隧道有Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖分布,其中Ⅴ級圍巖主要分布于隧道進出口段,局部在洞身段,圍巖為強-中風化花崗巖,裂隙很發(fā)育-發(fā)育,節(jié)理裂隙向下切割隧道圍巖,局部巖塊松動,易形成危巖。根據(jù)新奧法原理,隧道洞身采用初期支護和二次襯砌相結(jié)合的復(fù)合式襯砌進行變形控制,即以錨桿、濕噴混凝土、型鋼鋼架等為初期支護,模筑混凝土為二次襯砌。隧道施工方法采用臺階,最大斷面寬度設(shè)置為10.6 m,洞高8.65 m,最大埋深約為402 m。該區(qū)段內(nèi)不考慮地表水與地下水對工程的影響。隧道的斷面尺寸如圖1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 數(shù)值模型的建立

利用有限元分析軟件ABAQUS對隧道進行建模分析[8],如圖2所示。為研究隧道開挖圍巖的變形演化規(guī)律,模擬山區(qū)隧道情況,模型的長、寬分別設(shè)置為108 m和30 m,左側(cè)和左側(cè)高度分別為88 m和48 m,共計45 075個單元。對模型底部變形進行完全約束,模型兩側(cè)限制x方向位移,前后限制y方向位移。

圖2 有限元計算模型圖

2.2 計算參數(shù)選取

研究工程區(qū)段內(nèi),圍巖主要以Ⅴ級圍巖為主。采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型進行巖體建模,初期支護由噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)及工字鋼鋼架(或格柵鋼架)組成,采用模筑混凝土為二次襯砌,與初期支護組成復(fù)式襯砌。圍巖巖體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示,混凝土、鋼架和錨桿所對應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 圍巖巖體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 混凝土、型鋼及錨桿的物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 模型分析方案

隧道開挖方法采用臺階預(yù)留核心土法,開挖順序如圖3所示。首先開挖上臺階,隨后開挖左、右兩側(cè)邊墻,最后開挖下臺階,開挖掘進尺度為2 m,每步開挖后進行相應(yīng)的初期支護和臨時支護[9]。在模擬過程中,通過鈍化和激活相關(guān)網(wǎng)格,以施加和消除邊界和荷載條件,主要步驟為:施加地應(yīng)力,為消除地應(yīng)力對變形的影響,應(yīng)力施加后系統(tǒng)自動對位移進行歸零處理;通過網(wǎng)格的鈍化和激活操作,對開挖和和支護步驟進行模擬。

圖3 臺階預(yù)留核心土法工序示意圖

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 開挖過程中圍巖變形分析

在隧道施工過程中,隧道的開挖會誘發(fā)周圍巖土發(fā)生變形,從而影響隧道的穩(wěn)定性。本研究隧道采用預(yù)留核心土法進行開挖,每開挖3次循環(huán),進行二次襯砌,直至隧道開挖完畢。限于篇幅,本文取第3個循環(huán)、第8個循環(huán)、第15個循環(huán)和第41個循環(huán)時,隧道洞口的位移狀態(tài)進行分析,如圖4所示,圖中給出了不同循環(huán)開挖循環(huán)次數(shù)下圍巖的豎向位移云圖。

(a)第3個循環(huán)

由圖4可以看出,隧道開挖后,其底部核心土出現(xiàn)隆起現(xiàn)象,最大隆起位置出現(xiàn)在底部核心土中軸線上附近的臨空面,其位移達到12.9 mm;在中軸線上,隨著位置遠離臨空面,核心土的隆起量減小。同時,隧道拱頂表現(xiàn)出一定的沉降特性,最大沉降量發(fā)生在距離中軸線3 m的左側(cè)拱頂部位;隨著坐標遠離該位置,圍巖的沉降量逐漸減小。在不同的開挖循環(huán)下,拱頂?shù)某两滴灰坪脱龉暗穆∑鹞灰凭憩F(xiàn)出上述類似的規(guī)律,在第8、第15和第41個開挖循環(huán)下,隧道上部的最大沉降位移分別為14.3 mm、15.2 mm和15.3 mm,隧道下部的最大隆起位移則分別為16.9 mm、19.4 mm及19.1 mm,而且隨著開挖施工的不斷推進,隧道的最大隆起值和最大沉降量逐漸增加。

3.2 洞口關(guān)鍵點變形分析

前文根據(jù)位移云圖對圍巖的變形進行了整體分析,為了更好地對圍巖變形進行控制,以下對模擬開挖過程中隧道洞口拱頂、拱腰及拱腳等關(guān)鍵位置的變形曲線進行監(jiān)測,如圖5所示。由圖5可知,在開挖過程中,隧道上部圍巖整體表現(xiàn)出沉降趨勢,而隧道下部圍巖呈現(xiàn)隆起趨勢。

圖5 關(guān)鍵部位豎向位移隨施工步驟變化時程曲線圖

對于拱頂位移,在前十個施工步中,拱頂豎向沉降迅速增長至12.5 mm,隨著開挖的繼續(xù)進行,拱頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定,最大沉降為14.5 mm。拱腰的沉降趨勢與拱頂相似,但其沉降量相對于拱頂較小,左、右拱腰的穩(wěn)定沉降分別為12 mm和5 mm。此外,由于山體左高右低,在地應(yīng)力的影響下,穩(wěn)定后左拱腰的沉降量較右拱腰的沉降量大8.5 mm。

拱底變形情況可大致分為三個階段,即快速隆起階、緩慢隆起階段及穩(wěn)定階段。仰拱未開挖之前,由于其他部位的開挖擾動對仰拱造成擾動,拱底迅速隆起,隆起速率在仰拱開挖后逐漸變緩,并在二襯閉合后趨于穩(wěn)定,拱底最大隆起量為18 mm。隨著開挖的進行,拱腳表現(xiàn)出先迅速隆起后緩慢沉降并最終穩(wěn)定的趨勢,其隆起量相對拱底較小,左、右拱腳在穩(wěn)定后的隆起位移分別為7.5 mm與1 mm。

4 結(jié)語

本文以馬鞍坳隧道為例,利用有限元分析軟件ABAQUES對開挖過程中隧道洞口圍巖變形及關(guān)鍵點位移變化規(guī)律進行分析,得到的結(jié)論如下:

(1)拱頂與拱底的變形在初始開挖時較大,并隨著開挖的進行,變形速率逐漸減小。開挖結(jié)束時,花崗巖隧道的總體變形較小,隧道上部最大沉降為15.3 mm,隧道下部最大隆起位移為19.1 mm。

(2)隧道的開挖會引起拱頂沉降與拱底隆起,變形曲線可劃分為快速隆起階段、緩慢隆起階段及穩(wěn)定階段三個特征階段。仰拱開挖之前,拱頂和拱底的變形速率較快;在二襯閉合后,拱頂和拱底的位移保持穩(wěn)定。

(3)左、右兩側(cè)拱腳表現(xiàn)出隆起變形,左、右兩側(cè)拱腰則表現(xiàn)出沉降變形。受地應(yīng)力分布影響,隧道左側(cè)拱腳、拱腰相對于右側(cè)隧道發(fā)生更大的豎向變形。

(4)最大隆起位置出現(xiàn)在底部核心土至中軸線上附近的臨空面,最大沉降量則發(fā)生在距離中軸線3 m的左側(cè)拱頂部位,開挖過程中應(yīng)注意采取相應(yīng)的支護措施。