軟弱砂巖段深埋隧道開挖數(shù)值模擬與監(jiān)測分析

張運良，路 平，王昌勝，李鳳翔

(中南大學土木工程學院)

0 引言

軟弱巖石是指工程環(huán)境中能產(chǎn)生顯著塑性變形，具有軟弱、松散、破碎、風化、膨脹等物理特性的巖體總稱。因其工程性質軟弱并常常導致工程地質問題或地質災害發(fā)生，軟弱圍巖常是隧道工程處理和加固的對象。

對于軟弱圍巖，隧道開挖后的變形基本可分為彈性變形、塑性變形和流變三個階段。對于一般軟弱圍巖，只要加強支護結構，如提高支護結構的剛度，縮短支護時間等即可有效限制圍巖變形的進一步發(fā)展。而縮短支護時間由于其經(jīng)濟有效性，成為隧道工程施工中普遍采用的方法。

臺階法是新奧法中適用性最廣泛的施工方法，它將斷面分成上半斷面和下半斷面兩部分分別進行開挖。隨著臺階長度的調整，它幾乎可以用于所有的地層，因而在隧道工程施工中，臺階法是最重要的方法之一。根據(jù)臺階的長度，有長臺階法、短臺階法和超短臺階三種方式。根據(jù)工程地質及水文地質條件、圍巖類別、隧道埋深、斷面尺寸等因素，綜合考慮決定臺階法施工的步距。

本文根據(jù)炎汝高速公路花子坳隧道的施工為研究背景，對Ⅴ級圍巖段所采用的短臺階施工工法進行有限元數(shù)值模擬計算，并作了較深入的研究。

1 工程概況

花子坳隧道是炎汝高速公路第10標的主要工程之一，位于湖南省炎陵縣境內。隧道左線起訖里程為ZK42+945～ZK43+868，右線起訖里程 YK42+916.5～YK43+860，為上下行雙線分離式隧道。YK43+915～YK43+140段為粘土、強風化砂質頁巖，巖體極破碎，自穩(wěn)性差，拱部無支護時易冒頂、掉快，為Ⅴ級圍巖。根據(jù)圍巖情況，該段采用短臺階法進行掘進施工。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算概況

花子坳隧道襯砌內輪廓采用直徑5.5 m的單心圓，初期支護采用24 cm厚的C20噴射混凝土;工字鋼采用I18工字鋼，工字鋼間距為60 cm;錨桿采用D25中空注漿錨桿，環(huán)向間距120 cm，縱向間距60 cm;仰拱填充采用C15片石混凝土，二襯作為安全儲備暫不考慮。

2.2 模型計算

本文章利用MIDAS GTS有限元分析軟件對Ⅴ級圍巖深埋段的隧道開挖過程進行模擬，建模時考慮邊界效應影響，計算模型沿橫截面方向左右各取40 m，約4倍洞徑;隧底以下取35 m，上部取值大于Ⅴ級圍巖的坍方平均高度，取55 m;縱向取69 m。

為進行臺階法開挖對周邊圍巖穩(wěn)定性影響的模擬，建立模型如下:縱向0～6 m和24～30 m為考慮縱向邊界效應的“緩沖”區(qū)間，6～24 m為進行臺階法施工區(qū)間，臺階長度為6 m，循環(huán)進尺為1.2 m，初期支護緊跟開挖進行。

對該模型數(shù)值模擬計算中，把整個施工過程分成以下步序來加以模擬分析:第一步初始狀態(tài)step1，第二步上臺階開挖step2，第三步上臺階周邊噴錨支護及臨時仰拱施作step3;第四步下臺階開挖step4，，第五步下臺階周邊噴錨支護step5，第六步拆除臨時仰拱step6。

該模型僅僅考慮系統(tǒng)錨桿、鋼支撐、噴射混凝土對圍巖的支護的作用，超前錨桿和二襯作為安全儲備，不予考慮。

計算荷載主要是圍巖的自重，按照施工步驟，逐步進行計算，得出開挖擾動后圍巖的位移、內力和塑性區(qū)等，進而評價施工過程的安全性，并就施工過程提出合理的建議。

根據(jù)隧道地勘資料以及《公路隧道設計規(guī)范》JTG D70-2004，圍巖與支護材料參數(shù)如表1所示，計算模型如圖1所示。

表1 模型參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬模型

2.3 數(shù)值模擬結果分析

(1)隧道開挖應力特征分析。

表2 不同施工步序特征點主應力計算結果 kN

圖2 特征點主應力隨施工過程變化曲線圖

從計算值看出，隨著施工的進行，各特征點主應力σ1和σ3呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律:拱頂、拱腰處由于開挖應力的釋放，圍巖應力水平呈減小趨勢并保持較低應力水平;拱腳處隨開挖過程逐漸增大并保持較大應力水平，達到2.2 MPa，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象;拱底由于上部圍巖壓力的解除，隨開挖過程隨開挖減小并持續(xù)較低。在隧道的開挖過程中，圍巖處于受壓狀態(tài)。由于隧道深埋且無結構性偏壓，左右側應力基本對稱。

施工中應特別注意拱腰與拱腳處鎖腳錨桿的施工的及時性和可靠性，并注意加強對該段的監(jiān)控量測，防止拱腰和拱腳處因圍巖壓力較大出現(xiàn)過大變形，引起支護開裂和侵限，進而引起圍巖松動，影響圍巖穩(wěn)定性和隧道結構的安全性。

(2)隧道開挖變形特征分析。

由計算結果可知，花子坳隧道V級圍巖段上臺階施工過程中，隧道拱頂圍巖的累積下沉變形量最大為-2.8 mm，兩側邊墻圍巖向洞內的累積水平收斂位移量最大為-1.09 mm，下臺階開挖施工后，隧道拱頂圍巖的累積下沉變形量最大為-4.27 mm，兩側邊墻圍巖向洞內的累積水平收斂位移量最大為-1.64 mm，臨時仰拱拆除后累積下沉變形量最大為-4.80 mm，兩側邊墻圍巖向洞內的累積水平收斂位移量最大為-1.89 mm，特征點位移隨施工過程的變化趨勢如圖3所示。每一施工步洞周特征點的位移計算結果如表2所示。由計算結果可見，開挖過程中隧道圍巖基本穩(wěn)定。

表3 不同施工步序特征點位移計算結果 mm

施工中對計算斷面圍巖變形進行了量測，隧道開挖過程中，圍巖豎向位移與周邊收斂在上臺階開挖后達到最大沉降值的50%左右。由實測數(shù)值可見，圍巖水平收斂和拱頂下沉較計算結果稍大，但變化規(guī)律基本一致。

圖3 特征點位移隨施工過程變化曲線圖

3 監(jiān)控結果

3.1 監(jiān)測結果

隧道深埋段施工過程中，對拱頂沉降、圍巖壓力進行現(xiàn)場測量。本文選取與數(shù)值模擬同一斷面處的變形、應力數(shù)據(jù)進行分析，應力、位移變形圖如圖4、圖5。

圖4 右線進口深埋段拱頂沉降時程圖

圖5 右線進口深埋段圍巖壓力時程圖

3.2 監(jiān)測結果分析

從圖4、5可以看出，拱頂沉降和圍巖壓力在隧道上臺階開挖完成4～6 d后基本趨于穩(wěn)定;下臺階開挖后，拱頂沉降繼續(xù)增大，而后趨于穩(wěn)定，最終沉降值為-13.29 mm，較理論計算值偏大。圍巖壓力實測值右拱腰達1.082 MPa，左拱腰0.255 MPa，右拱腰較左拱腰大，說明存在一定的構造偏壓。后序施工中需加強對此處監(jiān)測，防止發(fā)生襯砌開裂等病害。

4 結論

通過有限元數(shù)值模擬花子坳隧道臺階法施工過程中圍巖體穩(wěn)定性、支護結構的變形以及現(xiàn)場監(jiān)測結果對比分析，在花子坳隧道Ⅴ級圍巖深埋段采用短臺階法施工，效果良好，拱頂下沉及圍巖變形都在控制范圍內。表明此工法適應花子坳隧道的地形地質條件，可作為地質情況相似的其他深埋隧道的施工方案。

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