軟弱破碎圍巖隧道施工數(shù)值模擬研究

徐 燕， 唐卓怡， 汪春桃， 劉 寧

(1.無錫市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站， 江蘇 無錫 214031； 2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司， 江蘇 南京 210014)

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軟弱破碎圍巖隧道施工數(shù)值模擬研究

徐 燕1， 唐卓怡1， 汪春桃2， 劉 寧2

(1.無錫市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站， 江蘇 無錫 214031； 2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司， 江蘇 南京 210014)

為研究軟弱破碎圍巖條件下隧道施工過程中圍巖與支護(hù)受力變形特征，以某隧道工程為背景，利用ABAQUS分別建立隧道施工二維和三維有限元模型。模型力求與工程實(shí)際相符合，同時(shí)考慮了隧道實(shí)際的支護(hù)體系和地質(zhì)條件，并模擬不同的施工工況，其中二維模型模擬隧道全斷面開挖、初期支護(hù)完成和二次襯砌完成等工況；三維模型模擬隧道上、下臺(tái)階開挖、初期支護(hù)完成和二次襯砌完成等工況。通過模型計(jì)算，并與監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，揭示了該隧道支護(hù)和開挖過程中支護(hù)與圍巖受力與變形特征。研究結(jié)果表明，有限元方法能夠較好地預(yù)測(cè)隧道拱頂沉降；及時(shí)封閉初期支護(hù)能夠有效地控制隧道圍巖支護(hù)體變形，提高隧道穩(wěn)定性；二次襯砌施做能夠顯著改善初期支護(hù)受力狀態(tài)，使之應(yīng)力分布較為均勻。

軟弱破碎圍巖； 隧道； 初期支護(hù)； 數(shù)值模擬

0 前言

隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展，公路隧道的修建越來越多，不可避免地會(huì)遇到軟弱破碎圍巖。當(dāng)隧道通過軟弱破碎帶時(shí)，圍巖與隧道結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜多變，處理稍不得當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致耗費(fèi)大量人力物力，拖延工期，甚至出現(xiàn)安全事故[1，2]。因此，對(duì)軟弱破碎圍巖隧道施工過程中支護(hù)與圍巖受力變形特性進(jìn)行研究，具有很好的社會(huì)價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于隧道開挖過程中圍巖與支護(hù)受力變形特點(diǎn)，可以通過模型試驗(yàn)[3，4，5]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)[6，7]和數(shù)值模擬[3，8，9]方法進(jìn)行研究。

模型試驗(yàn)配以數(shù)值模擬方法能夠較全面直觀地揭示圍巖與支護(hù)受力變形特點(diǎn)，研究成果具有較好的可靠性。但模擬實(shí)驗(yàn)需要的試驗(yàn)設(shè)備和器材較多，成本高，周期長(zhǎng)。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是新奧法施工的重要原則，能夠?yàn)楣こ淌┕ぜ皶r(shí)提供參考。但是在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集過程中由于受到外部環(huán)境和測(cè)量人員本身因素的影響，其結(jié)果往往并不能完全正確反映隧道圍巖支護(hù)實(shí)際的狀態(tài)，需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行認(rèn)真判斷甄別。

數(shù)值模擬方法主要有兩類。一類是非連續(xù)體分析方法，但其計(jì)算復(fù)雜，不適合軟弱破碎巖體分析[3]。另一類是連續(xù)體分析方法，應(yīng)用較為廣泛的是有限元方法。目前有較多的大型通用有限元計(jì)算軟件，能夠很好地實(shí)現(xiàn)模型的數(shù)值分析。

本文依托實(shí)際工程，按照工程實(shí)際設(shè)計(jì)支護(hù)條件，工程地質(zhì)條件和施工方法，建立二維和三維有限元模型，模擬該隧道開挖施工過程，得出圍巖與支護(hù)受力變形情況。同時(shí)將數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出一些對(duì)工程具有借鑒意義的結(jié)論。

1 工程概況

本隧道左線全長(zhǎng)700 m；右線全長(zhǎng)665 m，按一級(jí)公路雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用分離式雙洞單向行駛方案。隧道凈寬14.5 m，凈高7.8 m，建筑限界高度5.0 m。隧道設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

圖1 隧道橫斷面設(shè)計(jì)圖Figure 1 The design of the tunnel cross-section

隧道暗洞段襯砌均按新奧法原理設(shè)計(jì)和施工，采用柔性支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)合式襯砌，即以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架等為初期支護(hù)，二次襯砌采用鋼筋混凝土，并在兩次襯砌之間敷設(shè)土工布及防水板。對(duì)于隧道洞口較差圍巖段進(jìn)洞采用大管棚注漿預(yù)加固，洞內(nèi)較差圍巖段及斷層破碎帶段采用超前小導(dǎo)管等輔助措施進(jìn)行圍巖預(yù)加固，并輔以鋼拱架等支護(hù)措施，確保施工時(shí)洞室的安全。

隧道隧址區(qū)分布地層主要為新近人工堆積土(Qr)、新近崩塌堆積物(Qcol)、第四系殘坡積土(Qel+dl)，下伏基巖為泥盆系中下統(tǒng)茅山組(D1-2m)碎屑巖。

① 新近人工堆積土(Qr)：雜填土，灰白～灰黃色，稍密，由石渣、碎石、石粉、粘性土及少量塊石組成，碎石直徑 2～4 cm，局部塊石直徑 10 cm以上，碎塊石含量約20%～40%。厚度0.3～1.5 m。分布于隧道進(jìn)出口較平坦的坡面。

② 新近崩塌堆積物(Qcol)：成分為碎石、塊石，紫紅色，碎、塊石巖性為石英砂巖，呈散體狀堆積。范圍較小，僅分布于隧洞右線樁號(hào)RK6+412附近，沿坡腳分布，厚度1 m左右。

③ 第四系殘坡積土(Qel+dl)：主要成分為粘土夾碎石，灰～灰黃色、紫紅色，稍密～中密，碎石直徑 2～4 cm，局部為塊石，直徑10 cm以上，碎、塊石含量約20%～40%。碎塊石成分為強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖。分布于隧道進(jìn)出口遠(yuǎn)端的山麓地帶及高程90 m以上的原始山坡表層，厚度約0.5～1.5 m左右。

④ 泥盆系中下統(tǒng)茅山組(D1-2m)碎屑巖：巖性為變質(zhì)細(xì)粒石英砂巖夾薄層狀泥巖，灰白、灰黃色～紫紅色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，石英砂巖單層厚度一般20～40 cm，為中厚層狀，泥巖厚度一般為5～20 cm，為中薄層狀；微風(fēng)化～新鮮的細(xì)粒石英砂巖為中硬巖石，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，而泥巖為軟質(zhì)巖石，層間結(jié)合弱，強(qiáng)度低，抗風(fēng)化能力差。巖層產(chǎn)狀N5～15°E，SE∠25°。

2 模型介紹及參數(shù)設(shè)置

2.1 模型介紹

① 二維模型。

本次數(shù)值模擬采用ABAQUS。

根據(jù)所選斷面具體埋深、巖層特性、支護(hù)形式等建立模型。圍巖采用Mohr-Coulomb理想塑性模型，初支與二襯混凝土采用各向同性彈性模型，采用平面四邊形CPE4單元類型；鋼拱架(I22b型工字鋼)、系統(tǒng)錨桿(φ25鋼筋)和超前小導(dǎo)管采用線性梁?jiǎn)卧猍9，10]。

按照“開挖-初襯-錨固-鋼拱架及下一步開挖所需超前錨桿-二襯”此施工順序逐步施加重力荷載。模型兩側(cè)約束X軸方向位移，底部約束X，Y軸方向的位移。錨桿、超前小導(dǎo)管和鋼拱架與圍巖和初襯為嵌入約束，初襯和圍巖綁定約束，被挖掉部分與圍巖為綁定約束，二襯和初襯為綁定約束。綁定約束即模型中的兩個(gè)面被牢固地粘結(jié)在一起，在分析過程中不再分開，約束綁定節(jié)點(diǎn)的各個(gè)方向平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，使從節(jié)點(diǎn)隨主節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。模型見圖2。

圖2 二維模型Figure 2 2D finite element model

② 三維模型。

三維模型同樣根據(jù)所選斷面的具體埋深、巖層特性、支護(hù)形式等建立模型。

圍巖采用Mohr-Coulomb理想塑性模型，其它均為彈性模型，巖石及襯砌采用平面四邊形C3D8單元類型，錨桿和鋼拱架采用線性桿單元T3D2。模型前后，左右兩側(cè)約束對(duì)應(yīng)軸方向位移，底部約束X，Y和Z軸方向的位移。約束條件：錨桿與圍巖和初襯為嵌入約束(嵌入約束：模型的一個(gè)區(qū)域鑲嵌在另一個(gè)區(qū)域，約束各個(gè)方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)，初襯和圍巖綁定約束，被挖掉部分與圍巖為綁定約束，二襯和初襯為綁定約束。利用單元生死功能模擬隧道臺(tái)階開挖。鋼拱架結(jié)構(gòu)布置見圖3，三維模型見圖4。

圖3 鋼拱架結(jié)構(gòu)布置Figure 3 3D finite element model

圖4 三維模型Figure 4 3D finite element model

2.2 參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模型中各種材料的參數(shù)選取勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)文件提供數(shù)據(jù)，見表1。

表1 模型基本參數(shù)Table1 Thebasicparametersofthemodel類別重度/(kN·m-3)彈模/kPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa初襯C252.22.3×1070.2——二襯C302.02.5×1070.2——堆積碎石2.73.0×1040.41910強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖2.51.0×1060.3522100中風(fēng)化石英砂巖2.61.22×1060.3525150微風(fēng)化石英砂巖2.81.5×1060.3537200錨桿7.82.06×1080.3——鋼拱架7.82.06×1080.3——

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 二維模型計(jì)算結(jié)果

① 位移計(jì)算結(jié)果。

圖5為隧道開挖并完成初期支護(hù)后隧道整體與初期支護(hù)的變形等值云圖。最大位移分別發(fā)生在拱頂和仰拱中部，拱頂沉降量3.7 mm，仰拱最大隆起2.2 mm。

圖5 初支完成后隧道變形圖/mFigure 5 Deformation of the tunnel after initial support completion/m

圖6為隧道二次襯砌完成后整體變形情況，從圖中可以看出：二次襯砌施做能夠明顯控制拱頂下沉，此時(shí)拱頂最大沉降量約2.5 mm。對(duì)于仰拱隆起，二襯施做并沒有造成隆起量的明顯變化，此時(shí)仰拱最大隆起量為2.3 mm。

圖6 二襯完成后隧道整體變形圖/mFigure 6 Deformation of the tunnel after secondary lining completion/m

② 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

圖7和圖8分別為隧道二次襯砌施做前初期支護(hù)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。ABAQUS中“+”表示拉力，“-”表示壓力。

初期支護(hù)拱部最大主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力最大部位產(chǎn)生在拱腳附近，約0.4 MPa；仰拱最大主應(yīng)力多為拉應(yīng)力，其中仰拱兩端拉應(yīng)力最大，約為2.4 MPa。初期支護(hù)最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其中拱腰內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力最大，約為4.6 MPa。

圖7 二襯施做前初支最大主應(yīng)力圖/kPaFigure 7 The maximum principal stress of initial support before secondary lining completion/kPa

圖8 二襯施做前初支最小主應(yīng)力圖/kPaFigure 8 The minimum principal stress of initial support before secondary lining completion/kPa

圖9和圖10分別為隧道二次襯砌最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。二次襯砌拱部最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，最大值在拱腰外側(cè)附近區(qū)域，約0.4 MPa；仰拱部位最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值在拱腳附近，約1.8 MPa。二次襯砌最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，拱部最大值在拱腰內(nèi)側(cè)，約3.1 MPa。

圖9 二襯最大主應(yīng)力圖/kPaFigure 9 The maximum principal stress of secondary lining/kPa

圖10 二襯最小主應(yīng)力圖/kPaFigure 10 The minimum principal stress of secondary lining/kPa

3.2 三維模型計(jì)算結(jié)果

① 位移計(jì)算結(jié)果。

圖11為上臺(tái)階開挖并施做初期支護(hù)后隧道整體位移云圖。上臺(tái)階開挖后圍巖和初期支護(hù)變形特點(diǎn)與隧道全斷面開挖時(shí)類似，拱頂發(fā)生最大沉降，沉降值約為5.2 mm，下臺(tái)階最大隆起約3.2 mm。

圖11 上臺(tái)階開挖并施做初期支護(hù)后位移圖/mFigure 11 Deformation of the tunnel after up bench excavation and initial support completion/m

圖12為下臺(tái)階開挖結(jié)束，初期支護(hù)形成閉合環(huán)后，隧道整體位移云圖。此時(shí)，隧道拱頂最大沉降約3.8 mm，仰拱最大隆起約2.7 mm。三維模型計(jì)算結(jié)果與二維模型計(jì)算結(jié)果基本相同，略有差異。

可以看出，初期支護(hù)形成閉合環(huán)后比下臺(tái)階開挖前初期支護(hù)沒有閉合時(shí)圍巖位移明顯減小，說明及時(shí)封閉初期支護(hù)能夠有效的控制隧道圍巖變形，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖12 下臺(tái)階開挖并施做初期支護(hù)后位移圖/mFigure 12 Deformation of the tunnel after lower bench excavation and initial support completion/m

圖13為隧道下臺(tái)階開挖二次襯砌施做后隧道整體位移云圖。由于數(shù)值模型建立時(shí)，圍巖、初支、二襯之間為綁定約束，3者共同變形，所以3者最大變形值相同，變形形態(tài)相同。從圖中可以看出，二次襯砌施做后，圍巖變形明顯減小，拱頂最大沉降量約為2.5 mm，仰拱最大隆起量約為2.4 mm。此計(jì)算結(jié)果與二維模型計(jì)算結(jié)果相當(dāng)。

圖13 二次襯砌施做后位移圖/mFigure 13 Deformation of the tunnel after secondary lining completion/m

② 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

圖14和圖15分別為二次襯砌施做前，初期支護(hù)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖。從2圖可以看出：初期支護(hù)處拱腳部位，其余基本處于三維受壓狀態(tài)。拱腳的拉—壓應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于初支材料受力極為不利。

圖14 二襯施做前初支最大主應(yīng)力圖/kPaFigure 14 The maximum principal stress of initial support before secondary lining completion/kPa

圖15 二襯施做前初支最小主應(yīng)力圖/kPaFigure 15 The minimum principal stress of initial support before secondary lining completion/kPa

圖15所示的最小主應(yīng)力云圖與二維計(jì)算結(jié)果不同，此時(shí)最大壓應(yīng)力沒有出現(xiàn)在拱腰附近，而是在拱腳附近，證明拱腳部位為支護(hù)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的薄弱環(huán)節(jié)。

圖16～圖19分別為二次襯砌施做后初期支護(hù)和二次襯砌的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。

初期支護(hù)的應(yīng)力狀態(tài)在二次襯砌施做后應(yīng)力狀態(tài)有所改善，最大壓應(yīng)力分布較為均勻，在拱腰內(nèi)側(cè)產(chǎn)生最大壓應(yīng)力。二次襯砌在拱腳位置產(chǎn)生最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力。

因此，無論是初期支護(hù)還是二次襯砌，均應(yīng)加強(qiáng)拱腳處的處理，改善其受力狀態(tài)。

圖16 二襯施做后初支最大主應(yīng)力圖/kPaFigure 16 The maximum principal stress of initial support after secondary lining completion/kPa

圖17 二襯施做后初支最小主應(yīng)力圖/kPaFigure 17 The minimum principal stress of initial support after secondary lining completion/kPa

圖18 二襯最大主應(yīng)力圖/kPaFigure 18 The maximum principal stress of secondary lining/kPa

圖19 二襯最小主應(yīng)力圖/kPaFigure 19 The minimum principal stress of secondary lining/kPa

4 有限元數(shù)值分析與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

表2為有限元數(shù)值分析與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表。

表2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果對(duì)比表Table2 Comparisonofmeasureddataandfiniteelementa-nalysisresults測(cè)項(xiàng)實(shí)測(cè)二維模擬三維模擬拱頂沉降/mm8.53.783.82水平收斂/mm上臺(tái)階3.50.40.68下臺(tái)階1.90.0010.62圍巖與初支接觸壓力/kPa拱頂145814727拱腰8014401270

通過上表可以看出：拱頂沉降實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近。水平收斂值由于在數(shù)值模型中拱腳部位用位移約束代替了鎖腳錨桿，下臺(tái)階收斂值接近于零。

圍巖與初支接觸壓力，實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值有較大出入。這應(yīng)該與壓力盒埋設(shè)的有效性以及數(shù)值模型的諸多假定有關(guān)。

5 結(jié)論

① 拱頂沉降實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近，有限元數(shù)值模擬軟弱破碎圍巖隧道變形方法對(duì)隧道變形預(yù)測(cè)有積極意義。

② 軟弱破碎圍巖隧道初期支護(hù)形成閉合環(huán)后圍巖與支護(hù)位移明顯減小，說明及時(shí)封閉初期支護(hù)能夠有效的控制隧道圍巖支護(hù)體變形，提高隧道穩(wěn)定性。

③ 初期支護(hù)的應(yīng)力狀態(tài)在二次襯砌施做后有所改善，應(yīng)力分布較為均勻。因此及時(shí)施做二次襯砌能夠改善隧道圍巖支護(hù)體的應(yīng)力狀態(tài)，有利于隧道的穩(wěn)定。

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Numerical Simulation of Weak Broken Surrounding Rock Tunnel

XU Yan1， TANG Zuoyi1， WANG Chuntao2， LIU Ning2

(1.Wuxi City Traffic Engineering Quality Supervision Station， Wuxi， Jiangsu 214031， China； 2.Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company， Nangjing， Jiangsu 210014， China)

For the study of force and deformation characteristics of supporting and surrounding rocks of the tunnels in soft and fractured surrounding rocks during constructing，2D and 3D finite element model are established by ABAQUS based on a tunnel project.The models are consistent with the actual situation of the engineering.Full-face excavation，initial support completion and secondary lining completion construction conditions were included in 2D model；the up and lower bench excavation，initial support completion and secondary lining completion construction conditions were included in 3D model.The stress and deformation characteristics of tunnel supports and surrounding rocks were revealed by solving the finite element models and comparing the on-site monitoring results.The results show that，finite element method can be used to predict the tunnel crown settlements.Timely closure of initial support can be effectively controlled tunnel surrounding rock deformation and improve the stability of the tunnel.Construction of secondary lining can significantly improve the force state of initial support making it more uniform stress distribution.

weak broken surrounding rock； tunnel； initial support； numerical simulation

2016 — 06 — 15

江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目(2013Y05)

徐 燕(1962 — )，女，江蘇無錫人，高級(jí)工程師，主要從事公路橋梁設(shè)計(jì)及路橋工程建設(shè)管理工作。

U 455.91

A

1674 — 0610(2016)05 — 0161 — 06