開挖方式對山嶺隧道穩(wěn)定性影響研究

孫 忠 成

(中鐵十九局集團 第五工程有限公司， 遼寧 大連 116100)

近年來，隨著公路工程建設(shè)的不斷推進，穿山隧道建設(shè)取得了巨大進展，山嶺隧道建設(shè)過程存有較多的施工方式，不同施工方式間存在差別[1-6]。對于特定工程，施工方式不同會引起不同的隧道變形，因此研究不同施工方式下隧道的穩(wěn)定特性具有重要意義。近年來，國內(nèi)學(xué)者進行了相關(guān)研究，例如，李青松[7]、蔣樹屏等[8]和刁心宏等[9]采用數(shù)值手段，并以工程實例為背景，對幾種常用的施工形式在不同的圍巖條件和不同的埋深條件下進行模擬，得到了不同的施工開挖方案對隧道結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性影響。鄧稀等[10]、霍潤科等[11]和楊小明等[12]對不同掘進方式、不同隧道直徑以及不同圍巖狀況下隧道的開挖穩(wěn)定性進行了分析。韋秉旭等[13]、李翠霞等[14]利用數(shù)值手段對CRD法與上下臺階法在隧道開挖中的效果進行了對比分析。為了分析隧道不同施工方式下圍巖穩(wěn)定特性，以某隧道建設(shè)為例，采用有限元數(shù)值模擬手段分別建立了三臺階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三種施工方法的數(shù)值模型，并從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)方面進行了分析介紹，以期為隧道工程施工和設(shè)計提供參考和借鑒。

1 工程概況

某山嶺隧道為小凈距隧道，設(shè)計為雙向八車道。隧道左右線全長分別為466 m和387 m，左右線起止里程分別為ZK1+620—ZK2+086和YK1+680—YK2+007。對于隧道左右線，擬采用三臺階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等3種施工方法，如圖1所示。為了對比分析三種方法的合理性，采用數(shù)值模擬手段進行對比分析。

圖1隧道開挖面示意圖

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立及參數(shù)賦值

如圖2所示，為三種不同開挖方式下的隧道模型圖，采用MIDAS/GTS建模進行分析。隧道模型建立要考慮其開挖影響范圍，本工程隧道斷面最長為12.6 m，高度最高為7.4 m，而一般地下工程的影響范圍為3倍～5倍洞室內(nèi)徑，建立模型時x軸(水平方向)取180 m，y軸(隧道軸線方向)取20 m，z軸(豎直方向)取90 m，且隧道中心埋深約19 m。本隧道模型采用錨桿、鋼筋網(wǎng)和工字鋼和噴射混凝土襯砌支護，鋼筋網(wǎng)和工字鋼支撐折合到襯砌上面。其中圍巖采用實體模型，采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。襯砌和錨桿采用結(jié)構(gòu)單元。表1和表2分別為巖體的物理力學(xué)指標(biāo)和噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)，其中圍巖從左到右共四類，依次為粉質(zhì)黏土、黏土、白云巖和頁巖，錨桿和襯砌支護如圖3所示。

圖2 隧道數(shù)值模型圖

圖3隧道錨桿支護圖

表1 巖體的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分、邊界條件及開挖步

如圖2所示，三者平面上網(wǎng)格單元數(shù)目依次為3 624個、3 532個和3 586個，為了減小誤差，在隧道周圍網(wǎng)格較為密集，遠離隧道時網(wǎng)格較為疏松。此外，為了有效減小模型大小帶來的誤差，除上邊界外，模型其它邊界均設(shè)有法向約束。模型開始計算時，需要先進行初始平衡，并將初始位移和初始速度清零，然后進行分步開挖并設(shè)置監(jiān)測點。單次循環(huán)掘進2 m，共10次循環(huán)掘進完成，將每循環(huán)分為8個開挖步。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 位移分析

如圖4所示，為左隧道拱頂拱底位移時程曲線。對于拱底來講，由圖4(a)可知，采用三臺階七步法時拱底隆起量最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，三者最大位移依次為18.02 mm、11.13 mm和8.96 mm。對于拱頂來講，由圖4(b)可知，采用三臺階七步法時拱頂沉降量最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，三者最大位移依次為-22.31 mm、-15.52 mm和-12.74 mm。

如圖5所示，為右隧道拱頂拱底位移時程曲線。對于拱底來講，由圖5(a)可知，采用三臺階七步法時拱底隆起量最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，這與左隧道保持一致，三者最大位移依次為12.75 mm、10.38 mm和8.71 mm。對于拱頂來講，由圖5(b)可知，同樣也是采用三臺階七步法時拱頂沉降量最大，采用是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂沉降量最小，三者最大位移依次為-16.62 mm、-12.16 mm和-9.58 mm。相對于左隧道來說，右隧道的變形較小，這與右隧道所處位置圍巖較為堅硬有關(guān)。綜上可知，僅從位移方面考慮時，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時隧道的變形控制效果最好，這與其施工順序和施作方式有關(guān)。

圖4左隧道拱頂拱底位移

3.2 應(yīng)力分析

如圖6所示，為左隧道拱頂拱底最大主應(yīng)力時程曲線。對于拱頂來講，由圖6(a)可知，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時拱頂最大主應(yīng)力最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是三臺階七步法，三者最終的最大主應(yīng)力分別穩(wěn)定在-0.65 MPa、-0.57 MPa和-0.18 MPa。拱頂圍巖應(yīng)力越小，說明隧道開挖以后圍巖應(yīng)力釋放較大，圍巖變得較為松散。對于拱底來講，由圖6(b)可知，采用三臺階七步法時拱底最大主應(yīng)力最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，三者最大主應(yīng)力分別穩(wěn)定在-5.28 MPa、-3.86 MPa和-3.52 MPa，拱底圍巖受到擠壓作用，當(dāng)應(yīng)力越大時，說明該處圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，容易出現(xiàn)巖爆等危險。綜上可知，僅從最大主應(yīng)力方面考慮時，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時隧道的穩(wěn)定性效果最好，采用三臺階七步法時最差。

圖5 右隧道拱頂拱底位移

圖6左隧道拱頂拱底最大主應(yīng)力

3.3 塑性區(qū)分析

圍巖塑性區(qū)是判斷隧道安全與否的一重要因素，通過塑性區(qū)可以得到圍巖受力和變形狀態(tài)，進而判斷隧道安全狀態(tài)。如圖7所示，為三種不同開挖方式下圍巖穩(wěn)定時的塑性區(qū)云圖。對比三者可知，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時圍巖塑性區(qū)最小，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最大的是采用三臺階七步法時。此外，還可以看到，采用三臺階七步法時隧道左線和右線的塑性等值線發(fā)生聯(lián)通并密閉成環(huán)，且在兩側(cè)拱底處最大，而采用單、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時這種現(xiàn)象不明顯，說明采用三臺階七步法時圍巖最為不穩(wěn)。

圖7隧道塑性區(qū)云圖

4 結(jié) 論

以某小凈距隧道建設(shè)為例，采用有限元數(shù)值模擬手段分別建立了三臺階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三種施工方法的數(shù)值模型，并從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)方面進行了分析介紹，對于該案例，得到以下結(jié)論：

(1) 兩側(cè)隧道采用三臺階七步法時拱底隆起量和拱頂沉降量最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，相對于左隧道來說，右隧道的變形較小，這與右隧道所處位置圍巖較為堅硬有關(guān)。

(2) 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時拱頂最大主應(yīng)力最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是三臺階七步法；而拱底最大主應(yīng)力大小順序相反，說明采用三臺階七步法時隧道開挖以后圍巖應(yīng)力釋放較大，圍巖變得較為松散，且拱底圍巖易出現(xiàn)應(yīng)力集中，容易發(fā)生巖爆等危險。

(3) 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時圍巖塑性區(qū)最小，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最大的是采用三臺階七步法。即從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)方面可知，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時隧道的穩(wěn)定性效果最好，采用三臺階七步法時最差。研究結(jié)果可為小凈距山嶺隧道的施工方案制定提供參考。