復雜地質(zhì)條件下隧道開挖方式的選擇和優(yōu)化

俞斌

摘要：公路隧道施工中，復雜工程地質(zhì)條件下隧道開挖方式的選擇對隧道圍巖穩(wěn)定性、施工安全及保證施工進度起到確定性作用。為了優(yōu)化梅花隧道開挖方式，本文采用MIDAS/GTS有限元軟件對隧道開挖過程進行模擬計算，分析不同開挖方式下隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變特征，結(jié)果表明：單側(cè)壁導坑法對應(yīng)的圍巖應(yīng)力最大，全斷面開挖方法次之，上下臺階分步開挖方法對應(yīng)的拱頂圍巖應(yīng)力最小;采用全斷面開挖法、單側(cè)壁導坑開挖法時，隧道拱頂區(qū)域會產(chǎn)生拉應(yīng)力;采用全斷面開挖法對應(yīng)的高應(yīng)力區(qū)位于與拱腰圍巖開挖邊界處，而采用上下臺階分步開挖法對應(yīng)的拱腰圍巖高應(yīng)力區(qū)則離開挖邊界有一定距離。

Abstract： In the construction of highway tunnels， the selection of tunnel excavation methods under complex engineering geological conditions plays a deterministic role in the stability of the tunnel surrounding rock， construction safety and ensuring the construction progress. In order to optimize the excavation method of the Meihua tunnel， this paper uses MIDAS/GTS finite element software to simulate the tunnel excavation process and analyze the stress and strain characteristics of the tunnel surrounding rock under different excavation methods. The results show that the surrounding rock stress corresponding to the single-side pilot tunnel method is the largest， followed by the full-section excavation method， and the vault surrounding rock stress corresponding to the stepwise excavation method of the upper and lower steps is the smallest; when the full-face excavation method and the single-side pilot pit excavation method are used， tensile stress will be generated in the tunnel vault area; the high-stress area corresponding to the full-face excavation method is located at the boundary of the excavation of the arch waist surrounding rock， while the high-stress area of the arch waist surrounding rock corresponding to the stepwise excavation of the upper and lower benches is a certain distance away from the excavation boundary.

關(guān)鍵詞：公路隧道;開挖方式;圍巖;應(yīng)力應(yīng)變;有限元分析

Key words： highway tunnel;excavation method;surrounding rock;stress and strain;finite element analysis

中圖分類號：U455.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0141-03

0? 引言

近十來年，隨著福建省對公路建設(shè)投資規(guī)模的不斷加大，公路網(wǎng)的建設(shè)得到了長足的發(fā)展。福建位于中國東南沿海地區(qū)，境內(nèi)丘陵連綿，為了縮短交通時間，修建了大量的隧道。由于丘陵地區(qū)地質(zhì)條件復雜多變，同一座隧道可能穿越不同地層，隧道的開挖方式和支護形式需要根據(jù)相應(yīng)地質(zhì)條件的不斷變化而調(diào)整。本文針對梅花隧道復雜工程地質(zhì)條件，分析不同開挖方式對隧道圍巖的應(yīng)力和位移的影響，并對梅花隧道開挖方式的選擇進行探討。

1? 工程概況

省道縱七線將樂縣梅花至玉華段公路建設(shè)工程設(shè)置隧道1座，起止樁號為K1+240～K2+370，隧道全長1130m。本隧道為單洞雙車道，坡度/坡長：2.25%/896.38m、-1.2%/243.62m，最大埋深88m。進口K1+245，洞頂覆蓋層2.7m，出口K2+356，洞頂覆蓋層2.3m。根據(jù)鉆孔揭示，隧道所在范圍地層較復雜，主要為二疊系棲霞組（P1q）;巖性以深灰、灰黑色薄層-巨厚層微晶灰?guī)r為主，頂部為硅質(zhì)巖，二疊系下統(tǒng)文筆山組（P1w）：巖性以灰、灰黑色薄-中厚層泥巖、粉砂巖為主、震旦系下統(tǒng)丁屋嶺組下段（Z1dn1）：巖性為石英云母片巖。表層零星分布有第四系沖積和坡殘積層。此外，隧道范圍存在一條F2構(gòu)造帶（中風化粉砂巖夾泥巖、石英云母片巖）：灰色，巖石較為破碎，具硅化、綠泥石化、見構(gòu)造角礫，構(gòu)造上盤為二疊系文筆山組粉砂巖（夾泥巖），下盤為震旦系下統(tǒng)丁屋嶺組下段石英云母片巖，構(gòu)造帶穿過線路K1+780，屬于燕山晚期張性斷層。隧道區(qū)地下水主要孔隙-裂隙水和基巖裂隙水。風化基巖中的孔隙-裂隙水賦存于碎塊狀強風化巖層中，接受大氣降水的補給，厚度較小，水量較貧乏。隧道圍巖分級如表1。

2? 數(shù)值模型的建立

2.1 計算模型

為了分析不同開挖方式對隧道圍巖穩(wěn)定性及變形的影響，文中利用MIDAS/GTS有限元軟件，采用彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準則對隧道施工全過程進行模擬計算[1]，分析隧道施工過程中隧道圍巖應(yīng)力、位移變，隧道計算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

計算中只考慮自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場。除上部邊界面自由外，其它邊界面均具有法向約束。計算中圍巖采用四面體實體單元。在分析隧道最終變形及圍巖應(yīng)力分布時，采用二維平面應(yīng)變模型，圍巖采用平面四邊形單元，各參數(shù)設(shè)置與三維模型一致。模型中，z方向為豎向坐標軸，x方向為隧道橫向坐標軸，y方向為隧道沿隧道走向坐標軸[2]。

在應(yīng)力分析中，用σzz、σxx分別表示z方向和x方向的正應(yīng)力，用σ1、σ3分別表示最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。由于MIDAS軟件默認拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負，在進行云圖分析時，采用軟件默認的符號標記方式;而將數(shù)據(jù)導出繪制相關(guān)曲線時，對應(yīng)力值乘以負號對其進行符號調(diào)整。在變形分析中，豎直方向以向上為正，對于側(cè)向變形，以朝向隧道軸線方向記正。

2.2 參數(shù)的選取

為分析開挖方法對隧道應(yīng)力及變形的影響，計算中按照Ⅳ級圍巖地質(zhì)條件，分別采用全斷面開挖、單側(cè)壁導坑開挖、雙側(cè)壁導坑開挖、上下臺階開挖法進行三維模擬計算[3]，隧道埋深為88m，隧道寬為11.7m，高為8.0m，隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)參見表2。

為簡化計算，分析中不考慮二襯的作用，主要考慮隧道掌子面開挖、初襯的影響，初襯采用噴射混凝土加錨桿方式支護，襯砌厚度為0.2m，錨桿長3.5m，間距2m×2m。

3? 計算結(jié)果分析

3.1 開挖方式對隧道應(yīng)力的影響

通過有限元軟件模擬全斷面開挖、單側(cè)壁導坑開挖、上下臺階開挖法，分析隧道開挖卸荷對拱頂圍巖的影響，圍巖拱頂豎向應(yīng)力σzz和水平應(yīng)力σxx如圖2所示。單側(cè)壁導坑開挖法對應(yīng)的圍巖應(yīng)力最大，全斷面開挖方法次之，上下臺階開挖方法對應(yīng)的拱頂圍巖應(yīng)力最小。這是由于單側(cè)壁導坑開挖時，橫斷面高度較高而寬度小，呈扁平狹長型斷面，易導致拱頂應(yīng)力集中，拱頂圍巖應(yīng)力大于全斷面開挖圍巖應(yīng)力;對于全斷面開挖方法，由于單步施工卸荷大，其引起圍巖應(yīng)力的增量較大，圍巖為達到新的變形協(xié)調(diào)，需要產(chǎn)生較大的卸荷變形，即拱頂沉降，當圍巖軟弱時，過大的變形導致隧道失穩(wěn)破壞。

采用平面應(yīng)變模型，分析不同開挖方法對隧道開挖結(jié)束后圍巖應(yīng)力σ1、σ3的影響，如圖3所示，為上下臺階法開挖后圍巖應(yīng)力分布云圖，以負號表壓應(yīng)力、正號表拉應(yīng)力。

通過對全斷面開挖法、單側(cè)壁導坑開挖法、上下臺階開挖法等不同開挖方式進行模擬計算，分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

①采用全斷面開挖、單側(cè)壁導坑開挖時，隧道拱頂區(qū)域會產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，對于實際工程應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)條件及時支護，對于圍巖條件差，應(yīng)采取超前支護措施對拱頂圍巖進行加固，防止圍巖出現(xiàn)拉裂破壞。

②采用全斷面開挖對應(yīng)的高應(yīng)力區(qū)位于拱腰圍巖開挖邊界處，而采用上下臺階分步開挖對應(yīng)的拱腰圍巖高應(yīng)力區(qū)與開挖邊界有一定距離。因此，對于工程地質(zhì)條件較差或地質(zhì)復雜的隧道，應(yīng)盡量采用上下臺階法或CRD法進行隧道開挖，避免圍巖因應(yīng)力過大而失穩(wěn)破壞。

3.2 開挖方式對隧道變形的影響

前面分析了不同開挖方式時圍巖應(yīng)力變化特征，下面對不同開挖方式下隧道變形特性進行分析，如圖4為各開挖方法中施工步驟拱頂位移隨施工步驟關(guān)系曲線。采用上下臺階開挖法施工時，由于分多步施工，一次性開挖范圍小，拱頂變形是逐步發(fā)展的，單步施工引起的位移變化較小，而采用全斷面開挖法開挖時，斷面一次性開挖施工引起較大的位移。由于全斷面開挖較另外兩種方法變形速率大，單步施工引起位移增量大，所以地質(zhì)條件較差時，不能選擇全斷面方法進行隧道開挖，宜根據(jù)地質(zhì)情況、隧道結(jié)構(gòu)特征及施工需要等選擇單側(cè)壁導坑法或雙側(cè)壁導坑或CRD法等開挖方式。

4? 隧道開挖方式的選擇

由于梅花隧道工程地質(zhì)條件較復雜，一座隧道內(nèi)存在不同的圍巖等級，且同一圍巖等級，其地質(zhì)條件也存在差異，隧道開挖時，需要根據(jù)隧道圍巖類別、地質(zhì)構(gòu)造特征、地下水條件及周邊環(huán)境等選擇相應(yīng)的施工方法。下面從洞口段和洞身段分別進行分析。

4.1 洞口段

洞口段覆蓋層薄，圍巖地質(zhì)條件差，且圍巖地質(zhì)變化強烈，周邊環(huán)境復雜，為保證施工安全，是整個隧道施工地質(zhì)條件最差的段落，按照設(shè)計文件屬IV～V級圍巖，進洞前需要采取超前支護措施，洞口邊坡需采用噴射混凝土護坡，洞內(nèi)采用CRD法開挖法。

4.2 洞身段

隧道內(nèi)主要為IV～V級圍巖，可根據(jù)掌子面揭示地質(zhì)情況采用臺階法、CRD法、雙側(cè)壁導坑法施工，具體選擇和優(yōu)化如表3。在地質(zhì)及水文條件較好且能保證施工安全的情況下，結(jié)合隧道實際情況也可采用其他可靠的施工工藝進行施工。

在隧道開挖過程中，需要加強監(jiān)控量測，做到勤量測，并及時反饋監(jiān)測成果，施工中根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整開挖參數(shù)，必要時需結(jié)合隧道地質(zhì)條件變化調(diào)整開挖方式，保證施工安全。

5? 結(jié)論

①隧道開挖方式對隧道圍巖的應(yīng)力分布和變形影響較大，需要根據(jù)隧道圍巖類別、地質(zhì)構(gòu)造特征、地下水條件及周邊環(huán)境等選擇相應(yīng)的施工方法。

②單側(cè)壁導坑開挖法對應(yīng)的圍巖應(yīng)力最大，全斷面開挖方法次之，上下臺階開挖方法對應(yīng)的拱頂圍巖應(yīng)力最小。但全斷面開挖方法單步施工卸荷大，當圍巖軟弱時，過大的變形導致隧道失穩(wěn)破壞。

③采用全斷面開挖法、單側(cè)壁導坑開挖法時，隧道拱頂區(qū)域會產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，對于實際工程應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)條件及時支護，對于圍巖條件差，應(yīng)采取超前支護措施對拱頂圍巖進行加固，防止圍巖出現(xiàn)拉裂破壞。

④采用全斷面開挖對應(yīng)的高應(yīng)力區(qū)位于拱腰圍巖開挖邊界處，而采用臺階開挖法，對應(yīng)的拱腰圍巖高應(yīng)力區(qū)與開挖邊界有一定距離。因此，對于隧道工程地質(zhì)條件差、地質(zhì)構(gòu)造復雜或異型斷面時，應(yīng)盡量采用上下臺階法或CRD法進行隧道開挖，避免圍巖因應(yīng)力過大而失穩(wěn)破壞。

參考文獻：

[1]廖軍，楊萬霞.公路隧道開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2010（011）：173-176.

[2]管新邦.不同開挖方法對公路隧道圍巖穩(wěn)定影響分析[J].公路工程，2018，43（06）：193-197.

[3]張燕清.開挖方法對隧道圍巖應(yīng)力的影響分析[J].南京工程學院學報（自然科學版），2017（01）：72-77.