海滄疏港通道IV、V級(jí)圍巖特大斷面支護(hù)方案的變形特征有限元分析

甘港璐，張文龍，吳其泰，趙羚子

（福建巖土工程勘察研究院有限公司上海福巖工程勘察分公司，上海 200000）

目前特大斷面隧道工程在國(guó)內(nèi)外建成并投入使用的例子并不多，該類(lèi)工程結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)、施工的綜合難度大。隧道分步開(kāi)挖工序多且相互影響，圍巖應(yīng)力變化情況復(fù)雜[1]。通過(guò)數(shù)值分析研究超大隧道、超大斷面隧道及復(fù)雜環(huán)境與特殊地質(zhì)條件下的隧道修建技術(shù)日益成為隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的主要研究方向。吳張中等[2]結(jié)合深圳橫龍山隧道工程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了單次擴(kuò)挖寬度力學(xué)特征；霍衛(wèi)華[3]采用ANSYS模擬了大梅沙隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，研究了應(yīng)力集中和卸荷效應(yīng)引起拱頂和地表的大幅度沉降；葉均華等[4]分析了大跨度地下工程錨噴支護(hù)的塑性區(qū)分布。但是對(duì)IV、V級(jí)圍巖等級(jí)下的特大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖支護(hù)、圍巖變形的研究仍處于經(jīng)驗(yàn)累積階段，需要不斷補(bǔ)充和完善。文章結(jié)合海滄疏港通道特大斷面隧道的開(kāi)挖支護(hù)工程，通過(guò)數(shù)值分析研究特大斷面IV、V級(jí)圍巖下支護(hù)的內(nèi)力、變形情況，確定較為合理的支護(hù)方案，為相近工程方案設(shè)計(jì)提供參考與技術(shù)積累。

1 工程概況

擬建的海滄疏港通道工程特大斷面隧道內(nèi)空最大凈跨達(dá)28.00m，最大開(kāi)挖跨度達(dá)30.52m，為國(guó)內(nèi)外已建或在建隧道斷面最大跨度隧道。國(guó)內(nèi)主要大跨度隧道如表1所示[5-6]。

表1 國(guó)內(nèi)主要大跨度隧道

根據(jù)勘察數(shù)據(jù)與地質(zhì)分析，隧道大跨度段穿過(guò)山體較差的節(jié)理裂隙發(fā)育帶處，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，支護(hù)開(kāi)挖過(guò)程中遇到的周邊圍巖級(jí)別及圍巖破碎情況如表2所示。初步設(shè)計(jì)通過(guò)Midas GTS NX有限元軟件對(duì)隧道與巖體建模，研究?jī)煞N建議的支護(hù)方案：?jiǎn)纬踔щp二襯（300mm的初期襯砌支護(hù)與兩道厚度500mm的二次襯砌）、雙初支單二襯（300mm、200mm的初期襯砌支護(hù)與厚度800mm的二次襯砌）。根據(jù)在復(fù)雜圍巖條件下的支護(hù)體系的變形情況與安全性，確定在不同圍巖等級(jí)下的最優(yōu)支護(hù)方案。

表2 各組圍巖參數(shù)表

2 數(shù)值建模

大斷面施工段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖，海滄疏港隧道最大斷面設(shè)計(jì)施工步序如圖1所示。施工的步序：進(jìn)行超前支護(hù)，開(kāi)挖左①土體，施作初期支護(hù)和臨時(shí)支撐；開(kāi)挖左②土體，施作初期支護(hù)和臨時(shí)支撐；待兩側(cè)導(dǎo)坑貫通后，開(kāi)挖上部核心土⑤，施作初期支護(hù)和內(nèi)撐；開(kāi)挖及支護(hù)⑥和⑦土體；隧道開(kāi)挖完成后施作仰拱和兩側(cè)直墻；最后施作二次襯砌。兩種支護(hù)方案主要區(qū)別為襯砌屬性的不同（如表3所示）。

圖1 海滄疏港隧道最大斷面設(shè)計(jì)施工步序圖

表3 支護(hù)參數(shù)表

結(jié)合施工開(kāi)挖步驟，建立對(duì)應(yīng)的隧道模型如圖2所示。土體模型為210m×200m，共計(jì)329796個(gè)單元，約束模型四周水平位移，模型底部固定約束，上部自由。計(jì)算時(shí)圍巖按彈塑性材料考慮，選擇摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，上覆土體為全風(fēng)化花崗巖（彈性模量E=0.5GPa，泊松比為0.28，容重為17kN/m3，黏聚力c=0.005MPa，摩擦角為28°），各組中風(fēng)化花崗巖的參數(shù)如表2所示，隧道長(zhǎng)40m。每次開(kāi)挖進(jìn)尺取5m，共分為8段。襯砌按完全彈性材料考慮，支護(hù)參數(shù)如表3所示?？紤]網(wǎng)格耦合準(zhǔn)確，對(duì)有型鋼的初襯和二襯采用“代換剛架法”，在計(jì)算過(guò)程中將其彈性模量折算到噴射混凝土中[7]。

圖2 土體和隧道FC5段網(wǎng)格劃分圖

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 隧道圍巖變形分析

第一段進(jìn)尺各工況的拱頂沉降量如圖3所示。取IV級(jí)圍巖中1號(hào)和V級(jí)圍巖中4號(hào)的第一環(huán)進(jìn)尺的各工況的計(jì)算結(jié)果記錄如圖3（a）所示，可以觀察到由于開(kāi)挖土塊后破壞了原本的圍巖環(huán)境，拱頂?shù)某两盗吭陂_(kāi)挖工況進(jìn)行到中導(dǎo)坑上部開(kāi)挖時(shí)顯著增大，這是由于上導(dǎo)坑的土體開(kāi)挖后，隧道斷面拱頂與拱底不再由巖體連接，圍巖壓力逐漸轉(zhuǎn)為由結(jié)構(gòu)支護(hù)體系承擔(dān)。各工況下拱頂?shù)淖冃瘟恳?guī)律和量級(jí)與類(lèi)似項(xiàng)目接近，表明數(shù)值模擬能較好地反映實(shí)際中隧道開(kāi)挖的圍巖的變形特征[5-8]。

在IV級(jí)圍巖中，兩種支護(hù)方式在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖的變形控制效果基本一致；而在V級(jí)圍巖中，單初支雙二襯的支護(hù)方式拆撐后的拱頂沉降量小于雙初支單二襯的，說(shuō)明支護(hù)體系厚度相近的二次襯砌方案可以有效控制拱頂沉降變形，發(fā)揮較好的支護(hù)作用。在拆撐階段拱頂沉降量均有一定增加。

V級(jí)圍巖和V級(jí)圍巖不同支護(hù)時(shí)隧道最終變形量如圖3（b）所示，通過(guò)橫向?qū)Ρ炔煌瑖鷰r下不同支護(hù)方式的隧道大斷面段施工完成后圍巖拱頂與拱底的最終變形量可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍巖等級(jí)的增加，巖體的完整性降低，圍巖的承載力減小，支護(hù)體系的變形增加。并且還可以觀察到，不同圍巖級(jí)別下雙初支單二襯隧道變形量均比單初支雙二襯大，特別在V級(jí)圍巖環(huán)境下，雙初支單二襯的支護(hù)方式下拱底隆起量最大達(dá)到了40mm，遠(yuǎn)大于單初支雙二襯方式，故單初支雙二襯的支護(hù)體系較雙初支單二襯的支護(hù)體系在施工中控制圍巖的變形的效果上較顯著。

圖3 第一段進(jìn)尺各工況的拱頂沉降量

3.2 支護(hù)內(nèi)力安全性分析

初襯主要承受?chē)鷰r壓力，二襯作為安全儲(chǔ)備或承受少量圍巖壓力，為確保施工中的工程安全，應(yīng)對(duì)初襯圍巖安全系數(shù)提出一定要求，即初襯后圍巖安全度不小于1.15～1.2。特大斷面隧道在安裝臨時(shí)內(nèi)撐進(jìn)行第一道襯砌施工時(shí)，結(jié)構(gòu)的支護(hù)受力體系變化顯著，這也是支護(hù)體系較為危險(xiǎn)的情形，因此以施工第一道初支和拆卸內(nèi)撐的工況作為分析對(duì)象。

IV、V級(jí)圍巖情形下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力安全系數(shù)如圖4所示。通過(guò)計(jì)算臨時(shí)支撐及初期支護(hù)的抗彎極限承載力和軸心抗壓極限承載力，并與數(shù)值模擬得到的最大彎矩及軸力作比值，得到在IV、V級(jí)圍巖參數(shù)情況下，不同支護(hù)方式的臨時(shí)支撐和第一道襯砌時(shí)內(nèi)力彎矩的安全系數(shù)，如表4所示。由圖4可知，兩種工況下的支護(hù)體系的內(nèi)力安全系數(shù)隨著圍巖等級(jí)增大而減小，單初支雙二襯的方案均比雙初支單二襯的安全系數(shù)高。在圍巖等級(jí)較低的環(huán)境下兩種支護(hù)方式均滿足安全度要求，第一道初支工況中，IV級(jí)圍巖與V級(jí)圍巖相比，彎矩的安全系數(shù)相差了1倍，但在第五組的V級(jí)圍巖環(huán)境下雙初支單二襯的方式中，臨時(shí)支撐工況和第一道初支工況的彎矩均較大，安全系數(shù)偏小。

表4 拆撐前支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和安全系數(shù)計(jì)算表

圖4 IV、V級(jí)圍巖情形下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力安全系數(shù)

4 結(jié)論

（1）通過(guò)有限元分析特大斷面的兩種支護(hù)方案，并對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果與已記載的特大斷面案例可知，量級(jí)相當(dāng)，變形與內(nèi)力符合規(guī)律，表明數(shù)值分析模型合理。

（2）在各開(kāi)挖工況下IV級(jí)圍巖中的兩種支護(hù)方式安全系數(shù)均滿足要求，圍巖安全系數(shù)均遠(yuǎn)大于圍巖安全度要求；而在V級(jí)圍巖下建議采用單初支雙二襯的支護(hù)方案，這樣才能較好地滿足施工安全要求。

（3）海滄隧道特大斷面的支護(hù)方案可為類(lèi)似工程項(xiàng)目提供IV、V級(jí)別圍巖環(huán)境下隧洞穩(wěn)定性、圍巖洞周位移判據(jù)和圍巖安全系數(shù)參考。