基于強(qiáng)度折減法的隧道單側(cè)擴(kuò)挖圍巖穩(wěn)定性分析

張?jiān)诔?，?藝，李家盛，沈雅雯，杜子文

（中國建筑第四工程局有限公司 廣州510665）

0 引言

近年來，城郊、城際之間互聯(lián)互通的需求增長迅猛，致使20 世紀(jì)80、90 年代以兩車道為主的隧道工程已無法滿足通行需求。受限于既有線路線型及地形地質(zhì)條件，且在統(tǒng)籌考慮節(jié)約造價(jià)、縮短工期等因素后，對(duì)既有隧道進(jìn)行改擴(kuò)建越來越受到國內(nèi)外工程界的青睞。隧道原位擴(kuò)挖一般可分為單側(cè)、兩側(cè)和周邊擴(kuò)挖等3 種方式［1］。目前最為常見的是單側(cè)擴(kuò)挖，如渝洲隧道［2］、金雞山隧道［3］等。

較之于新建隧道，單側(cè)擴(kuò)挖隧道既涉及既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拆除，又需考慮土方開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施作等工序，不同工序間相互影響大，且施工時(shí)往往需要兼顧既有線路運(yùn)營通車的需求，施工條件苛刻，確保施工過程中的圍巖穩(wěn)定難度大。而現(xiàn)有針對(duì)于隧道單側(cè)擴(kuò)挖的研究主要集中在擴(kuò)挖施工方案對(duì)比、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、圍巖變形及力學(xué)響應(yīng)分析［1～5］等方面，對(duì)于隧道擴(kuò)挖安全性進(jìn)行分析及定量評(píng)價(jià)則鮮有提及。因此，本文依托于國內(nèi)典型的某隧道原位2擴(kuò)4隧道工程實(shí)踐，結(jié)合強(qiáng)度折減法針對(duì)不同支護(hù)條件下各施工工序的安全性進(jìn)行分析，基于計(jì)算結(jié)果找出隧道擴(kuò)挖施工的關(guān)鍵控制工序，以便更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

1 工程概況

廈門某隧道是國內(nèi)第一條由既有2車道隧道原位擴(kuò)挖為4 車道的超大跨徑隧道［5］，隧道扁平率0.626，V 級(jí)圍巖段開挖跨度達(dá)22 m，隧道斷面最大開挖面積約250 m2，其隧道洞室群布置如圖1 所示。目前已完成改擴(kuò)建施工并已通車數(shù)年，運(yùn)營情況良好。更為詳細(xì)的工程概況已見諸于多篇文獻(xiàn)［5-6］，本文不再贅述。

圖1 某隧道平面布置Fig.1 Plane Layout of a Tunnel（m）

由于隧道擴(kuò)建后跨度極大、各工序施工時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力機(jī)理復(fù)雜，極易導(dǎo)致掌子面及周邊圍巖失穩(wěn)、襯砌開裂等不良情況。在實(shí)際施工過程中，該隧道軟弱圍巖段主要采用了CD工法進(jìn)行施工，主要分為4個(gè)主要工序（左上導(dǎo)坑→左下導(dǎo)坑→右上導(dǎo)坑→右下導(dǎo)坑）進(jìn)行擴(kuò)挖。以擴(kuò)挖隧道V 級(jí)圍巖段為例，其主要開挖工序如圖2所示。

圖2 Ⅴ級(jí)圍巖開挖工序Fig.2 The Excavation Procedures of Grade ⅤSurrounding Rock

2 數(shù)值模型與正確性驗(yàn)證

取該隧道的ZK459+605 典型斷面為研究對(duì)象，建立二維數(shù)值計(jì)算模型。為便于研究隧道擴(kuò)挖在不同條件下的適用性，建立數(shù)值模型時(shí)不考慮既有左側(cè)隧道，僅建立2 擴(kuò)4 隧道。為減小邊界效應(yīng)對(duì)于分析計(jì)算結(jié)果的不利影響，模型在隧道開挖范圍外進(jìn)行一定的延伸，建立的整體有限元計(jì)算模型尺寸為120 m×70 m（X×Y）。模型左、右側(cè)施加水平位移約束，底部施加水平及豎向位移約束。錨桿、噴混及臨時(shí)支撐均按彈性本構(gòu)考慮。其中，錨桿采用桁架單元模擬，截面為φ 25 mm，布置間距為0.7 m；噴混采用梁單元模擬，厚度為350 mm；圍巖按摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)考慮，以平面應(yīng)變單元模擬。結(jié)合文獻(xiàn)及規(guī)范的參數(shù)建議值，擬定圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示，建立的數(shù)值模型如圖3所示。

表1 圍巖物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)Tab.1 The Mechanics Parameters of Surrounding Rock and Primary Lining

圖3 有限元模型示意圖Fig.3 Schematic Diagram of FEM Model

施工階段的模擬按“單元生死”方式對(duì)隧道擴(kuò)挖實(shí)際施工過程進(jìn)行模型概化，對(duì)應(yīng)的主要模擬工序?yàn)椋孩俪跏紤?yīng)力場分析；②既有隧道施工（反映既有隧道施工過程的應(yīng)力重分布影響，并進(jìn)行位移場清零）；③既有隧道上部襯砌拆除、左上導(dǎo)坑土方開挖，噴射混凝土及左上導(dǎo)坑錨桿施作；④既有隧道下部襯砌拆除、左下導(dǎo)坑土方開挖，噴射混凝土及左下導(dǎo)坑錨桿施作；⑤右上導(dǎo)坑土方開挖，噴射混凝土及右上導(dǎo)坑錨桿施作；⑥右下導(dǎo)坑土方開挖，噴射混凝土及右下導(dǎo)坑錨桿施作；⑦臨時(shí)支撐拆除。

隧道施工完成階段的豎向變形如表2所示，由表2可知：當(dāng)臨時(shí)支撐拆除完成后，拱頂沉降變形的模擬結(jié)果為7.35 mm。3 個(gè)典型斷面的拱頂沉降實(shí)測歷程曲線如圖4 所示。其中，ZK459+605 斷面的最大累計(jì)沉降量為8.0 mm。

表2 各主要施工階段隧道豎向變形Tab.2 Vertical Deformation of Main Construction Stage

圖4 典型斷面拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.4 Monitoring Data of Typical Section

由上述計(jì)算結(jié)果可知：在不考慮空間效應(yīng)的情況下，數(shù)值計(jì)算模型得到的模擬值略小于實(shí)測值，其相對(duì)誤差值為9.0%。因此，采用本節(jié)所述模型作為后續(xù)安全性分析的基準(zhǔn)是可行的。

3 基于強(qiáng)度折減法的隧道單側(cè)擴(kuò)挖安全性分析

3.1 強(qiáng)度折減法及破壞判據(jù)

強(qiáng)度折減法最初由Zienkiewicz 提出，目前廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外邊坡工程實(shí)踐中［7-8］。其計(jì)算原理是對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c 及tanφ 值不斷進(jìn)行折減，直至圍巖達(dá)到極限破壞狀態(tài)。具體的計(jì)算公式如下：

式中：c、c'分別為初始及參數(shù)折減后的粘聚力；φ、φ '分別為初始及參數(shù)折減后的內(nèi)摩擦角；R為折減系數(shù)，初始值為1.0，計(jì)算過程中需不斷進(jìn)行迭代，當(dāng)達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)的折減值即為對(duì)應(yīng)工況的計(jì)算安全系數(shù)。

根據(jù)邊坡工程的強(qiáng)度折減法失穩(wěn)破壞判據(jù)［7-8］，主要可為以下3 類：①處于極限狀態(tài)下的關(guān)鍵點(diǎn)或特征點(diǎn)的位移及應(yīng)力發(fā)生明顯突變；②有限元計(jì)算以位移及內(nèi)力作為收斂判據(jù)，且計(jì)算最終不收斂；③產(chǎn)生剪切應(yīng)變塑性貫通區(qū)。在隧道工程中，塑性區(qū)貫通并非意味著襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，其與常規(guī)邊坡工程破壞形式不盡相同，且計(jì)算中仍需結(jié)合位移及應(yīng)力結(jié)果，故應(yīng)綜合考慮上述3 類判據(jù)［9］。因此，在本節(jié)數(shù)值計(jì)算過程中，以判據(jù)②作為計(jì)算前的依據(jù)，以計(jì)算后得到的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)結(jié)果作為綜合判斷的標(biāo)準(zhǔn)。最后，以此結(jié)果為隧道的計(jì)算安全系數(shù)。

3.2 單側(cè)擴(kuò)挖不同施工工序圍巖破壞形態(tài)對(duì)比

為便于分析不同支護(hù)條件對(duì)于隧道整體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)程度。建立無支護(hù)、僅噴混支護(hù)、噴混+臨時(shí)支撐+錨桿支護(hù)等3 種工況下的隧道模型，對(duì)單洞隧道擴(kuò)挖各施工工序的圍巖破壞形態(tài)進(jìn)行分析。

3.2.1 無支護(hù)條件

無支護(hù)下隧道不同施工工序的剪切破壞云圖由圖5所示，表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：

⑴既有隧道上部襯砌拆除及左上導(dǎo)坑開挖時(shí)，隧道左側(cè)圍巖剪切應(yīng)變在拱腰位置處最大，逐步向上發(fā)展，整體呈環(huán)抱狀；而隧道右側(cè)由于未考慮任何支護(hù)，已由拱腰向拱頂延伸形成明顯的剪切應(yīng)變貫通區(qū)（為便于識(shí)別，圖5 中采用紅色曲線標(biāo)識(shí)）。既有隧道下部襯砌拆除及左下導(dǎo)坑開挖時(shí)，隧道左、右側(cè)圍巖剪切應(yīng)變貫通區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，由拱腳向拱頂方向延伸貫通。

⑵右上及右下導(dǎo)坑開挖時(shí)，隧道左側(cè)圍巖剪切應(yīng)變塑性區(qū)范圍無明顯變化，隧道右側(cè)圍巖的塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)右下導(dǎo)坑開挖完成時(shí)，隧道左、右側(cè)剪切應(yīng)變貫通區(qū)基本呈對(duì)稱布置。

圖5 無支護(hù)下隧道不同施工工序的剪切破壞云圖Fig.5 Cloud Map of Shear Failure in Different Construction Procedures of Tunnel without Support

3.2.2 不同支護(hù)條件

由僅噴射支護(hù)（見圖6）及噴混+臨時(shí)支撐+錨桿支護(hù)（見圖7）剪切破壞云圖可知：

⑴由于施加支護(hù)結(jié)構(gòu)工況均考慮了荷載釋放系數(shù)的影響，故左上導(dǎo)坑開挖時(shí)其整體剪切破壞形式與無支護(hù)時(shí)相同，均表現(xiàn)為右側(cè)局部圍巖的剪切應(yīng)變區(qū)貫通。

⑵當(dāng)進(jìn)行左下、右上、右下導(dǎo)坑施工過程中，不同支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)塑性區(qū)分布有明顯影響。對(duì)比圖5?及圖6?，在考慮噴混情況下拱腳塑性區(qū)分布范圍收窄，且由于右側(cè)導(dǎo)坑開挖面積大，對(duì)應(yīng)塑性應(yīng)變最大值分布于右側(cè)圍巖；對(duì)比圖6?及圖7?，當(dāng)增設(shè)錨桿后，對(duì)應(yīng)錨桿分布區(qū)內(nèi)的剪切應(yīng)變分布得到明顯控制，可見系統(tǒng)錨桿均勻分布對(duì)于卸載擾動(dòng)區(qū)內(nèi)的巖土體起到了較好的加固效果。

圖6 僅噴混支護(hù)下隧道不同施工工序的剪切破壞云圖Fig.6 Clouds Map of Shear Failure in Different Construction Procedures of Tunnels under Only Shotcrete Support

圖7 噴混+臨支+錨桿支護(hù)下隧道不同施工工序的剪切破壞云圖Fig.7 Cloud Map of Shear Failure in Different Construction Procedures of the Tunnel under the Protection of Sprayed Concrete + Adjacent Support + Bolt Support

3.3 單側(cè)擴(kuò)挖不同施工工序圍巖計(jì)算安全系數(shù)對(duì)比

對(duì)應(yīng)工況計(jì)算安全系數(shù)結(jié)果如表3 所示，綜合數(shù)值分析無法考慮的現(xiàn)場不利因素，以安全系數(shù)≥1.3 為圍巖穩(wěn)定的判定條件［10］。

表3 計(jì)算安全系數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of Calculated Safety Factors

綜合圖5～圖7及表3可知：

⑴隨著開挖斷面區(qū)域的增大，對(duì)應(yīng)計(jì)算安全系數(shù)值呈逐步減小趨勢。采用較強(qiáng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)可對(duì)圍巖整體穩(wěn)定性起到一定的作用；對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖如不采用任何支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，則存在較大的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

⑵對(duì)于單側(cè)擴(kuò)挖隧道而言，右上導(dǎo)坑施工過程安全系數(shù)降低幅度最為明顯，開挖面積較大的導(dǎo)坑施工是最為關(guān)鍵的施工控制工序。

⑶左上導(dǎo)坑開挖，由于需要考慮既有隧道結(jié)構(gòu)拆除及局部土體開挖，工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜。當(dāng)有臨時(shí)支撐或其他支護(hù)時(shí)，應(yīng)及時(shí)支護(hù)、盡快形成閉合環(huán)支護(hù)，以更好地限制周邊土體變形，提高整體穩(wěn)定性。當(dāng)無臨時(shí)支撐或無法及時(shí)閉合成環(huán)時(shí)，尤其是土質(zhì)松軟、土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)較低時(shí)，極有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞。此時(shí)，應(yīng)依據(jù)掌子面及周邊圍巖的實(shí)際情況，考慮目前常用的鎖腳錨桿或注漿等形式進(jìn)行側(cè)向加固，對(duì)于此類局部失穩(wěn)情況能達(dá)到良好的控制。

4 結(jié)論

⑴應(yīng)用強(qiáng)度折減法分析隧道工程圍巖穩(wěn)定性，以位移、內(nèi)力作為計(jì)算前的約束條件，以計(jì)算后的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)結(jié)果作為計(jì)算后的復(fù)判條件，可較好地對(duì)隧道圍巖的安全性進(jìn)行定量預(yù)估。

⑵隧道剪切破壞圖形整體呈U 型環(huán)抱狀，具體表現(xiàn)為由拱腰逐步向拱頂延伸形成剪切應(yīng)變貫通區(qū)。相較于無支護(hù)工況，不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在對(duì)塑性分布范圍均有不同幅度的收窄。尤其是錨桿的增設(shè)可對(duì)布置范圍區(qū)內(nèi)的強(qiáng)卸荷擾動(dòng)區(qū)圍巖塑性區(qū)發(fā)展起到良好的控制。

⑶隧道圍巖計(jì)算安全系數(shù)隨著主要施工工序的進(jìn)行而逐步減小。右上導(dǎo)坑施工工序的安全系數(shù)降低幅度最為明顯，說明大面積開挖的導(dǎo)坑是最為關(guān)鍵的施工安全控制步序。

⑷對(duì)于類似擴(kuò)挖隧道工程軟弱圍巖段的既有隧道襯砌拆除及導(dǎo)坑施工，應(yīng)采取剛度較大的支護(hù)形式，并盡快形成閉合支護(hù)。