深埋高地應(yīng)力下隧道開(kāi)挖方式對(duì)比研究

廖保林

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

隨著我國(guó)交通建設(shè)的迅速發(fā)展，線路網(wǎng)愈發(fā)密集，中西部地區(qū)的鐵路不可避免需要穿越高山，隧道需要克服高地應(yīng)力的問(wèn)題[1]。在隧道建設(shè)過(guò)程中，需考慮經(jīng)濟(jì)性和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，比選不同的開(kāi)挖方式[2～3]。故需研究采用不同施工方式下隧道的變形和塑性區(qū)情況，以此評(píng)估深埋高地應(yīng)力下隧道施工更優(yōu)的開(kāi)挖方式。

1 工程概況

西南地區(qū)某擬建的高速鐵路工程，前期地勘報(bào)告揭示隧址區(qū)圍巖巖性主要為泥巖，屬軟質(zhì)巖類，最大埋深為150 m，屬于深埋隧道。據(jù)前期勘察隧道深孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，水平最大主應(yīng)力SH為4.4 MPa，水平最小主應(yīng)力Sh為3.3 MPa，垂直應(yīng)力Sv為5.5 MPa。試驗(yàn)表明，泥巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為4～5 MPa。最大主應(yīng)力方向與線路走向小角度相交。本工程將比選全斷面開(kāi)挖、臺(tái)階法開(kāi)挖、CRD法開(kāi)挖3種方式，以此選擇隧道合適的施工方式。

2 建立模型

本文采用有限差分軟件Flac3d進(jìn)行數(shù)值模擬，由于本工程埋深大，不便將模型從地面處建立，此處取模型高100 m，將地應(yīng)力通過(guò)面力的方式施加在模型邊界上，確定模型尺寸為100 m×100 m×50 m。其中初期支護(hù)采用shell單元，圍巖、二襯采用實(shí)體單元。CD法、CRD法開(kāi)挖順序如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型開(kāi)挖順序

3 圍巖及支護(hù)參數(shù)

初期支護(hù)為C30混凝土，二次襯砌為C40混凝土，隧址區(qū)所在的泥巖物理參數(shù)使用地勘報(bào)告給出的參數(shù)，具體物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 圍巖和支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

不同的開(kāi)挖方式對(duì)圍巖產(chǎn)生的影響程度不同，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也會(huì)有所差別，后續(xù)通過(guò)分析圍巖變形以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況來(lái)評(píng)價(jià)開(kāi)挖順序的合理性，位移分析基于對(duì)模型Y=30 m斷面處監(jiān)測(cè)。

4.1 豎向位移分析

對(duì)開(kāi)挖后的隧道拱頂、仰拱處變形進(jìn)行分析，可以體現(xiàn)隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖的影響。不同開(kāi)挖方式下開(kāi)挖過(guò)程中豎向位移變形曲線見(jiàn)圖 2。

圖2 不同開(kāi)挖方式豎向位移對(duì)比

圖 2中縱坐標(biāo)為豎向位移，橫坐標(biāo)為開(kāi)挖掌子面離監(jiān)測(cè)斷面距離，其中0 m處即為監(jiān)測(cè)斷面。由圖2可知，3種施工方法導(dǎo)致的圍巖變形豎向位移均符合“S”型曲線。全斷面法施工的變形量明顯大于另外2種開(kāi)挖方式；采用CRD法施工，拱頂和仰拱的變形量均最小，且在施工過(guò)程中能更好的控制圍巖的變形情況，在臨時(shí)支撐拆除后，圍巖會(huì)有個(gè)較小的突變，因此拆除臨時(shí)支撐時(shí)因規(guī)范操作，盡量減小變形，CRD方法施工下拱頂最終沉降為29.60 mm；仰拱最終隆起為27.92 mm。

4.2 水平位移分析

圖 3給出了施工過(guò)程中圍巖水平收斂的變化情況，由圖可知，變化過(guò)程可分為3個(gè)階段，階段一緩慢增加；階段二迅速增加，當(dāng)掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，水平收斂有一個(gè)突變的過(guò)程；階段三趨于穩(wěn)定階段。對(duì)比不同施工方式可知，CRD法能有效解決收斂突變的情況，整體變化過(guò)程趨于平緩，且水平收斂值最小，施工完成時(shí)，水平收斂值為3.71 mm。

圖3 不同開(kāi)挖方式水平位移對(duì)比

4.3 塑性區(qū)分析

隨著隧道的施工，圍巖可能發(fā)生剪切、拉伸破壞，產(chǎn)生塑性區(qū)，塑性區(qū)大小也是衡量隧道施工穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，不同開(kāi)挖方式下，施工完成時(shí)，塑性區(qū)情況見(jiàn)表2。

圖4～圖6給出了3種施工方式下的塑性區(qū)，由圖可知：塑性區(qū)主要出現(xiàn)在仰拱和左右邊墻處，CRD法施工一定程度上可以減小仰拱底部和邊墻處的塑性區(qū)。

圖4 CD法塑性區(qū)

由表2可知，隧道圍巖破壞的方式主要為剪切破壞，局部部位發(fā)生拉伸破壞，在高應(yīng)力作用下，巖體發(fā)生了剪切破壞。對(duì)比不同施工，CRD法施工產(chǎn)生的塑性區(qū)面積最小，可以更有效控制塑性區(qū)發(fā)展，減少圍巖擾動(dòng)，有利于隧道穩(wěn)定。

圖5 CRD法塑性區(qū)

圖6 全斷面法塑性區(qū)

表2 塑性區(qū)比較

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬分析不同開(kāi)挖方式對(duì)深埋高地應(yīng)力隧道的影響成都，可以得出結(jié)論：

(1)深埋高地應(yīng)力下隧道開(kāi)挖，圍巖產(chǎn)生的變形量相對(duì)更大，破壞形式以剪切破壞為主，應(yīng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)適當(dāng)加強(qiáng)。

(2)不同開(kāi)挖方式下，對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度為全斷面法>CD法>CRD法，CRD法施工下圍巖變形更平緩。

(3)通過(guò)比較圍巖變形和塑性區(qū)大小，本工程推薦采用CRD法施工。