高速公路軟巖隧道開挖穩(wěn)定性數(shù)值分析

■張清帥

（廣西路建工程集團有限公司，南寧 530001）

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進度的不斷加快，越來越多的高速公路開工建設(shè)，高速公路建設(shè)過程中不可避免的穿越山川，修建過山隧道。 在我國一些山區(qū)，巖體較為松散，這給隧道施工帶來了挑戰(zhàn)。

針對軟巖隧道開挖穩(wěn)定性問題，諸多學者開展了深入探討，韋秉旭、袁健等[1-2]通過數(shù)值方法研究了山嶺隧道CRD 和臺階開挖方法之間的異同，并從施工過程中隧道沉降、應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)展等方面出發(fā)，探究了二者開挖之間的優(yōu)劣；邵珠山、郄英華等[3-4]基于現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)和數(shù)值方法，研究了軟巖速調(diào)開挖過程的位移變化規(guī)律，成果為下階段的隧道施工提供了有利建議；劉漢紅、任兆丹等[5-6]通過數(shù)值模擬方法對比分析了不同開挖方法下隧道圍巖穩(wěn)定性問題，研究結(jié)果認為采用三臺階法以及雙側(cè)壁導坑法的變形控制效果更優(yōu)。 李沿宗、杜雁鵬等[7-8]則研究了隧道支護方式對隧道開挖穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)研究結(jié)論對該工程的支護參數(shù)進行了優(yōu)化。本文以廣西某高速公路軟巖隧道施工為例，通過采用大型有限差分軟件FLAC3D 建立數(shù)值分析模型，對采用三臺階預留核心土開挖過程中不同支護階段的隧道位移進行了監(jiān)測，并重點研究埋深對隧道位移的影響，研究結(jié)果可為公路軟巖隧道的設(shè)計與施工提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

1 工程簡介

廣西某高速公路隧道工程，隧址區(qū)地形起伏較大， 地勢陡峭， 部分基巖裸露， 隧道埋深在26.3～64.1 m。 隧道圍巖主要以砂巖為主，圍巖裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)較松散，圍巖自穩(wěn)性較差，以V 級圍巖為主。隧道設(shè)計斷面采用多圓心弧組成， 斷面最大寬度為11.4 m，最大高度為7.3 m。 隧道設(shè)計開挖方法為三臺階預留核心土開挖方法，具體開挖順序為上臺階開挖、上臺階初支、中臺階開挖、中臺階初支、下臺階開挖、下臺階初支、核心土開挖以及核心土初支等，隧道斷面及開挖流程如圖1 所示。

圖1 隧道斷面示意圖

2 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)隧道典型斷面情況，采用有限元軟件構(gòu)建三維數(shù)值模型，如圖2 所示。 隧道數(shù)值模型尺寸按實際大小和形狀建立，考慮到隧道的大小以及開挖影響范圍，模型長、寬分別取100 m 和20 m，高度80 m；模型上邊界外未約束，其他邊界均進行位移和邊界約束， 分別對隧道埋深30 m、60 m 和90 m進行分析。 按照設(shè)計資料，隧道支護依次采用鋼拱架、噴射混凝土（厚度25 cm）、二次襯砌（厚度40 cm）。 圍巖采用實體單元，襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，V 級圍巖采用摩爾庫倫本構(gòu)模型；整個模型的網(wǎng)格數(shù)為13268 個。

圖2 數(shù)值模型圖

為了便于計算， 通常需要對材料參數(shù)進行簡化，本文將鋼拱架、鋼筋等彈性模量均等效折算在混凝土上：

式（1）中：E 和E0分別為折算后和折算前的混凝土彈性模量，Eg為鋼拱架的彈性模量，Sc為混凝土截面面積，Sg為鋼拱架橫截面面積。

圍巖基本物理力學計算參數(shù)見表1， 噴砼和二襯的力學參數(shù)見表2。

表1 土體的物理力學參數(shù)

表2 噴砼、二襯力學參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果與分析

3.1 隧道開挖過程圍巖豎向位移變化規(guī)律

不同臺階開挖支護后的隧道及圍巖的豎向位移變化規(guī)律如圖3 所示， 以隧道埋深30 m 為例進行分析。 由圖3 可知，隧道開挖過程中拱頂沉降最大，拱底發(fā)生不同程度的隆起，上臺階、中臺階以及下臺階初支后的拱頂位移分別為7.72 mm、9.14 mm、10.06 mm。 全部初期開挖支護后的豎向位移如圖4 所示，拱頂位移為11.38 mm，各階段沉降均在控制范圍內(nèi)。

圖3 不同臺階開挖支護后的豎向位移云圖

圖4 全部初期開挖支護后的豎向位移云圖

3.2 開挖過程中隧道位移監(jiān)測分析

不同隧道埋深時各開挖階段隧道拱頂豎向位移及拱腰水平收斂位移變化結(jié)果如圖5 所示。

（1）根據(jù)圖5（a），當隧道埋深為30 m 時，上臺階初支完成后以及中臺階、下臺階、全部初支完成后的豎向位移分別為7.72 mm、9.14 mm、10.06 mm和11.38 mm，由此，上臺階初支、中臺階初支、下臺階和核心土初支過程中豎向位移產(chǎn)生量分別占豎向位移總量的67.84%、12.48%、8.08%和11.60%。對應(yīng)的，上臺階初支完成后以及中臺階、下臺階、全部初支完成后的水平位移分別為5.96 mm、8.94 mm、9.92 mm 和10.32 mm，由此，上臺階初支、中臺階初支、下臺階初支和核心土初支過程中水平位移產(chǎn)生量分別占水平位移總量的57.75%、28.86%、9.88%和3.87%。 因此，當隧道埋深為30 m 時，上臺階開挖過程中產(chǎn)生的位移最大， 其次是中臺階開挖，二者位移量之和約占總沉降量的80.3%。

（2）根據(jù)圖5（b），當隧道埋深為60 m 時，上臺階初支完成后以及中臺階、下臺階、全部初支完成后的豎向位移分別為11.19 mm、13.36 mm、15.14 mm和16.68 mm，由此，上臺階初支、中臺階初支、下臺階和核心土初支過程中豎向位移產(chǎn)生量分別占豎向位移總量的67.09%、13.01%、10.67%和9.23%。對應(yīng)的，上臺階初支完成后以及中臺階、下臺階、全部初支完成后的水平位移分別為8.01 mm、13.07 mm、16.05 mm 和16.28 mm，由此，上臺階初支、中臺階初支、下臺階初支和核心土初支過程中水平位移產(chǎn)生量分別占水平位移總量的49.20%、31.08%、18.30%和1.41%。因此，當隧道埋深為60 m時，上臺階開挖過程中產(chǎn)生的位移最大，其次是中臺階開挖， 二者位移量之和約占總沉降量的80.4%。

（3）根據(jù)圖5（c），當隧道埋深為90 m 時，上臺階初支完成后以及中臺階、下臺階、全部初支完成后的豎向位移分別為 14.16 mm、16.38 mm、18.25 mm 和20.63 mm，由此，上臺階初支、中臺階初支、下臺階和核心土初支過程中豎向位移產(chǎn)生量分別占豎向位移總量的68.64%、10.76%、9.06%和11.54%。對應(yīng)的，上臺階初支完成后以及中臺階、下臺階、全部初支完成后的水平位移分別為9.98 mm、16.72 mm、19.26 mm 和21.01 mm，由此，上臺階初支、中臺階初支、下臺階初支和核心土初支過程中水平位移產(chǎn)生量分別占水平位移總量的47.50%、32.08%、12.09%和8.33%。因此，當隧道埋深為90 m時，上臺階開挖過程中產(chǎn)生的位移最大，其次是中臺階開挖，二者位移量之和約占總沉降量的79.6%。

圖5 不同隧道埋深時各開挖階段位移對比

3.3 隧道埋深對位移影響分析

隧道埋深對位移影響曲線如圖6 所示， 由圖6（a）可知，隨著隧道埋深的增大，各階段的隧道豎向沉降均增大，全部開挖完成之護完成后對應(yīng)隧道埋深30 m、60 m 和90 m 時的豎向位移依次為11.38 mm、16.68 mm 和20.63 mm，相比于隧道埋深30 m 時， 隧道埋深60 m 和90 m 時的豎向位移分別增大了46.6%和81.3%。 由圖6（b）可知，隨著隧道埋深的增大， 各階段的隧道水平位移均增大，全部開挖完成之護完成后對應(yīng)隧道埋深30 m、60 m和90 m 時的水平位移依次為10.32 mm、16.28 mm和21.01 mm， 相比于隧道埋深30 m 時， 隧道埋深60 m 和90 m 時的水平位移分別增大了57.8%和103.6%，值得注意的是，核心土開挖對隧道水平位移影響較小。

圖6 隧道埋深對位移影響曲線

4 結(jié)論

本文以某高速公路軟巖隧道施工為例，通過采用大型有限差分軟件FLAC3D 建立數(shù)值分析模型，對采用三臺階預留核心土開挖過程中不同支護階段的隧道位移進行了監(jiān)測，并重點分析隧道不同埋深對其位移的影響，得到以下結(jié)論：

（1）隧道開挖過程中拱頂沉降最大，隧道埋深30 m 時上臺階、中臺階、下臺階以及全部初支完成后的拱頂位移分別為7.72 mm、9.14 mm、10.06 mm和11.38 mm，各階段沉降均在控制范圍內(nèi)。

（2）隧道開挖過程中，上臺階開挖過程中產(chǎn)生的位移最大，其次是中臺階開挖，隧道埋深30～60 m范圍內(nèi)時，二者位移量之和約占總沉降量的80%。

（3）隨著隧道埋深的增大，各階段的隧道豎向沉降均增大，相比于隧道埋深30 m 時，隧道埋深60 m和90 m 時的豎向位移分別增大了46.6%和81.3%。

（4）隨著隧道埋深的增大，各階段的隧道水平位移均增大，相比于隧道埋深30 m 時，隧道埋深60 m和90 m 時的水平位移分別增大了57.8%和103.6%，其中核心土開挖對隧道水平位移影響較小。