馮玉坤

摘 要：大跨度山嶺隧道的開(kāi)挖穩(wěn)定性是事關(guān)公共交通安全建設(shè)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工條件下大跨度山嶺隧道的安全穩(wěn)定性，以四寨2#隧道為工程背景，采用FLAC3D研究了四寨2#隧道圍巖在不同開(kāi)挖分步下應(yīng)力、變形以及塑性區(qū)等的分布特征。研究結(jié)果表明：（1）隧道圍巖開(kāi)挖將引起隧道頂?shù)撞繃鷰r最大主應(yīng)力降低，導(dǎo)致其容易發(fā)生拉伸破壞；而兩側(cè)圍巖最大主應(yīng)力則升高，易發(fā)生剪切破壞；（2）兩導(dǎo)洞及其上方的圍巖開(kāi)挖對(duì)隧道周邊圍巖變形影響很小，而兩導(dǎo)洞之間圍巖的開(kāi)挖則對(duì)隧道周邊圍巖變形影響很大；（3）隧道開(kāi)挖完成后，隧道兩側(cè)圍巖塑性區(qū)范圍相對(duì)較小，但隧道拱部和底部則會(huì)在隧道對(duì)角線方向出現(xiàn)呈“蝴蝶形”分布的塑性區(qū)，該塑性區(qū)最大深度可達(dá)4-5m。

關(guān)鍵詞：大跨度；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；數(shù)值模擬；塑性區(qū)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.118

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通建設(shè)的快速發(fā)展，山嶺地區(qū)修建大跨度隧道的工程實(shí)例不斷增多[1-3]。這些大跨度隧道一方面由于埋深較淺，其圍巖受地表地質(zhì)構(gòu)造影響明顯，風(fēng)化程度大，巖性較差，在隧道開(kāi)挖擾動(dòng)影響下容易產(chǎn)生較大變形；另一方面由于跨度大，隧道斷面開(kāi)挖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)難以快速封閉成環(huán)；因此，其安全穩(wěn)定性問(wèn)題顯得尤為突出。

目前，大跨度隧道施工常用的開(kāi)挖方法有臺(tái)階法、環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法以及CRD法等[4-6]。為分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工條件下大跨度山嶺隧道的開(kāi)挖穩(wěn)定性，本文以四寨2#隧道為背景，通過(guò)采用FLAC3D軟件對(duì)其動(dòng)態(tài)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了隧道圍巖應(yīng)力、變形以及塑性區(qū)在不同開(kāi)挖時(shí)段下的分布特征，研究結(jié)果可為大跨度山嶺隧道的設(shè)計(jì)施工與穩(wěn)定性分析提供科學(xué)依據(jù)。

2 工程概況

四寨2#隧道為新建貴廣鐵路高風(fēng)險(xiǎn)隧道，位于貴州省從江縣境內(nèi)。隧道區(qū)地形復(fù)雜，屬山嶺地貌類型。隧道圍巖以強(qiáng)風(fēng)化剝蝕巖為主，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖。

3 大跨度山嶺隧道數(shù)值模型建立

3.1 數(shù)值計(jì)算條件

根據(jù)實(shí)際工程情況，數(shù)值模擬分析采用的Ⅳ級(jí)圍巖力學(xué)參數(shù)為：密度2700kg/m3；彈性模量24GPa，泊松比0.16，內(nèi)聚力1.9MPa，內(nèi)摩擦角為23.5°，初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，噴射混凝土厚度為250mm，錨桿長(zhǎng)度為5m，間距為1m；二次襯砌采用鋼筋混凝土支護(hù)，厚度為650mm。模擬時(shí)，圍巖采用實(shí)體單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)單元。

3.2 數(shù)值模擬模型

?、魢鷰r段的一個(gè)隧道斷面進(jìn)行開(kāi)挖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究，根據(jù)圣維南原理以及隧道內(nèi)圍巖的開(kāi)挖順序，建立大跨度山嶺隧道數(shù)值模擬模型如圖1所示。模型寬度和高度分別為92m和55m，總共劃分為30720個(gè)單元和46449個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型邊界條件采用頂部應(yīng)力邊界約束（頂部應(yīng)力約為2.0MPa），四周以及底部法向約束。隧道內(nèi)圍巖共分8步開(kāi)挖完成（見(jiàn)圖1），第1步開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)洞圍巖①，并進(jìn)行左導(dǎo)洞周邊的初期支護(hù)工作；第2步開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)洞②，同時(shí)進(jìn)行右導(dǎo)洞周邊的初期支護(hù)；第3步開(kāi)挖左導(dǎo)洞拱頂上方處的圍巖③，進(jìn)行其周邊的初期支護(hù)；第4步開(kāi)挖右導(dǎo)洞拱頂上方處的圍巖④及進(jìn)行其初期支護(hù)；第5步開(kāi)挖兩導(dǎo)洞之間隧道上斷面左側(cè)位置的圍巖⑤，進(jìn)行隧道頂部左側(cè)的初期支護(hù)工作；第6步開(kāi)挖兩導(dǎo)洞之間隧道上斷面右側(cè)位置的圍巖⑥，進(jìn)行隧道頂部右側(cè)初期支護(hù)工作；第7步開(kāi)挖兩導(dǎo)洞之間隧道中斷面圍巖⑦；第8步開(kāi)挖隧道底部圍巖⑧。當(dāng)隧道內(nèi)圍巖開(kāi)挖完成后，進(jìn)行第9步工作：拆除隧道內(nèi)所有初期臨時(shí)支護(hù)，進(jìn)行隧道防水以及二次襯砌整體澆筑。另外，為分析隧道周邊圍巖的變形狀況，在模型隧道頂部以及右側(cè)分別布置了測(cè)線A和測(cè)線B。

4 大跨度山嶺隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

4.1 隧道圍巖應(yīng)力分析

圖2給出了不同開(kāi)挖分步下隧道周邊巖體的最大主應(yīng)力分步云圖，由圖可知，不同開(kāi)挖分步下，隧道圍巖的開(kāi)挖都將導(dǎo)致隧道頂?shù)撞繃鷰r的最大主應(yīng)力降低，而兩側(cè)圍巖最大主應(yīng)力升高，且降低或升高的幅度是越靠近隧道表面越大；當(dāng)隧道開(kāi)挖完成后，隧道頂?shù)撞勘砻鎳鷰r最大主應(yīng)力約為1MPa，兩側(cè)墻底表面圍巖最大主應(yīng)力則達(dá)到8MPa。這意味著，隧道頂?shù)撞繃鷰r將有可能在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生拉伸破壞，導(dǎo)致初支和二襯承受較大的拉力和彎矩；而隧道兩側(cè)墻底部圍巖則承受較大的壓力和剪切力，容易剪切破壞。因此，為保證隧道安全穩(wěn)定，需在隧道開(kāi)挖過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)隧道拱頂、拱底以及兩側(cè)墻底部的支護(hù)，如加密錨桿或增加支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度。

4.2 隧道圍巖位移分析

圖3為兩測(cè)線圍巖在不同開(kāi)挖分步下的位移變化曲線?？梢钥闯?，隧道分步開(kāi)挖將導(dǎo)致測(cè)線上的圍巖位移在空間上呈指數(shù)衰減式分布，即，隨著距隧道表面距離的增大，隧道圍巖位移將逐漸減小且減小的速率逐漸降低。由各分步開(kāi)挖引起的變形量上看，兩導(dǎo)洞及其上方的圍巖開(kāi)挖對(duì)隧道周邊圍巖變形影響很?。欢鴥蓪?dǎo)洞之間圍巖的開(kāi)挖則對(duì)隧道周邊圍巖變形影響很大，尤其是第6步至第8步的開(kāi)挖，其中，第6步圍巖開(kāi)挖使隧道頂部和兩側(cè)圍巖向隧道內(nèi)各發(fā)生了4.7mm和0.6mm的位移，第7步是5.3mm和0.8mm，第8步則是3.0mm和0.3mm。由圍巖總的變形量大小上看，隧道開(kāi)挖引起的圍巖豎向位移量16.5mm要遠(yuǎn)大于橫向位移2.5mm。因此，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖變形穩(wěn)定控制要以豎向位移控制為主，同時(shí)在開(kāi)挖時(shí)間段上重視第6步至第8步的開(kāi)挖影響，在必要的情況下，架設(shè)多道臨時(shí)豎向支撐或增大支護(hù)剛度以減少隧道上方的圍巖變形。

4.3 隧道圍巖塑性屈服分析

圖4給出了幾個(gè)開(kāi)挖分步下隧道周邊圍巖的塑性區(qū)分布圖。由圖可知，兩側(cè)導(dǎo)洞的開(kāi)挖將引起導(dǎo)洞周邊約0.5m-1.5m范圍內(nèi)的圍巖發(fā)生塑性屈服，此時(shí)，圍巖塑性區(qū)面積在導(dǎo)洞下方分布最大。隨著兩導(dǎo)洞之間隧道上方巖體的開(kāi)挖，兩導(dǎo)洞之間的圍巖全部發(fā)生塑性屈服，同時(shí)隧道上方拱頂以及兩側(cè)約45°方向開(kāi)始出現(xiàn)約1.5m寬的塑性塑性區(qū)，隧道兩側(cè)以及底部圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展變化則相對(duì)不明顯。當(dāng)隧道內(nèi)圍巖全部開(kāi)挖完成后，隧道兩側(cè)圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展不明顯，但隧道拱部和底部則會(huì)在隧道對(duì)角線方向出現(xiàn)呈“蝴蝶形”分布的塑性區(qū)，該塑性區(qū)最大深度可達(dá)4-5m。從控制圍巖穩(wěn)定方面考慮，最好對(duì)“蝴蝶形”塑性區(qū)內(nèi)的圍巖進(jìn)行注漿加固，同時(shí)增加此部位的錨桿數(shù)量或長(zhǎng)度。

4.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

當(dāng)二次襯砌澆筑完成后，二次襯砌所受到的彎矩和軸力如圖5所示。從圖中可以看出，二次襯砌最大正彎矩出現(xiàn)在隧道頂部?jī)蓚?cè)約45°的位置，其值約為33.4kN.m；最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在隧道兩側(cè)墻底與仰拱交接的位置，其值約為28.4kN.m。二次襯砌最大軸力為壓力，出現(xiàn)在兩側(cè)墻中間位置，約為213.0 kN；最小軸力為拉力，出現(xiàn)在隧道仰拱中心位置，其值約為65.1kN。從支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力上看，二次襯砌完全能夠承受住周邊圍巖的變形和松動(dòng)壓力，因此，設(shè)計(jì)是較為安全的。

5 結(jié)論

（1）隧道圍巖開(kāi)挖將引起隧道頂?shù)撞繃鷰r最大主應(yīng)力降低，導(dǎo)致其容易發(fā)生拉伸破壞；而兩側(cè)圍巖最大主應(yīng)力則升高，易發(fā)生剪切破壞。

（2）兩導(dǎo)洞及其上方的圍巖開(kāi)挖對(duì)隧道周邊圍巖變形影響很?。欢鴥蓪?dǎo)洞之間圍巖的開(kāi)挖則對(duì)隧道周邊圍巖變形影響很大，需重視此階段的隧道施工。

（3）隧道開(kāi)挖完成后，隧道兩側(cè)圍巖塑性區(qū)范圍相對(duì)較小，但隧道拱部和底部則會(huì)在隧道對(duì)角線方向出現(xiàn)呈“蝴蝶形”分布的塑性區(qū)，該塑性區(qū)最大深度可達(dá)4-5m。

（4）二次襯砌最大正彎矩和負(fù)彎矩分別出現(xiàn)在隧道頂部?jī)蓚?cè)約45°以及兩側(cè)墻底與仰拱交接的位置；二次襯砌最大和最小軸力則分別出現(xiàn)在兩側(cè)墻中間以及仰拱中心位置。

參考文獻(xiàn)：

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