孫 忠 成

(中鐵十九局集團(tuán) 第五工程有限公司， 遼寧 大連 116100)

近年來(lái)，隨著公路工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，穿山隧道建設(shè)取得了巨大進(jìn)展，山嶺隧道建設(shè)過(guò)程存有較多的施工方式，不同施工方式間存在差別[1-6]。對(duì)于特定工程，施工方式不同會(huì)引起不同的隧道變形，因此研究不同施工方式下隧道的穩(wěn)定特性具有重要意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，例如，李青松[7]、蔣樹(shù)屏等[8]和刁心宏等[9]采用數(shù)值手段，并以工程實(shí)例為背景，對(duì)幾種常用的施工形式在不同的圍巖條件和不同的埋深條件下進(jìn)行模擬，得到了不同的施工開(kāi)挖方案對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性影響。鄧稀等[10]、霍潤(rùn)科等[11]和楊小明等[12]對(duì)不同掘進(jìn)方式、不同隧道直徑以及不同圍巖狀況下隧道的開(kāi)挖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。韋秉旭等[13]、李翠霞等[14]利用數(shù)值手段對(duì)CRD法與上下臺(tái)階法在隧道開(kāi)挖中的效果進(jìn)行了對(duì)比分析。為了分析隧道不同施工方式下圍巖穩(wěn)定特性，以某隧道建設(shè)為例，采用有限元數(shù)值模擬手段分別建立了三臺(tái)階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三種施工方法的數(shù)值模型，并從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)方面進(jìn)行了分析介紹，以期為隧道工程施工和設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 工程概況

某山嶺隧道為小凈距隧道，設(shè)計(jì)為雙向八車(chē)道。隧道左右線(xiàn)全長(zhǎng)分別為466 m和387 m，左右線(xiàn)起止里程分別為ZK1+620—ZK2+086和YK1+680—YK2+007。對(duì)于隧道左右線(xiàn)，擬采用三臺(tái)階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等3種施工方法，如圖1所示。為了對(duì)比分析三種方法的合理性，采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1隧道開(kāi)挖面示意圖

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立及參數(shù)賦值

如圖2所示，為三種不同開(kāi)挖方式下的隧道模型圖，采用MIDAS/GTS建模進(jìn)行分析。隧道模型建立要考慮其開(kāi)挖影響范圍，本工程隧道斷面最長(zhǎng)為12.6 m，高度最高為7.4 m，而一般地下工程的影響范圍為3倍～5倍洞室內(nèi)徑，建立模型時(shí)x軸(水平方向)取180 m，y軸(隧道軸線(xiàn)方向)取20 m，z軸(豎直方向)取90 m，且隧道中心埋深約19 m。本隧道模型采用錨桿、鋼筋網(wǎng)和工字鋼和噴射混凝土襯砌支護(hù)，鋼筋網(wǎng)和工字鋼支撐折合到襯砌上面。其中圍巖采用實(shí)體模型，采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型。襯砌和錨桿采用結(jié)構(gòu)單元。表1和表2分別為巖體的物理力學(xué)指標(biāo)和噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)，其中圍巖從左到右共四類(lèi)，依次為粉質(zhì)黏土、黏土、白云巖和頁(yè)巖，錨桿和襯砌支護(hù)如圖3所示。

圖2 隧道數(shù)值模型圖

圖3隧道錨桿支護(hù)圖

表1 巖體的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分、邊界條件及開(kāi)挖步

如圖2所示，三者平面上網(wǎng)格單元數(shù)目依次為3 624個(gè)、3 532個(gè)和3 586個(gè)，為了減小誤差，在隧道周?chē)W(wǎng)格較為密集，遠(yuǎn)離隧道時(shí)網(wǎng)格較為疏松。此外，為了有效減小模型大小帶來(lái)的誤差，除上邊界外，模型其它邊界均設(shè)有法向約束。模型開(kāi)始計(jì)算時(shí)，需要先進(jìn)行初始平衡，并將初始位移和初始速度清零，然后進(jìn)行分步開(kāi)挖并設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。單次循環(huán)掘進(jìn)2 m，共10次循環(huán)掘進(jìn)完成，將每循環(huán)分為8個(gè)開(kāi)挖步。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 位移分析

如圖4所示，為左隧道拱頂拱底位移時(shí)程曲線(xiàn)。對(duì)于拱底來(lái)講，由圖4(a)可知，采用三臺(tái)階七步法時(shí)拱底隆起量最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，三者最大位移依次為18.02 mm、11.13 mm和8.96 mm。對(duì)于拱頂來(lái)講，由圖4(b)可知，采用三臺(tái)階七步法時(shí)拱頂沉降量最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，三者最大位移依次為-22.31 mm、-15.52 mm和-12.74 mm。

如圖5所示，為右隧道拱頂拱底位移時(shí)程曲線(xiàn)。對(duì)于拱底來(lái)講，由圖5(a)可知，采用三臺(tái)階七步法時(shí)拱底隆起量最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，這與左隧道保持一致，三者最大位移依次為12.75 mm、10.38 mm和8.71 mm。對(duì)于拱頂來(lái)講，由圖5(b)可知，同樣也是采用三臺(tái)階七步法時(shí)拱頂沉降量最大，采用是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂沉降量最小，三者最大位移依次為-16.62 mm、-12.16 mm和-9.58 mm。相對(duì)于左隧道來(lái)說(shuō)，右隧道的變形較小，這與右隧道所處位置圍巖較為堅(jiān)硬有關(guān)。綜上可知，僅從位移方面考慮時(shí)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)隧道的變形控制效果最好，這與其施工順序和施作方式有關(guān)。

圖4左隧道拱頂拱底位移

3.2 應(yīng)力分析

如圖6所示，為左隧道拱頂拱底最大主應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)。對(duì)于拱頂來(lái)講，由圖6(a)可知，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)拱頂最大主應(yīng)力最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是三臺(tái)階七步法，三者最終的最大主應(yīng)力分別穩(wěn)定在-0.65 MPa、-0.57 MPa和-0.18 MPa。拱頂圍巖應(yīng)力越小，說(shuō)明隧道開(kāi)挖以后圍巖應(yīng)力釋放較大，圍巖變得較為松散。對(duì)于拱底來(lái)講，由圖6(b)可知，采用三臺(tái)階七步法時(shí)拱底最大主應(yīng)力最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，三者最大主應(yīng)力分別穩(wěn)定在-5.28 MPa、-3.86 MPa和-3.52 MPa，拱底圍巖受到擠壓作用，當(dāng)應(yīng)力越大時(shí)，說(shuō)明該處圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，容易出現(xiàn)巖爆等危險(xiǎn)。綜上可知，僅從最大主應(yīng)力方面考慮時(shí)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)隧道的穩(wěn)定性效果最好，采用三臺(tái)階七步法時(shí)最差。

圖5 右隧道拱頂拱底位移

圖6左隧道拱頂拱底最大主應(yīng)力

3.3 塑性區(qū)分析

圍巖塑性區(qū)是判斷隧道安全與否的一重要因素，通過(guò)塑性區(qū)可以得到圍巖受力和變形狀態(tài)，進(jìn)而判斷隧道安全狀態(tài)。如圖7所示，為三種不同開(kāi)挖方式下圍巖穩(wěn)定時(shí)的塑性區(qū)云圖。對(duì)比三者可知，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)圍巖塑性區(qū)最小，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最大的是采用三臺(tái)階七步法時(shí)。此外，還可以看到，采用三臺(tái)階七步法時(shí)隧道左線(xiàn)和右線(xiàn)的塑性等值線(xiàn)發(fā)生聯(lián)通并密閉成環(huán)，且在兩側(cè)拱底處最大，而采用單、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)這種現(xiàn)象不明顯，說(shuō)明采用三臺(tái)階七步法時(shí)圍巖最為不穩(wěn)。

圖7隧道塑性區(qū)云圖

4 結(jié) 論

以某小凈距隧道建設(shè)為例，采用有限元數(shù)值模擬手段分別建立了三臺(tái)階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三種施工方法的數(shù)值模型，并從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)方面進(jìn)行了分析介紹，對(duì)于該案例，得到以下結(jié)論：

(1) 兩側(cè)隧道采用三臺(tái)階七步法時(shí)拱底隆起量和拱頂沉降量最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，相對(duì)于左隧道來(lái)說(shuō)，右隧道的變形較小，這與右隧道所處位置圍巖較為堅(jiān)硬有關(guān)。

(2) 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)拱頂最大主應(yīng)力最大，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最小的是三臺(tái)階七步法；而拱底最大主應(yīng)力大小順序相反，說(shuō)明采用三臺(tái)階七步法時(shí)隧道開(kāi)挖以后圍巖應(yīng)力釋放較大，圍巖變得較為松散，且拱底圍巖易出現(xiàn)應(yīng)力集中，容易發(fā)生巖爆等危險(xiǎn)。

(3) 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)圍巖塑性區(qū)最小，其次是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，最大的是采用三臺(tái)階七步法。即從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)方面可知，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)隧道的穩(wěn)定性效果最好，采用三臺(tái)階七步法時(shí)最差。研究結(jié)果可為小凈距山嶺隧道的施工方案制定提供參考。