廖雅倩， 凌同華

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

隧道跨度增加使高跨比減小，對圍巖和支護結構的受力產生不利影響，圍巖極易發(fā)生失穩(wěn)甚至坍塌事故。大跨度隧道施工中發(fā)生的地質災害中，塌方較常見。如果在塌方段未選擇較好的施工方案，將導致塌方范圍進一步擴大，不僅延誤工期，而且增加施工成本，選擇合理的施工方案對于快速、安全地通過塌方段至關重要。針對隧道開挖，段慧玲等探討了大跨度深埋隧道合適的開挖方法；鄒成路等對施工中常采用的臺階法在開挖高度方面進行了優(yōu)化；顧洋等采用MIDAS/GTS NX對連續(xù)坍塌事故進行分析，在雙側壁導坑法中采取添加臨時仰拱的措施防止塌方的發(fā)生，保證支護結構的穩(wěn)定；管新邦基于有限元軟件對比分析臺階法、預留核心土法、CD法3種開挖方式，確定臺階法為最優(yōu)開挖方式；劉利生等為保證隧道施工安全，對傾斜巖層大斷面隧道塌方機理進行了模擬分析；左清軍等通過隧道變形演化歷程和圍巖破壞模式分析，提出了塌方處治措施；任和祥對塌方處治措施進行研究，驗證了及時支護的重要性。目前，對采用何種施工方案穿越塌體的研究還較少。該文以白陽山隧道為工程背景，利用有限元軟件對施工過程進行三維數值模擬，分析上下臺階法、預留核心土法和三臺階法 3種開挖方法下圍巖的穩(wěn)定性，選取最優(yōu)開挖方案，保證隧道施工安全通過塌方段。

1 工程概況

白陽山隧道是永康至武義公路改建工程中的重點和難點項目之一，為雙向六車道分離式隧道。左洞長480 m，為既有老洞，隧道斷面采用內套拱加固，新建隧道開挖對老洞不產生擾動；新建右洞長563 m，樁號為YK15+255—818，凈高10.5 m，寬16.54 m，屬于大跨度隧道，平均埋深40 m。隧址區(qū)構造破碎帶發(fā)育，巖體較破碎，圍巖呈鑲嵌碎裂結構，自穩(wěn)能力較差，開挖時易掉塊，局部可能有坍塌。

2019年1月21日，右線掌子面開挖至YK15+380時，隧道拱頂部位不斷有小塊碎石掉落，鋼筋網破損且鋼拱架發(fā)生變形，拱腰部位砼表面多處出現(xiàn)開裂剝落現(xiàn)象。1月27日，拱頂部位出現(xiàn)長6 m、縱深3 m的坍塌洞。為防止塌洞進一步惡化，采用超前小導管注漿加固圍巖，封閉掌子面。

2 數值模擬

2.1 模型建立

采用三維有限元計算軟件MIDAS/GTS，選取右線YK15+380—400塌方段進行模擬。根據隧道開挖影響范圍，結合項目實際情況，模型左右邊界約為3倍洞徑，下部邊界約為3倍洞高，上邊界取至地表，尺寸x、y、z分別為120、30、86m(見圖1)。由于地形起伏較小，將地表簡化為水平面，不考慮偏壓作用。計算模型上邊界定義為自由邊界，其余邊界條件均為位移約束。采用Drucker-Prager屈服準則，將圍巖視為各向同性材料，忽略表層風化影響，計算中僅考慮巖體自重，地表荷載不計入模型。

圖1 數值計算模型剖面圖

2.2 計算參數

物理力學參數根據工程地質勘察報告，結合JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規(guī)范》確定。采用植入式桁架單元模擬錨桿；初期支護采用板單元模擬，考慮鋼拱架的作用，將鋼拱架的彈性模量進行等效計算，折算給初期支護；二次襯砌作為安全儲備不予考慮。最終確定的模型力學參數見表1。

表1 模型的物理力學參數

2.3 開挖方案模擬

對上下臺階法(原開挖方案)、預留核心土法和三臺階法3種施工方法進行模擬，分析各開挖方法下圍巖應力、位移及應變，通過綜合比選，確定最優(yōu)開挖方法。開挖順序為分部開挖，逐步支護(見圖2)。

圖2 3種隧道開挖方法的施工順序

3 數值模擬結果與分析

3.1 圍巖位移分析

隧道開挖過程中，圍巖的整體受力情況可通過位移直觀反映，故圍巖位移是重點控制對象。采用上下臺階法、預留核心土法及三臺階法進行開挖時，隧道豎向和水平位移分別見圖3、圖4。由圖3可知：3種開挖方法中，拱頂和拱底處的豎向位移均很大，施工中應注意對拱頂和拱底處圍巖進行變形監(jiān)測。隨著隧道的開挖，臨空面的出現(xiàn)讓巖體有空間可以產生變形，局部釋放地應力，使巖體因卸荷作用而發(fā)生位移變化，仰拱和拱頂的臨空面與自重應力垂直，故仰拱及拱頂處產生的位移變形量較大。從拱頂豎向位移變化量來看，最大的為上下臺階法，預留核心土法次之，三臺階法最小。相較于上下臺階法，預留核心土法在上臺階開挖時由于保留了一部分核心土，約束了拱頂變形。三臺階法的上臺階開挖范圍小于環(huán)形開挖部分，避免了拱頂附近一次卸荷過大，對圍巖變形的控制效果更好。另外，拱底中心處由開挖引起的底鼓現(xiàn)象比拱頂沉降嚴重，可能是由仰拱埋深大于拱頂所致。由圖4可知：水平方向位移整體不大，隧道兩側水平方向變形大致呈對稱分布，位移較大值主要集中在拱腰，且向隧道外側移動。

圖3 隧道豎向位移云圖(單位：mm)

圖4 隧道水平位移云圖(單位：mm)

選取塌方斷面y=15 m(YK15+380)對3種開挖方法引起的圍巖周邊位移進行監(jiān)測，結果見表2。由表2可知：圍巖水平位移變化較小，左右邊墻位移量相差甚微，基本呈對稱分布。在相同支護條件下，除邊墻豎向位移較大外，三臺階法在控制拱頂沉降和拱底隆起方面有較好的效果。三臺階法施工引起的拱頂沉降比預留核心土法小0.74 mm，比上下臺階法小1.97 mm；拱底隆起比預留核心土法小2.01 mm，比上下臺階法小4.56 mm。采用三臺階法開挖對隧道兩側橫向變形的影響更小。

表2 塌方斷面圍巖周邊位移值

y=15 m斷面豎向和水平位移變化分別見圖5、圖6。由圖5可知：拱頂沉降在3種開挖方案下具有相似的變化規(guī)律。第15施工步之前，三臺階法和預留核心土法開挖引起的豎向位移變化曲線基本重合，拱頂豎向位移都很小；隨著開挖面向塌方加固區(qū)靠近，位移加速增長，第30施工步結束時，位移值基本保持穩(wěn)定。由圖6可知：進行第15施工步時，上下臺階法和預留核心土法的水平位移迅速增長，隨著開挖面向前推進，位移增長速率逐漸減小，最后趨于零；三臺階法開挖的水平位移突增點延后至第20步，之后位移值趨于穩(wěn)定。從最終位移值來看，三臺階法施工優(yōu)于其他2種方案。

圖5 監(jiān)測斷面豎向位移變化曲線

圖6 監(jiān)測斷面水平位移變化曲線

3.2 圍巖應力分析

圍巖應力在隧道開挖后會重新分布，原有平衡狀態(tài)將被打破，局部應力也會隨之增加。不同開挖方法下圍巖應力見圖7、圖8。從圖7、圖8可看出：應力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在隧道拱頂、拱底及兩邊墻處，施工時要注意對應力集中部位的巖體進行加固，防止圍巖發(fā)生局部破壞。最大壓應力發(fā)生在隧道兩幫，隧道拱頂處的受力大于拱底。開挖造成的應力集中現(xiàn)象三臺階法緩于上下臺階法。隧道開挖完成后，三臺階法造成的圍巖最大垂直應力為2.06 MPa，預留核心土法為3.34 MPa，上下臺階法為3.27 MPa，三臺階法開挖產生的最大垂直壓應力比上下臺階法降低37.0%，且上下臺階法開挖會產生小范圍的拉應力。三臺階法開挖造成的圍巖最大水平應力為1.31 MPa，預留核心土法為1.26 MPa，上下臺階法為2.91 MPa；在隧道拱腳處產生的局部拉應力，三臺階法為0.023 MPa，預留核心土法與三臺階法相差甚微，上下臺階法為0.025 MPa。

圖7 隧道豎向應力云圖(單位：kN/mm2)

圖8 隧道水平應力云圖(單位：kN/mm2)

3.3 圍巖應變分析

隧道圍巖發(fā)生破壞時破裂面上的剪應變會發(fā)生突變，對剪切應變和主應變進行分析可判斷圍巖是否破壞。不同開挖方法下圍巖應變見圖9、圖10。從圖9、圖10可看出：3種開挖方法下應變分布較相似，主應變較大值分布在隧道拱底、拱頂處，在隧道兩幫與拱腳部位剪切應變較大。主應變增量關系為上下臺階法>預留核心土法>三臺階法，預留核心土法和上下臺階法的最大主應變相差2.873×10-4，三臺階法的最大主應變比上下臺階法小5.094×10-4。剪切應變增量關系為上下臺階法>三臺階法>預留核心土法，預留核心土法和上下臺階法的最大剪切應變相差8.627×10-4，三臺階法的最大剪切應變比上下臺階法小6.936×10-4。相比之下，三臺階法開挖引起的應變增量較小，更適合于該段隧道施工。

圖9 隧道主應變云圖

圖10 隧道剪切應變云圖

4 隧道塌方斷面監(jiān)控量測

為判斷塌方段圍巖處治后的穩(wěn)定性，選取YK15+380斷面進行分析。該斷面拱頂下沉、周邊收斂變形監(jiān)測結果見圖11。

由圖11可知：塌腔注漿后由于開挖施工，拱頂下沉和周邊收斂不斷增大，但未超過規(guī)范允許值；隨著開挖的推進，其值逐漸趨于穩(wěn)定。說明采用水泥注漿填充空腔的方案有效，圍巖變形已基本穩(wěn)定。現(xiàn)場監(jiān)測的累計拱頂下沉最大值為11.24 mm，累計周邊收斂最大值為3.74 mm。采用數值模擬分析原開挖方案得出的拱頂下沉為10.73 mm，周邊收斂為3.68 mm，由于模型作了簡化計算，而實際工程條件更復雜，數值計算結果偏小。但兩者偏差在合理范圍內，說明參數的選取具有一定的可靠性。

圖11 隧道拱頂下沉和周邊收斂監(jiān)測結果

5 結論

(1) 整體上圍巖水平位移較小，豎向位移在隧道頂、底處最大；監(jiān)測斷面的拱頂沉降，三臺階法比預留核心土法降低7.8%，比上下臺階法降低18.4%，同時在控制拱底隆起及橫向變形方面三臺階法優(yōu)于其他2種方案。

(2) 上下臺階法施工造成的應力集中現(xiàn)象較嚴重，三臺階法較輕，三臺階法施工引起的最大垂直壓應力比上下臺階法降低37.0%，最大水平應力降低54.98%。從應力變化來看，三臺階法優(yōu)于其他2種施工方案。且由于工作面增加，采用三臺階法還可加快施工進度。

(3) 圍巖主應變增量關系為上下臺階法>預留核心土法>三臺階法，剪切應變增量關系為上下臺階法>三臺階法>預留核心土法，三臺階法開挖引起的主應變最小，剪切應變雖大于預留核心土法，但兩者相差不大。對于該隧道塌方段的開挖，三臺階法更合適。

(4) 隧道圍巖位移在3種開挖方法下表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即拱頂下沉、仰拱隆起、側墻向外側移動。隧道拱頂、拱底和兩幫部位應力集中現(xiàn)象較明顯，是實際工程的主要控制部位，應采取局部措施進行重點支護，同時加強監(jiān)測。對比分析開挖過程中圍巖位移、應力和應變的變化，三臺階法是通過該隧道塌方段的首選方案。