王兆亮,孫 圣,劉守花,莊 帥

(1.淮安市建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司,江蘇 淮安 223004; 2.中大智能科技股份有限公司,湖南 長沙 410036; 3.淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇 淮安 223003)

0 引言

目前,針對三臺階七步開挖法施工方面的研究較多,但對隧道開挖過程中受力機(jī)理的研究匱乏;調(diào)查發(fā)現(xiàn),三臺階七步開挖法雖在隧道施工中應(yīng)用廣泛,但對施工過程中支護(hù)、圍巖的力學(xué)行為認(rèn)識不足,實(shí)際應(yīng)用效果差異較大,主要體現(xiàn)在施工速度和安全控制方面。因此,為充分發(fā)揮隧道三臺階七步開挖法應(yīng)用效果,確保隧道施工進(jìn)度和安全,有必要開展隧道開挖過程中受力的變形研究。

本文依托某在建公路隧道工程,借助FLAC3D有限差分軟件建立三維數(shù)值模型,分析隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的各種物理力學(xué)參數(shù),通過對比分析數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果,并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析開挖過程中位移、應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)規(guī)律,以期為后續(xù)隧道三臺階七步開挖法施工提供必要的理論依據(jù)。

1 工程概況

某在建公路隧道左、右兩洞分離,中線點(diǎn)至拱頂高度10.5m,左、右拱墻寬5m。隧道洞口段地層主要為亞黏土,含水量達(dá)23.3%,孔隙比為0.698,塑性指數(shù)為17.4,該段圍巖的自穩(wěn)能力差。隧道采用三臺階七步開挖法掘進(jìn),參數(shù)(見圖1)為:循環(huán)進(jìn)尺0.75m,核心土長6m,臺階間距3m。

圖1 三臺階七步開挖法示意

隧道采用復(fù)合式襯砌,開挖斷面為12.8m(寬度)×9.2m(高度),開挖面積為110.2m2。隧道超前支護(hù)采用超前小導(dǎo)管加固,小導(dǎo)管長4m,導(dǎo)管外徑50cm,環(huán)向間距50cm,縱向搭接1.2m。初期支護(hù)采用26cm厚C20混凝土,環(huán)向鋼拱架采用I18,縱向間距75cm,縱向采用φ22鋼筋連接,換線間距取80cm。二次襯砌采用45cm厚C25混凝土。

2 隧道開挖三維數(shù)值模擬

2.1 隧道開挖數(shù)值模型建立

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和施工過程建立三維隧道開挖數(shù)值模型,為消除模型邊界對數(shù)值模擬結(jié)果的影響,模型的橫向?qū)挾热?20m(約10D,D為洞徑);沿線路縱向長度為60m;豎向自隧底向下取48m。模型側(cè)面限制水平位移,底面限制豎向位移。

巖體采用三維實(shí)體單元(zone)模擬,服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,初期支護(hù)單元選擇三維殼單元(shell),仰拱、二次襯砌選擇三維實(shí)體單元(zone),初期支護(hù)、仰拱和二次襯砌均按彈性體考慮。該模型單元總數(shù)327 920個,結(jié)點(diǎn)總數(shù) 342 306 個。具體參數(shù)如表1所示,其中巖體的體積模量(K)、剪切模量(G)由式(1)和式(2)換算獲得,初期支護(hù)的彈性模量按式(3)折算獲得。

表1 數(shù)值模型參數(shù)

(1)

(2)

E=E0+(Sg·Eg)/Sc

(3)

式中:E為折算后的混凝土彈性模量(GPa);E0為原混凝土彈性模量(GPa),混凝土強(qiáng)度等級為C20;Eg為鋼拱架(I18)彈性模量(GPa),Eg=210GPa;Sg為鋼拱架截面面積(cm2),取30.756cm2;Sc為噴射混凝土截面面積(cm2),取1 950cm2。

將各參數(shù)代入式(3)計算可得:E=24.3×109Pa。

2.2 三臺階七步開挖法施工步模擬

具體施工流程為:①初始地應(yīng)力場模擬;②拱部超前支護(hù),開挖上弧導(dǎo)坑,施作初期支護(hù);③左、右、中臺階交錯施工,施作支護(hù),且左、右保持錯開3m;④左、右交錯開挖下臺階邊墻,施作支護(hù)并左、右保持錯開3m;⑤中、下臺階預(yù)留核心土開挖;⑥仰拱斷面土體開挖,二襯、仰拱每9m施作1次。循環(huán)進(jìn)尺為0.75m。

3 隧道開挖數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)實(shí)際施工步建立隧道開挖的FLAC3D模型,分析圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)狀態(tài)。選取中間斷面的拱頂(A點(diǎn))、地表(B點(diǎn))和拱腰(C點(diǎn))作為主要特征點(diǎn)(見圖2),分別對三臺階七步開挖法施工中位移、應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)進(jìn)行分析。

圖2 特征點(diǎn)位置

3.1 位移分析

3.1.1整體位移分析

臺階法7個施工步均通過監(jiān)測斷面后的總豎向位移云圖如圖3所示,由云圖看出,拱頂最大豎向位移10.5cm,隧道底部隆起約10.1cm。地表沉降在水平方向上的作用跨度約為3.5倍洞徑,在路線前進(jìn)方向超前于上導(dǎo)洞開挖面約1倍的開挖洞徑。

圖3 豎向位移云圖

3.1.2數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果對比分析

臺階法7個施工步開挖依次監(jiān)測通過斷面過程中,拱頂(A點(diǎn))數(shù)值計算豎向沉降量和3個斷面實(shí)測沉降量對比、拱頂(A點(diǎn))縱向數(shù)值計算位移與3個斷面實(shí)測位移對比及邊墻(C點(diǎn))計算收斂分別如圖4～6所示。

圖4 拱頂沉降對比

由圖4和圖5看出,各施工步依次通過典型斷面時數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果趨勢相同,平均誤差為17.9%,數(shù)值模擬參數(shù)選取合理,計算結(jié)果可靠。同時看出,數(shù)值模擬結(jié)果小于現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果,主要是由于數(shù)值模擬中圍巖假設(shè)為均一的彈塑性體,但現(xiàn)場圍巖復(fù)雜;且模擬設(shè)計時各施工步是依次有序銜接,即隧道開挖完成,立即運(yùn)行施作初期支護(hù),未體現(xiàn)現(xiàn)場施工的時間效應(yīng)。數(shù)值模擬中拱頂穩(wěn)定沉降值為10.2cm,其中上臺階開挖后拱頂沉降值為5.64cm,占總沉降的55.3%?，F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)中(斷面1)拱頂穩(wěn)定沉降值為17.6cm,其中上臺階開挖后拱頂沉降值為10.2cm,占總沉降的58.0%;拱頂縱向位移穩(wěn)定值為2.65cm,其中上臺階開挖后拱頂縱向位移為1.47cm,占總位移的55.5%;其他施工步開挖造成的拱頂位移值大致相同,仰拱施作后初期支護(hù)閉合成環(huán)拱頂沉降值趨于穩(wěn)定。

圖5 拱頂縱向位移對比

圖6顯示各施工步通過典型斷面時邊墻的收斂過程,穩(wěn)定收斂值為2.8cm,其中上導(dǎo)洞開挖后的收斂值為1.8cm,占穩(wěn)定收斂值的64.3%;其他施工步開挖對邊墻收斂影響大致相同,其中下左導(dǎo)、下右導(dǎo)、仰拱開挖施工較上左導(dǎo)、上右導(dǎo)及核心土開挖對邊墻位置處收斂影響大。

圖6 邊墻收斂

各工序依次通過監(jiān)測斷面時地表特征點(diǎn)(B點(diǎn))沉降分析對比曲線如圖7～9所示。

圖7 地表特征點(diǎn)B沉降對比

圖7顯示,3個斷面地表特征點(diǎn)B現(xiàn)場實(shí)測沉降值較數(shù)值計算值大,數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果的相對平均誤差為13.5%。各施工步依次通過典型斷面直至穩(wěn)定后地表總沉降為5.7cm,上導(dǎo)洞開挖后地表沉降為3cm,占總沉降的52.6%,其他各施工步開挖對地表特征點(diǎn)沉降的影響大致相同。

圖8所示數(shù)值模擬結(jié)果顯示,地表沉降槽顯示基本上對稱,左、右交替施工對中心線的偏離影響不明顯,掌子面推進(jìn)才是地表沉降的主要影響因素。由圖9所示數(shù)值模擬結(jié)果看出,與掌子面距離越遠(yuǎn)地表沉降越小,上導(dǎo)洞開挖對地表沿縱向沉降影響最大。所以,控制上導(dǎo)洞開挖時掌子面的穩(wěn)定性是三臺階七步開挖法施工的關(guān)鍵。

圖8 地表水平沉降曲線

圖9 地表縱向沉降曲線

3.2 應(yīng)力分析

圍巖的大、小主應(yīng)力云圖如圖10,11所示,體現(xiàn)的是隧道的應(yīng)力狀態(tài)。由圖看出,最大和最小主應(yīng)力呈左右對稱分布,圍巖應(yīng)力場分布隨斷面各施工步開挖而變化。初始應(yīng)力場因隧道開挖而發(fā)生改變,應(yīng)力重分布,同初始狀態(tài)相比,在拱頂一定區(qū)域內(nèi)的圍巖應(yīng)力狀態(tài)改變,形成低應(yīng)力區(qū);在隧道兩側(cè)邊墻的中部及仰拱區(qū)域的圍巖,最大主應(yīng)力在應(yīng)力變化中向逐漸增大的方向發(fā)展,隨著開挖的進(jìn)行,應(yīng)力逐漸往某一區(qū)域增大擴(kuò)展,最終在拱腰位置處顯現(xiàn)(即開挖跨度最大處)。

圖10 最大主應(yīng)力云圖

圖11 最小主應(yīng)力云圖

3.3 圍巖塑性區(qū)分析

1個施工循環(huán)完成時隧道周邊圍巖塑性區(qū)分布如圖12所示,由圖看出,隧道周邊圍巖塑性區(qū)在隧道施工時貫通,影響范圍沿橫向約0.4D,隧道前方土體在開挖方向上的塑性區(qū),超前上導(dǎo)洞掌子面的距離在約0.5D,地表塑性區(qū)在開挖方向與上導(dǎo)洞前進(jìn)距離體現(xiàn)較好的一致性;橫斷面塑性區(qū)隨開挖推進(jìn)分布區(qū)域不同,拱腳位置變化尤為明顯,在隧道前進(jìn)方向,塑性區(qū)超前上導(dǎo)洞掌子面的距離在0.5D,不同點(diǎn)在于橫斷面塑性區(qū)主要受上導(dǎo)洞推進(jìn)的影響;核心土體提供的側(cè)向力對掌子面的穩(wěn)定性起積極作用,所以該區(qū)域內(nèi)掌子面未出現(xiàn)塑性區(qū)。

4 結(jié)語

1)拱頂位置和地表沉降的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果平均誤差分別為17.9%,13.5%,說明數(shù)值模擬參數(shù)選取合理,計算結(jié)果可靠。

2)數(shù)值計算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果表明,上臺階開挖誘發(fā)的變形超過隧道總體變形的50%,該施工步是三臺階七步開挖法中控制圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而初期支護(hù)及時地形成閉環(huán)對控制總體變形有較好效果。因此,上臺階開挖是隧道開挖中確保圍巖穩(wěn)定和限制圍巖變形的關(guān)鍵一環(huán),施工時應(yīng)加強(qiáng)該工序的動態(tài)過程控制。

3)圍巖應(yīng)力因隧道開挖而重新分布,拱頂附近圍巖形成較大范圍的低應(yīng)力區(qū),而拱腰處圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,支護(hù)設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)提高拱腰部位襯砌強(qiáng)度。

4)隧道前方土體的縱向塑性區(qū)超前上導(dǎo)洞掌子面約為0.5D,后續(xù)在亞黏土地層中進(jìn)行三臺階七步法開挖時,超前支護(hù)沿縱向應(yīng)≥0.5D;地表塑性區(qū)縱向與上導(dǎo)洞推進(jìn)里程基本一致;核心土體對應(yīng)掌子面未出現(xiàn)塑性區(qū),核心土有利于掌子面穩(wěn)定。