软弱围岩隧道施工力学特性研究
时间：2023-03-23 14:30:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
黄正凯
(中铁十一局集团第四工程有限公司，武汉 100855)
随着国家经济发展步入高速发展阶段，广大中西部地区对高等级道路需求日趋旺盛[1-2]。由于西部地区山岭众多，且高等级公路对其线性平顺性要求较高，导致公路桥隧比逐年提高[3-4]。地下隧道工程面临众多挑战，主要包括以下几点：较高的工程造价、较为复杂工程地质条件、较大的施工难度[5-6]。实际工程中为了应对复杂多变的地质条件，超前支护和预加固处理的方式也随之被引入，超前管棚预支护技术近年来不断发展，该技术已经成为目前常用超前支护技术之一[7]。目前隧道施工方法中常用的有全断面法、台阶法以及CRD法共3种方法。全断面法是一次性开挖成型的施工方法，能有效的减少开挖对围岩的扰动，尽早地对衬砌形成封闭，保护围岩的完整性，但是全断面法开挖对围岩要求较高，多以硬质围岩为主，适用于小断面尺寸的隧道开挖。台阶法开挖相对于全断面法开挖增加了工作面，各工作面间独立作业互不干扰，其施工进度加快，由于每一次开挖面积较小所以利于掌子面稳定，但台阶开挖相互影响，增加了对围岩的扰动。CRD法由于中隔壁和临时支撑的加入并在开挖后及时闭合各个分块，在开挖过程中减少了对围岩的扰动，这有利于控制拱顶下沉和围岩变形。CRD法施工适用于对地表沉降要求严格，围岩条件极差的地质环境(如：粘性土、砂层及砂卵层等)，但CRD法施工也面临众多缺点，如施工速度缓慢、施工成本较高等。
朱宝合等[8]利用数值模拟软件，根据正习高速公路桃子垭隧道施工及设计的情况，模拟了台阶法开挖施工、全断面法开挖施工、交叉中隔壁法开挖施工和中隔壁法开挖施工等4种不同开挖施工方法，并对隧道围岩稳定性的影响因素进行分析;李茂良等[9]利用数值模拟的方法，研究了不同开挖方法对浅埋隧道层状围岩的影响，并分析其力学特征及性质；
熊鹏、李晓红等[10-11]通过对隧道现场测量监测数据的结合，运用数值分析的方法对层状岩体的破坏特征进行分析，查明了岩体层理垂直方向是隧道围岩变形破坏区存在的地方，总结出地形产生的偏压影响、地层结构特征对层状岩体中洞室变形破坏特征有相关影响。李盼[12]结合超大断面的扁平结构隧道，运用数值模拟软件迈达斯和GTS对台阶法开挖、双侧壁导坑法开挖以及二者相互结合方式进行了模拟，获得了围岩受力和位移分布规律及特点，总结出超大断面扁平结构隧道最宜施工方法是双侧壁与台阶法相结合的方法。张延新等[13]运用三位快速拉格朗日法研究了施工各步骤中围岩及支护结构的应力和位移分布规律及围岩塑性区的分布状况和破坏机理，通过对地铁隧道拱顶下沉回归分析及数值模拟验证分析结果，分析了不同地层条件下拱顶下沉与地表沉降的关系，解释了由于现场监测滞后以及地层中富水含细砂导致拱顶下沉与较大的地表沉降。
本文结合重庆某公路隧道工程，采用ABAQUS数值分析软件,建立该隧道二维数值模型并对3种施工方法(全断面法、台阶法以及CRD法)施工过程对围岩的位移场、应力场变化及管棚与锚杆支护的位移场、应力场变化进行模拟分析，最终总结不同开挖方式对围岩影响规律和管棚与锚杆支护措施对整个支护体系和围岩体系的影响规律。
本研究依托工程为重庆某公路隧道，该隧道起点至终点桩号为K52+141～K53+341，总长度为1 200 m，起点高程为 100 m，终点高程为118 m，纵坡为1.5%，最大埋深约为20 m，设计车速为50 km/h。围岩节理发育，存在断层破碎带，且地下水丰富。隧道断面净宽为6.8 m，净高为5.9 m，衬砌厚为0.3 m，锚杆长为3.1 m。本文以K0+500～K0+510段为主要模拟对象，该处隧道埋深为5.9 m。根据前期工程地质勘探资料和设计资料可知，该隧道此处围岩以中风化黑色碳质泥岩为主，围岩较为破碎，属于软弱围岩土层，隧道围岩等级为Ⅴ级围岩。结合现场围岩特征，运用数值分析软件ABAQUS进行在全断面法、台阶法和CRD法共3种工况下施工，分析各工况下开挖对地面沉降、拱顶变形的影响。
由于该隧道路线较长，本文根据典型地质条件较差地段K52+600～K52+610段为地质条件进行处理。隧道埋深取5.9 m。截面尺寸及开挖方法如图1所示。断面净宽为6.8 m，净高为5.9 m，衬砌厚为0.3 m，锚杆长为3.1 m，呈梅花形布置。数值模拟中隧道围岩参数及其支护参数见表1所示。锚杆使用梁单元建立，接触为嵌入接触。衬砌与岩体、管棚与衬砌及管棚与岩体均为绑定约束(tie约束)。钢筋网片在初期支护中作为安全考虑，可忽略不计。
表1 围岩及支护参数取值
图1 隧道截面尺寸及开挖模示意
本文对隧道不同施工方法(全断面法开挖施工、台阶法开挖施工、交叉中隔壁法开挖施工)，进行数值模拟计算，深入分析了不同的隧道开挖方法和锚杆及管棚等支护措施对其围岩稳定性的影响。
4.1 对不同开挖方式下地面处竖直方向位移分析
采用全断面法开挖、台阶法开挖、CRD法开发开挖施工对地面竖直方向沉降影响模拟结果如图2所示。可以得出3种开挖方式均造成了地面竖直方向沉降，向下沉降量从隧道顶端向上地面投影处向四周逐渐递减，隧道顶端向地面投影处向下沉降量最大。从结果中可知隧道开挖中全断面法开挖造成的地面沉降最大，交叉中隔壁法(CRD法)开挖造成的地面沉降最小。全断面法开挖地面下沉量为0.015 4 m，台阶法开挖地面下沉量为0.015 4 m，CRD法开挖地面下沉量最小为0.013 5 m。CRD法开挖比全断面开挖小7.4%，即0.001 m。所以，将3种开挖方法对地面沉降造成的影响相对比，其沉降趋势、范围和大小均差别不大，但选用CRD法开挖对地面沉降造成影响最小。
图2 地表沉降数据示意
4.2 对不同开挖方式下隧道围岩位移分析
采用全断面法开挖、台阶法开挖、CRD法开发开挖施工对隧道围岩竖直方向位移影响模拟结果如图3所示。通过分析可知，隧道拱顶围岩向竖直向下变形由以上3种开挖方式均能造成，同时隧道拱底围岩向上变形也均能造成，距离衬砌边缘由近至远变形逐渐减小，变形分布沿隧道中轴线对呈对称分布。3种开挖方式中全断面法开挖造成拱顶处围岩向竖直下变形，拱底处围岩向竖直上的变形最大；
CRD法开挖造成拱顶围岩向下变形，拱底围岩向上变形最小。隧道拱顶围岩向下变形，全断面法开挖位移为0.021 3 m；
CRD法开挖位移为0.019 3 m，比全断面开挖小10.4%,即0.002 m。隧道拱底围岩向上变形，全断面法开挖位移为0.022 4 m；
CRD法开挖位移为0.021 2 m，比全断面开挖小5.7%,即0.001 2 m。所以，将3种开挖方法对围岩数值方向造成的位移相对比，其位移趋势、范围和大小均差别不大，不管采取什么方式开挖均会造成拱顶下称拱底上凸，但是选用CRD法开挖对围岩的扰动最小。
a 全断面开挖
4.3 对不同开挖方式下隧道围岩竖直方向应力分析
采用全断面法开挖、台阶法开挖、CRD法开发开挖施工对隧道围岩竖直方向应力影响模拟结果如图4所示。通过分析可知，3种开挖方式中竖直方向应力分布基本一致，拱顶、拱底以及地表出现了拉应力。由于土体抗拉强度小，抗压强度大，导致地表土体产生破坏和向下的位移。由图4可见，管棚施工措施有效的承担了大部分应力，减小了由于开挖导致的围岩破坏，对上部围岩松动甚至垮塌起到了强力而有效的抑制，管棚处及其周边围岩最终达到了加固目的。3种开挖方式中全断面法开挖造成围岩水竖直应力最大；
CRD法开挖造成围岩水竖直应力最小。所以，增加管棚并使用CRD法开挖对围岩的扰动能降到最小。
a 全断面开挖
4.4 对管棚和锚杆支护进行应力和位移分析
隧道施工中管棚和锚杆支护的应力模拟结果如图5所示。锚杆均受拉力，且拉力分布为；
靠近衬砌处拉力大，随着离衬砌距离逐渐增大其拉力逐渐减小。相应的，锚杆变形随着离衬砌距离增大而减小，且隧道上部的锚杆所受拉力，明显大于隧道下部的锚杆拉力。所以，锚杆支护能有效地提高整个支护体系的强度，并且锚杆的特点是其抗拉强度高，运用这一特点能使其克服岩土体较低的抗拉强度的不足。此外，管棚也均受拉力，中部变形最大，两侧变形逐渐减小，由此可见隧道的大部分围岩松动带来的变形压力由管棚所承担。所以，通过数值模拟和分析可知抑制拱顶围岩的变形和地面的沉降可以对管棚进行增加，这样能能够达到有效的抑制作用。
图5 管棚和锚杆支护应力及位移示意
本文依托重庆某软弱破碎围岩条件下的公路隧道开挖工程,运用ABAQUS数值模拟软件，对全断面法、台阶法以及CRD法共3种不同开挖条件情况进行数值模拟。
1) 3种开挖方式下围岩应力和位移分布一致，但CRD法相比其他两种数值较小。
2) 3种开挖方式造成的相对位移量关系：全断面法开挖>台阶法开挖>CRD法开挖，但位移量总体相差不大。综合减少围岩扰动及位移控制，CRD法开挖相对更适合于围岩破碎、裂隙发育的地质情况。
3) 在工程施工中，根据围岩情况合理增加管棚和锚杆支护能够有效提高整个支护体系和围岩体系强度，并且能有有效减小隧道围岩变形。
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