海沧疏港通道IV、V级围岩特大断面支护方案的变形特征有限元分析

2021-01-08甘港璐张文龙吴其泰赵羚子

工程技术研究 2020年23期

甘港璐，张文龙，吴其泰，赵羚子

（福建岩土工程勘察研究院有限公司上海福岩工程勘察分公司，上海 200000）

目前特大断面隧道工程在国内外建成并投入使用的例子并不多，该类工程结构受力复杂，设计、施工的综合难度大。隧道分步开挖工序多且相互影响，围岩应力变化情况复杂[1]。通过数值分析研究超大隧道、超大断面隧道及复杂环境与特殊地质条件下的隧道修建技术日益成为隧道设计与施工技术的主要研究方向。吴张中等[2]结合深圳横龙山隧道工程，通过数值计算分析了单次扩挖宽度力学特征；霍卫华[3]采用ANSYS模拟了大梅沙隧道双侧壁导坑法施工，研究了应力集中和卸荷效应引起拱顶和地表的大幅度沉降；叶均华等[4]分析了大跨度地下工程锚喷支护的塑性区分布。但是对IV、V级围岩等级下的特大断面隧道双侧壁导坑开挖支护、围岩变形的研究仍处于经验累积阶段，需要不断补充和完善。文章结合海沧疏港通道特大断面隧道的开挖支护工程，通过数值分析研究特大断面IV、V级围岩下支护的内力、变形情况，确定较为合理的支护方案，为相近工程方案设计提供参考与技术积累。

1 工程概况

拟建的海沧疏港通道工程特大断面隧道内空最大净跨达28.00m，最大开挖跨度达30.52m，为国内外已建或在建隧道断面最大跨度隧道。国内主要大跨度隧道如表1所示[5-6]。

表1 国内主要大跨度隧道

根据勘察数据与地质分析，隧道大跨度段穿过山体较差的节理裂隙发育带处，经统计，支护开挖过程中遇到的周边围岩级别及围岩破碎情况如表2所示。初步设计通过Midas GTS NX有限元软件对隧道与岩体建模，研究两种建议的支护方案：单初支双二衬（300mm的初期衬砌支护与两道厚度500mm的二次衬砌）、双初支单二衬（300mm、200mm的初期衬砌支护与厚度800mm的二次衬砌）。根据在复杂围岩条件下的支护体系的变形情况与安全性，确定在不同围岩等级下的最优支护方案。

表2 各组围岩参数表

2 数值建模

大断面施工段采用双侧壁导坑开挖，海沧疏港隧道最大断面设计施工步序如图1所示。施工的步序：进行超前支护，开挖左①土体，施作初期支护和临时支撑；开挖左②土体，施作初期支护和临时支撑；待两侧导坑贯通后，开挖上部核心土⑤，施作初期支护和内撑；开挖及支护⑥和⑦土体；隧道开挖完成后施作仰拱和两侧直墙；最后施作二次衬砌。两种支护方案主要区别为衬砌属性的不同（如表3所示）。

图1 海沧疏港隧道最大断面设计施工步序图

表3 支护参数表

结合施工开挖步骤，建立对应的隧道模型如图2所示。土体模型为210m×200m，共计329796个单元，约束模型四周水平位移，模型底部固定约束，上部自由。计算时围岩按弹塑性材料考虑，选择摩尔库伦屈服准则，上覆土体为全风化花岗岩（弹性模量E=0.5GPa，泊松比为0.28，容重为17kN/m3，黏聚力c=0.005MPa，摩擦角为28°），各组中风化花岗岩的参数如表2所示，隧道长40m。每次开挖进尺取5m，共分为8段。衬砌按完全弹性材料考虑，支护参数如表3所示。考虑网格耦合准确，对有型钢的初衬和二衬采用“代换刚架法”，在计算过程中将其弹性模量折算到喷射混凝土中[7]。

图2 土体和隧道FC5段网格划分图

3 计算结果

3.1 隧道围岩变形分析

第一段进尺各工况的拱顶沉降量如图3所示。取IV级围岩中1号和V级围岩中4号的第一环进尺的各工况的计算结果记录如图3（a）所示，可以观察到由于开挖土块后破坏了原本的围岩环境，拱顶的沉降量在开挖工况进行到中导坑上部开挖时显著增大，这是由于上导坑的土体开挖后，隧道断面拱顶与拱底不再由岩体连接，围岩压力逐渐转为由结构支护体系承担。各工况下拱顶的变形量规律和量级与类似项目接近，表明数值模拟能较好地反映实际中隧道开挖的围岩的变形特征[5-8]。

在IV级围岩中，两种支护方式在开挖过程中对围岩的变形控制效果基本一致；而在V级围岩中，单初支双二衬的支护方式拆撑后的拱顶沉降量小于双初支单二衬的，说明支护体系厚度相近的二次衬砌方案可以有效控制拱顶沉降变形，发挥较好的支护作用。在拆撑阶段拱顶沉降量均有一定增加。

V级围岩和V级围岩不同支护时隧道最终变形量如图3（b）所示，通过横向对比不同围岩下不同支护方式的隧道大断面段施工完成后围岩拱顶与拱底的最终变形量可以发现，随着围岩等级的增加，岩体的完整性降低，围岩的承载力减小，支护体系的变形增加。并且还可以观察到，不同围岩级别下双初支单二衬隧道变形量均比单初支双二衬大，特别在V级围岩环境下，双初支单二衬的支护方式下拱底隆起量最大达到了40mm，远大于单初支双二衬方式，故单初支双二衬的支护体系较双初支单二衬的支护体系在施工中控制围岩的变形的效果上较显著。

图3 第一段进尺各工况的拱顶沉降量

3.2 支护内力安全性分析

初衬主要承受围岩压力，二衬作为安全储备或承受少量围岩压力，为确保施工中的工程安全，应对初衬围岩安全系数提出一定要求，即初衬后围岩安全度不小于1.15～1.2。特大断面隧道在安装临时内撑进行第一道衬砌施工时，结构的支护受力体系变化显著，这也是支护体系较为危险的情形，因此以施工第一道初支和拆卸内撑的工况作为分析对象。

IV、V级围岩情形下隧道支护结构内力安全系数如图4所示。通过计算临时支撑及初期支护的抗弯极限承载力和轴心抗压极限承载力，并与数值模拟得到的最大弯矩及轴力作比值，得到在IV、V级围岩参数情况下，不同支护方式的临时支撑和第一道衬砌时内力弯矩的安全系数，如表4所示。由图4可知，两种工况下的支护体系的内力安全系数随着围岩等级增大而减小，单初支双二衬的方案均比双初支单二衬的安全系数高。在围岩等级较低的环境下两种支护方式均满足安全度要求，第一道初支工况中，IV级围岩与V级围岩相比，弯矩的安全系数相差了1倍，但在第五组的V级围岩环境下双初支单二衬的方式中，临时支撑工况和第一道初支工况的弯矩均较大，安全系数偏小。