基于数值模拟的两种隧道开挖工法对比研究

2021-04-23许修亮张魏魏

北方交通 2021年4期

许修亮，张魏魏

(保利长大海外工程有限公司广州市 510000)

0 引言

目前隧道常用的开挖工法包括三台阶法[1]、CD法[2]、CBD法[3]、双侧壁导坑法[4]等，并对这些工法开展了众多的研究。郝德亮[5]针对采用CD开挖法的大跨隧道的施工安全性开展分析，发现跨度越大、围岩条件越差、开挖断面越大，隧道整体安全系数越低。左宇军等针对含煤系岩层隧道，对比了台阶法、CRD法以及核心土法下的隧道应力应变，并提出了不同施工工法下的建议[6]。秦昊等采用离散元程序3DEC，分析了软弱围岩环境地下通道在全断面法与台阶施工方法下的对比，提出台阶法更佳，且上台阶开挖高度的降低利于围岩应力的转移[7]。程邦富与程林针对软弱围岩下的大变形与塌方问题，结合实际工程对比了二台阶预留核心土法、三台阶预留核心土法与单侧壁导坑法下的围岩变形与应力特性，提出三台阶预留核心土法最为适合[8]。

尽管现有隧道开挖工法已有较多的研究成果，但不同隧道面临着不同的地质与地形条件，隧道断面尺寸、埋深等均有所不同，一些具体工程尚需开展具体研究。在综合考虑地质、地形与施工条件的基础上，构建包含隧道开挖施工步骤的三维有限元模型，开展相应的施工参数优化，可为实体工程提供技术指导。

1 模型构建

1.1 施工步骤

某隧道长550m，埋深50m，上覆岩体以及穿越围岩为强风化中砂岩。初期支护结构由C25钢筋混凝土和I20a钢拱架以及直径22mm的系统锚杆组成。利用GTS-NX自带的施工阶段助手实现对施工阶段进行模拟。按照计划，开挖工法为三台阶法，每个台阶长度为8m，每次循环进尺为2榀钢拱架，钢拱架间距为0.8m，每榀进尺完成之后随即施作初支结构和系统锚杆。在GTS-NX中完成这一系列施工步骤的模拟，其关键点是明确各个工序之间的先后顺序。

1.2 模型参数

采用隧道模拟中常用的等效原理，将喷射混凝土、钢筋网、钢拱架组成的结构体看成一种复合结构体，其弹性模量理应由各组成材料按照一定的比例累加而成。假设等效之后初期支护结构的弹性模量为E，C25喷射混凝土的弹性模量为E0，I20a工字钢的弹性模量为Eg。E的计算式为：

(1)

式中，Sc为C25混凝土面积，Sg为I20a工字钢的面积。相邻钢拱架间距为80cm，喷混厚度为27cm。取出的计算单元长度为80cm，单元厚度为27cm，如图1所示。I20a工字钢的标准面积为35.578cm2，弹性模量为206GPa；C25混凝土弹性模量为28GPa。代入式(1)计算得到等效之后初期支护结构的弹性模量为31.5GPa。

综上所述，隧道三维模型参数可按照表1选取。假设围岩岩体为各向同性，且符合摩尔-库伦强度准则。将初期支护结构和系统锚杆视为线弹性体。建立的三维模型由围岩、开挖部分、支护部分和系统锚杆组成。

表1 隧道三维模型参数的取值

2 施工参数优化

2.1 工法选择

利用建立的隧道三维有限元模型，分别考察选择三台阶法开挖还是CD法来开挖此断面更有成本优势。为保险起见，进行三维建模时不考虑钢架网和系统锚杆、超前小导管以及注浆的作用，围岩开挖过程中的释放比例定为100%。判定两种工法更有成本优势的依据为：

(1)某工法下的围岩沉降和屈服应力不满足要求时，直接排除掉；

(2)当第1条同时具备时，则比较两种工法的开挖步骤。

两种工法均按照每榀进尺1.6m进行模拟。对于台阶法，每台阶完成2次进尺之后开挖下一个台阶，直至完成开挖；对于CD法，待左侧围岩下台阶开挖10m之后开始右侧上台阶开挖，当右侧下台阶开挖10m之后开始拆除中隔壁。

取进洞3m处的拱顶点作为考察点，对两种工法开挖模式下围岩的沉降和应力进行分析，结果如图1所示。可以看出，由于需要拆除中隔壁，CD法比三台阶法多出一些工序。在沉降方面，CD法施工造成的隧道沉降明显要比三台阶法小，而且沉降累计速率同样较小，在拆除中隔壁之后，两种工法造成的最终沉降并无区别；应力方面，三台阶开挖过程中，围压应力的释放速率较快，曲线快速下降，意味着三台阶法开挖之后，对随后的支护工序有时间要求，越早施作初期支护越好，而CD法开挖时，围岩应力释放速度较为缓慢，对后续支护结构的及时性要求没有三台阶法高。

图1 两种工法下拱顶的变形TZ和VonMises应力的比较

进一步地，将两种开挖工法下隧道围岩的最大沉降量和VonMises应力统计如表2所示，结合上述分析的结果，可得出这样的初步结论：仅从沉降和应力的角度来评估，采用三台阶法和采用CD法对隧道围岩的影响程度差别很小；从工序上来讲，三台阶法避免了拆装临时中隔壁而节省了一定数量的施工步骤，是一种安全且节省施工成本的工法。需要注意的是，本文是以稳态的方法进行有限元计算，因此暂不考虑围岩应力释放速率等与时间相关的因素。

表2 两种工法下的最大沉降量和VonMises应力统计

2.2 开挖进度选择

分别考察不同进尺下该断面围岩的沉降变化趋势，开挖工法选为三台阶，每次进尺分别选为2榀、3榀、4榀，每榀0.8m，其他未详之处与前文相同。计算结果见图2所示。距离洞口不同深度处隧道拱顶的沉降量随开挖步骤的推进先快速增大随后趋于稳定。三种进尺下隧道围岩稳定之后的沉降量差别不大，但达到稳定所经历的路径差异明显。换言之，三种进尺下沉降的增长率明显不同。为继续探讨沉降增长率的影响，将图2(a)中的数据取出，并假设开挖步骤与测量时间具有一致性，将开挖步骤等效为测量时间t，利用回归分析的方法得到隧道沉降量y和测量时间t之间的拟合关系，如图3所示。拟合参数如表3所示。

图2 不同开挖进尺下拱顶沉降量的比较

图3 不同开挖进尺下拱顶沉降数据的拟合结果

分别对拟合函数求导得到三种开挖进尺下隧道沉降量的增长速率dy/dt。假定沉降量单位为mm，时间单位取为天，可得到开挖初期阶段不同时刻下沉降增长速率的取值，典型结果见表4所示。需要注意的是，为了分析的方便，这里的时间t是一个虚拟单位，沉降量单位是一个假定的情况，实际工程中只需根据监控量测的时间单位和变形单位重新获取拟合函数关系即可。

表3 拟合参数表

表4 不同时刻下隧道围岩沉降增长速率的典型值(mm/d)

根据铁路行业施工准则和本项目的监控量测标准，隧道围岩的沉降速率需符合表5中位移管理等级中的规定。结合表4中的数据可以发现，当进尺取为3.2m时，隧道围岩沉降的增长速率在开挖之后迅速超过约定的5mm/d，是一个需要引起重视或者不推荐的进尺选择。因此，在围岩条件没有大幅度提升的前提下，建议本项目的F2断面隧道的开挖进尺选择不宜超过3.2m/次。