水工隧洞上下台阶法开挖的数值模拟研究

2022-08-12吕金辉

黑龙江水利科技 2022年7期

吕金辉

(中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州 450001)

0 前言

随着国家的经济不断发展，越来越多的隧洞工程应运而生，对此学者们也进行了大量的研究。杨洋等利用FLAC3D对隧洞穿越含煤地层时，隧洞的位移和变形、围岩应力变化进行了研究，研究结果表明：不同的工况条件下，隧洞的位移和变形均有所不同。李钊等对隧洞台阶长度对隧洞变形的影响进行了研究，研究结果表明：台阶长度对隧洞围岩应力、塑性区范围有较大的影响。闫肃利用数值模拟技术，对隧洞开挖的长度、高度进行了优化研究，研究结果表明：开挖台阶的长度应当控制在5m范围内，可以保证拱顶沉降和水平位移控制在合理的范围内。彭波对双侧壁导坑法、三台阶七步法和双侧壁结合台阶法三种开挖方法进行了数值模拟研究，研究结果表明：双侧壁更适合超大断面扁平结构隧洞。李希文等利用FLAC3D对隧洞围岩变化规律进行了研究，研究结果表明：台阶法施工中竖向位移普遍大于水平位移。朱海涛对不同的开挖方法对地表沉降规律和预测曲线进行了研究，研究结果表明：台阶法适合常规隧洞的开挖。梅竹结合一实际隧洞工程，利用数值模拟对隧洞开挖的整个过程进行了研究，研究结果表明：Ⅳ级围岩更适合台阶法施工，更利于提高衬砌的安全性。谭忠盛等认为长大隧洞更适合地质地层隧洞大断面开挖工法，并通过现场实验证明：此类开挖工法可减少对围岩体的振动。王传勇结合一地铁隧洞项目，提出了在标准段进行上台阶和下台阶进行盾构施工，通过实践表明此类施工方法能够缩短工期，控制沉降。欧予月通过工程造价软件对CD法进行了研究，研究结果表明：CD法施工时序复杂、工期长且经济性差[1-2]。

以上的研究多集中于不同施工方式对隧洞施工的影响，没有涉及到隧洞开挖的整个过程，因此文章结合一实际隧洞工程，利用上下台阶法还原了隧洞开挖的全过程，对隧洞开挖进行了研究。

1 工程概况

该隧洞位于我国西部地区，经地质勘察岩土体主要由风化土、风化岩和软岩组成，采用上下台阶法对隧洞进行支护，隧洞的尺寸如图1所示，岩土体的物理力学性质如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

图1 隧洞尺寸图(单位：m)

2 数值模拟

2.1 模型的建立

数值模拟采用MIDAS GTS进行模拟，选择的岩土体的尺寸长×宽×高为90m×50m×60m(图2)，此边界长约是隧洞的4倍，高约是隧洞的3倍，经试算此边界的长或高增加1m，隧洞的受力和位移变化不超过0.1%，说明隧洞边界的选取是合理的。

数值模拟中隧洞衬支选择板单位，材料属性为各向同性的弹性模型，厚度为0.2m，弹性模量为2×107kN.m2，泊松比为0.31，容重23 kN.m3，二衬选择3D实体单元，弹性模量为3.15×107kN.m2，泊松比为0.28，容重25kN·m3，锚杆选择植入式桁架单元，弹性模量为2×108kN·m2，泊松比为0.26，容重78kN·m3。

岩土体和隧洞均选择混合四面体网格，数值模拟计算至隧洞平衡时结束。

2.2 模拟的结果

2.2.1 位移分析

加固边坡后的竖向位移和总体位移如图3和图4所示。

图4 隧洞岩土体总体位移(单位：m)

如图3所示，隧洞岩土体拱底处的竖向位移最大位于拱底处，数值为8.3mm，拱顶处竖向位移方向竖直向上，数值为1.2mm，地面的位移方向主要是竖直向下，数值为5.4mm，位于隧洞的正上方。以上的数值均不超过20mm，说明上下台阶法开挖时，隧洞岩土体的竖向位移是控制在工程允许的范围内的，不会对隧洞安全造成隐患。

位移<5mm的岩土体所占整个岩土体的70%，超过50%的岩土体几乎没有竖向位移，说明隧洞施工并不会对周围岩土体造成过大的扰动。

如图4所示，隧洞岩土体拱底处的总体位移最大位于拱底处，最大数值为9.3mm，拱顶处总体位移最大数值为1.3mm，地面的位移方向主要是竖直向下，数值为5.4mm，位于隧洞的正上方。依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202-2013)可知，以上的数值均不超过20mm，说明上下台阶法开挖时，隧洞岩土体的总体位移是控制在工程允许的范围内的，不会对隧洞安全造成隐患。

位移<5mm的岩土体所占整个岩土体的69%，超过48%的岩土体几乎没有位移，说明隧洞施工并不会对周围岩土体造成过大的扰动。

2.2.2 应力分析

隧洞岩土体X和Z轴方向所受应力如图5和图6所示。

图5 隧洞岩土体所受X方向的应力(单位：kN/m2)

图6 隧洞岩土体所受Z方向的应力(单位：kN/m2)

隧洞岩土体所受X方向的应力如图5所示，应力主要集中于软岩区域，即隧洞开挖所在的岩土体，风化岩与软岩交界处出现少量的应力集中岩土体，此处岩土体最大应力为4.5×10-2kN/m2，位于隧洞左右两侧，所占比例约为5%，隧洞开挖面周围岩土体超过30%比例应力超过2.0×10-2kN/m2，此数值不超过岩土体所受的最大塑性屈服极限，可认为隧洞开挖对岩土体X方向的应力满足工程要求。

风化土和风化岩区域的应力几乎没有任何变化，说明风化土和风化岩区域施工中可以不作重点考虑。

隧洞岩土体所受Z方向的应力如图6所示，应力主要集中于软岩区域，最大应力为8.7×10-2kN/m2，位于隧洞左右两侧，所占比例约为6%，隧洞开挖面周围超过35%比例岩土体应力超过2.3×10-2kN/m2，此数值不超过岩土体所受的最大塑性屈服极限，可认为隧洞开挖对岩土体Z方向的应力满足工程要求。

风化土和风化岩区域所受Z方向应力几乎没有任何变化，说明施工中风化土和风化岩区域可以不作重点考虑。

2.2.3 数值模拟总结

位移方面从水平位移和总体位移进行了研究，研究结果表明：地表处水平位移和竖向位移均控制在合理的范围内，此位移不会对周围岩土体造成不良的影响。

选择了隧洞岩土体的X方向和Z方向的受力进行了研究，研究结果表明：应力主要集中于隧洞左右两侧，同时主要集中于软岩区域，风化土和风化岩区域几乎不受影响，说明隧洞防治应力集中的重点在于软岩区域，尤其是隧洞开挖区域，另一方面，应力集中区域岩土体所受最大应力均控制在合理范围内，同样也不会造成不良影响。