高速公路软岩隧道开挖稳定性数值分析

2022-11-28张清帅

福建交通科技 2022年8期

■张清帅

（广西路建工程集团有限公司，南宁 530001）

随着我国基础设施建设进度的不断加快，越来越多的高速公路开工建设，高速公路建设过程中不可避免的穿越山川，修建过山隧道。在我国一些山区，岩体较为松散，这给隧道施工带来了挑战。

针对软岩隧道开挖稳定性问题，诸多学者开展了深入探讨，韦秉旭、袁健等[1-2]通过数值方法研究了山岭隧道CRD 和台阶开挖方法之间的异同，并从施工过程中隧道沉降、应力及塑性区发展等方面出发，探究了二者开挖之间的优劣；邵珠山、郄英华等[3-4]基于现场检测数据和数值方法，研究了软岩速调开挖过程的位移变化规律，成果为下阶段的隧道施工提供了有利建议；刘汉红、任兆丹等[5-6]通过数值模拟方法对比分析了不同开挖方法下隧道围岩稳定性问题，研究结果认为采用三台阶法以及双侧壁导坑法的变形控制效果更优。李沿宗、杜雁鹏等[7-8]则研究了隧道支护方式对隧道开挖稳定性的影响，并根据研究结论对该工程的支护参数进行了优化。本文以广西某高速公路软岩隧道施工为例，通过采用大型有限差分软件FLAC3D 建立数值分析模型，对采用三台阶预留核心土开挖过程中不同支护阶段的隧道位移进行了监测，并重点研究埋深对隧道位移的影响，研究结果可为公路软岩隧道的设计与施工提供理论参考和数据支撑。

1 工程简介

广西某高速公路隧道工程，隧址区地形起伏较大，地势陡峭，部分基岩裸露，隧道埋深在26.3～64.1 m。隧道围岩主要以砂岩为主，围岩裂隙发育，结构较松散，围岩自稳性较差，以V 级围岩为主。隧道设计断面采用多圆心弧组成，断面最大宽度为11.4 m，最大高度为7.3 m。隧道设计开挖方法为三台阶预留核心土开挖方法，具体开挖顺序为上台阶开挖、上台阶初支、中台阶开挖、中台阶初支、下台阶开挖、下台阶初支、核心土开挖以及核心土初支等，隧道断面及开挖流程如图1 所示。

图1 隧道断面示意图

2 数值模型构建

根据隧道典型断面情况，采用有限元软件构建三维数值模型，如图2 所示。隧道数值模型尺寸按实际大小和形状建立，考虑到隧道的大小以及开挖影响范围，模型长、宽分别取100 m 和20 m，高度80 m；模型上边界外未约束，其他边界均进行位移和边界约束，分别对隧道埋深30 m、60 m 和90 m进行分析。按照设计资料，隧道支护依次采用钢拱架、喷射混凝土（厚度25 cm）、二次衬砌（厚度40 cm）。围岩采用实体单元，衬砌采用结构单元，V 级围岩采用摩尔库伦本构模型；整个模型的网格数为13268 个。

图2 数值模型图

为了便于计算，通常需要对材料参数进行简化，本文将钢拱架、钢筋等弹性模量均等效折算在混凝土上：

式（1）中：E 和E0分别为折算后和折算前的混凝土弹性模量，Eg为钢拱架的弹性模量，Sc为混凝土截面面积，Sg为钢拱架横截面面积。

围岩基本物理力学计算参数见表1，喷砼和二衬的力学参数见表2。

表1 土体的物理力学参数

表2 喷砼、二衬力学参数

3 数值结果与分析

3.1 隧道开挖过程围岩竖向位移变化规律

不同台阶开挖支护后的隧道及围岩的竖向位移变化规律如图3 所示，以隧道埋深30 m 为例进行分析。由图3 可知，隧道开挖过程中拱顶沉降最大，拱底发生不同程度的隆起，上台阶、中台阶以及下台阶初支后的拱顶位移分别为7.72 mm、9.14 mm、10.06 mm。全部初期开挖支护后的竖向位移如图4 所示，拱顶位移为11.38 mm，各阶段沉降均在控制范围内。

图3 不同台阶开挖支护后的竖向位移云图

图4 全部初期开挖支护后的竖向位移云图

3.2 开挖过程中隧道位移监测分析

不同隧道埋深时各开挖阶段隧道拱顶竖向位移及拱腰水平收敛位移变化结果如图5 所示。

（1）根据图5（a），当隧道埋深为30 m 时，上台阶初支完成后以及中台阶、下台阶、全部初支完成后的竖向位移分别为7.72 mm、9.14 mm、10.06 mm和11.38 mm，由此，上台阶初支、中台阶初支、下台阶和核心土初支过程中竖向位移产生量分别占竖向位移总量的67.84%、12.48%、8.08%和11.60%。对应的，上台阶初支完成后以及中台阶、下台阶、全部初支完成后的水平位移分别为5.96 mm、8.94 mm、9.92 mm 和10.32 mm，由此，上台阶初支、中台阶初支、下台阶初支和核心土初支过程中水平位移产生量分别占水平位移总量的57.75%、28.86%、9.88%和3.87%。因此，当隧道埋深为30 m 时，上台阶开挖过程中产生的位移最大，其次是中台阶开挖，二者位移量之和约占总沉降量的80.3%。

（2）根据图5（b），当隧道埋深为60 m 时，上台阶初支完成后以及中台阶、下台阶、全部初支完成后的竖向位移分别为11.19 mm、13.36 mm、15.14 mm和16.68 mm，由此，上台阶初支、中台阶初支、下台阶和核心土初支过程中竖向位移产生量分别占竖向位移总量的67.09%、13.01%、10.67%和9.23%。对应的，上台阶初支完成后以及中台阶、下台阶、全部初支完成后的水平位移分别为8.01 mm、13.07 mm、16.05 mm 和16.28 mm，由此，上台阶初支、中台阶初支、下台阶初支和核心土初支过程中水平位移产生量分别占水平位移总量的49.20%、31.08%、18.30%和1.41%。因此，当隧道埋深为60 m时，上台阶开挖过程中产生的位移最大，其次是中台阶开挖，二者位移量之和约占总沉降量的80.4%。

（3）根据图5（c），当隧道埋深为90 m 时，上台阶初支完成后以及中台阶、下台阶、全部初支完成后的竖向位移分别为 14.16 mm、16.38 mm、18.25 mm 和20.63 mm，由此，上台阶初支、中台阶初支、下台阶和核心土初支过程中竖向位移产生量分别占竖向位移总量的68.64%、10.76%、9.06%和11.54%。对应的，上台阶初支完成后以及中台阶、下台阶、全部初支完成后的水平位移分别为9.98 mm、16.72 mm、19.26 mm 和21.01 mm，由此，上台阶初支、中台阶初支、下台阶初支和核心土初支过程中水平位移产生量分别占水平位移总量的47.50%、32.08%、12.09%和8.33%。因此，当隧道埋深为90 m时，上台阶开挖过程中产生的位移最大，其次是中台阶开挖，二者位移量之和约占总沉降量的79.6%。

图5 不同隧道埋深时各开挖阶段位移对比

3.3 隧道埋深对位移影响分析

隧道埋深对位移影响曲线如图6 所示，由图6（a）可知，随着隧道埋深的增大，各阶段的隧道竖向沉降均增大，全部开挖完成之护完成后对应隧道埋深30 m、60 m 和90 m 时的竖向位移依次为11.38 mm、16.68 mm 和20.63 mm，相比于隧道埋深30 m 时，隧道埋深60 m 和90 m 时的竖向位移分别增大了46.6%和81.3%。由图6（b）可知，随着隧道埋深的增大，各阶段的隧道水平位移均增大，全部开挖完成之护完成后对应隧道埋深30 m、60 m和90 m 时的水平位移依次为10.32 mm、16.28 mm和21.01 mm，相比于隧道埋深30 m 时，隧道埋深60 m 和90 m 时的水平位移分别增大了57.8%和103.6%，值得注意的是，核心土开挖对隧道水平位移影响较小。