台阶长度对软岩隧道台阶法施工影响分析

武建林,吴 迅,蒋仁国

(1. 同济大学土木工程学院, 上海 200092；2. 中交一公司集团有限公司, 北京 100024)

围岩力学性质及稳定状态对隧道施工安全至关重要.复杂和软弱围岩常会导致施工风险,是隧道工程施工的难点.对于软弱围岩,改变开挖方法、优化施工参数以及增大支护刚度可以有效限制围岩变形.我国学者对软岩隧道的围岩变形和施工措施进行了探讨和研究.文献[1]研究MIDAS/GTS模拟台阶法和双侧壁导坑法施工对隧道围岩稳定性的影响;文献[2]通过现场试验对比分析两台阶法和三台阶法,确定在围岩条件较差情况下三台阶法可以有效控制大变形的产生;文献[3]通过数值模拟分析三种不同台阶长度施工对隧道的影响,最终确定5 m台阶长度最为符合工程需要;文献[4]分别对超短台阶、短台阶和长台阶法进行数值模拟,得出采用超短台阶法施工能有效的减小拱顶沉降和地表沉降;文献[5]通过数值模拟和现场监测得出增强初期支护的刚度与强度能有效地控制围岩大变形.

本文针对成昆铁路新白石岩隧道工程,通过数值方法模拟三台阶法施工,并分别对微台阶法和短台阶法施工进行模拟,对比分析隧道开挖引起的拱顶沉降、地表沉降以及围岩应力,为类似围岩隧道施工提供参考.

1 工程概况

成昆铁路新白石岩隧道位于曼滩和越西南区间,全长6 333 m,最大埋深约为470 m,隧道为单洞双线,隧道断面净宽为14.68 m,净高为10.13 m.隧道地表起伏较大,整体地质条件较差,存在岩溶、活动性断层、泥石流和危岩落石等不良地质.洞身主要为白云岩夹白云质灰岩、泥岩和砂岩等,多以Ⅳ级围岩为主,部分为V级围岩,对这种特殊地质的研究可为工程的实施提供依据.

本文以出口段里程D2K316+40—D2K316+100段为研究对象,标段长60 m.洞身围岩为泥岩夹砂岩为主,岩体较破碎,为V级围岩,拟采用三台阶法施工.

2 数值模拟

隧道埋深较大,模型顶面至隧道拱顶取50 m,将计算高度外的土体重度等效为不均匀分布力施加在模型顶面来模拟隧道不同的埋深以及上覆土层厚度.根据圣维南原理,地下工程的影响范围为3～5倍洞室内径,所以计算模型取高100 m,宽100 m,长60 m.围岩采用Mohr-Coulomb准则进行计算;考虑到隧道开挖过程中围岩需要释放应力,本模型采用刚度折减法,设置开挖围岩的弹性参数随场变量而减小，以此来模拟围岩应力释放的过程,应力释放系数取0.6[6-7].本隧道模型采用锚杆和喷射混凝土衬砌支护,钢筋网和钢拱架折算到衬砌上,具体力学参数见表1所示.

表1 围岩及初期支护参数

由于隧道直径大、围岩差,因此考虑采用短台阶法和微台阶法进行施工模拟.两种方法的主要区别在于台阶开挖长度不同,微台阶法的台阶长度为3 m,短台阶法的开挖长度为10 m.施工模拟的目的在于控制应力释放程度、增加开挖围岩的稳定性.图1为两种台阶法施工的三维模型.

(a) 短台阶法施工

(b) 微台阶法施工

3 结果分析

3.1 隧道开挖位移

1) 地表沉降,图2为采用不同台阶长度施工时的地表沉降,由图2可知,隧道正上方地表沉降值最大,两测沿中心线呈对称分布;微台阶法施工时地表最大沉降值为67.7 mm,短台阶法施工时的地表最大沉降值为69.9 mm.相比短台阶法,采用微台阶法施工可以有效减小地表整体沉降;图3为不同台阶长度下施工地表沉降曲线,由图3可知,沿隧道中心左右两侧近似对称分布,采用微台阶法施工时,地表沉降曲线小于短台阶法.综上可知,合理减小台阶开挖长度,能够有效减小因隧道开挖而引起的地表沉降.

(a) 短台阶法施工

(b) 微台阶法施工

图3 地表沉降曲线

2) 拱顶沉降,从图4中可以看出,两种台阶法施工后围岩上部拱顶和拱底变形特征相似,均表现为向内挤压,围岩竖向位移在拱顶和拱底处较大.开挖过程中拱顶沉降的影响范围较大.上台阶开挖后短台阶法和微台阶法施工的拱顶沉降分别为137.6 mm和85.7 mm.图5为不同台阶开挖长度下隧道拱顶沉降曲线,随着开挖步的推进,两种开挖方法对应的沉降规律均为先期沉降速度较快,后期逐渐减缓并最终趋于稳定.

(a) 短台阶法施工

(b) 微台阶法施工

图5 隧道围岩拱顶沉降曲线

由图5和表2可以看出,隧道在开挖过程中拱顶沉降主要发生在上台阶开挖后.不同台阶开挖长度和不同开挖步骤下拱顶的最终沉降值均有差别.采用短台阶法施工时,最终沉降值为207.7 mm,其中上台阶支护后拱顶的沉降为137.6 mm,中台阶、下台阶以及仰拱支护后拱顶沉降量分别为27.2、17.7、11.7 mm;采用微台阶法施工时,最终沉降值为184.6 mm,其中上台阶开挖支护后拱顶沉降为85.74 m,中台阶、下台阶以及仰拱支护后拱顶沉降量分别为29.4、20.7、35.7 mm.两种开挖方法在上台阶开挖后产生的拱顶沉降占最终沉降的46.4%和66.2%.当采用台阶法施工时,上台阶开挖对围岩扰动较大,造成开挖后对拱顶影响大,引起很大的变形,容易发生拱顶坍塌现象;采用微台阶法有效降低了上台阶开挖后对围岩的影响,使得拱顶沉降减小,保证围岩稳定.

表2 两种方法开挖过程中拱顶沉降 mm

3.2 隧道开挖应力

从表3可以看出隧道开挖过程中的围岩受压状态,应力场整体呈对称均匀分布.围岩的最大、最小主应力的最值都集中在拱腰和拱脚附近,存在较大的压应力,施工时应该注意并加强监控量测,防止拱腰以及拱脚处因围岩压力过大而产生变形,引起喷射混凝土的开裂,从而影响围岩稳定性和隧道结构的安全性.

表3 两种施工方法特征点主应力计算结果表 kPa

4 结论

采用ABAQUS数值软件模拟新白石岩隧道工程三台阶法施工,并分别对微台阶法和短台阶法进行模拟对比分析,主要得到以下结论:

1) 隧道中心线地表沉降值最大,沉降曲线沿中心线左右近似对称.采用微台阶法相较于短台阶法而言,中心线上地表沉降变化较小,而地表整体沉降变化较大.

2) 采用台阶法施工时,上台阶开挖对围岩扰动较大,拱顶沉降在最终沉降中所占比重较大.在上台阶施工后短台阶法拱顶沉降为137.6 mm,而微台阶法为85.7 mm,减小了约38%,微台阶法的最终拱顶沉降较短台阶法的沉降减小了11%.结果表明,改变台阶长度可以有效减小上台阶开挖后的拱顶沉降,保证隧道施工安全.