矿山法在轨道交通隧道施工中的数值模拟及稳定性分析

方 燃,太 俊,范毅雄,邱 煜

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司,武汉 430010;2.中国科学院武汉岩土力学研究所,武汉 430071; 3.中国科学院大学,北京 100049)

0 引言

隧道开挖对围岩造成的伤害以及围岩对隧道施工的反作用一直以来都是隧道施工力学行为研究的热点与难点。轨道交通隧道大多处于地质环境十分复杂的地下空间中,同时围岩结构面复杂多变,由此给判别隧道稳定性带来巨大困扰。目前常用的隧道围岩稳定性研究方法主要分为5种:力学分析方法[1]、模型试验方法[2]、现场测试方法[3]、数值分析法[4-5]及工程类比法[6-7]。近年来随着我国经济的进步,轨道交通隧道建设在各发达城市中也随之兴起,一系列对围岩稳定性不重视而引发的事故让建造者付出了沉重的代价,对其进行深入研究则显得迫切且必要。本文针对西南地区某轨道交通隧道,结合有限元数值模拟,研究不同开挖方式对隧道结构稳定性的影响,并对隧道开挖支护提出建议。

1 工程介绍

该隧道为西南地区某试车线隧道工程,隧道长2 060 m,由明洞段和暗挖段组成,全隧道采用一字坡,坡度为2 %;在试车线隧道终点设1处斜井,斜井长83 m,斜井纵坡为11.56%。隧道及斜井采用矿山法施工,主要穿越强、中风化泥岩,埋深10～224 m。隧址区位于新华夏系第三沉降带四川盆地西缘的川西褶皱带中,主要构造体系为发育褶皱、断层各1条,对隧道进口、斜井出口有一定影响;隧址区范围内无大的地表水系,地表水主要为季节性沟水及较小的常年流水沟,流量受季节控制明显,雨季水量较大,旱季相对较小。本隧道明挖段采用拱形明洞衬砌,暗挖段采用复合式衬砌。洞口、破碎带、风机衬砌洞段支护及衬砌结构加强。

2 隧道施工数值模拟计算

2.1 模型的建立

根据现场实际情况,选择如图1所示的隧道断面建立三维计算模型。隧道埋深为100 m,上部60 m等效为外部荷载,锚杆直径22 mm,长度3 m,锚杆间距1.2 m×1.5 m,初步支护衬砌采用C25混凝土,厚150 mm。建立三维数值计算模型的尺寸为70 m×15 m×80 m(长×宽×高),仅考虑初次衬砌的支护作用,该隧道模型四周设置边界约束限制其横向位移,底部设置边界约束为横向和纵向约束位移,上表面为自由边界。

图1 典型隧道断面图

2.2 参数的选择

模型中所有围岩均遵循摩尔库伦屈服准则,设置衬砌、锚杆单元为弹性材料,衬砌锚杆与围岩之间采用嵌入接触。数值模拟计算中所用围岩、锚杆及衬砌的基本参数详见表1。

表1 围岩、锚杆及衬砌基本参数表

2.3 网格划分及单元

为了提高隧道开挖区域周边围岩应力应变的计算精度,隧道开挖区域的单元网格密度比周边围岩的单元网格密度要大。模型采用中等的网格密度以保证计算结果的准确性,网格划分过程中应考虑岩体、结构、荷载及边界条件等,岩体单元共划分19 008个单元,22 113个节点;衬砌单元共划分656个单元,1 476个节点;锚杆单元共划分1 140个单元,1 330个节点。Abaqus有限元网格的岩体、衬砌单元类型均为C3D8R,锚杆单元类型为B31。

(a)整体网格

2.4 施工工序模拟

利用Abaqus数值计算软件,从现场实际情况出发,对施工工序进行模拟,可分为4种类型的分析步。施工工况顺序:初始地应力平衡→软化开挖区域模量→激活锚杆和衬砌→移除开挖区域,开挖循环进尺为7.5 m,然后循环前述分析步骤直至隧道开挖结束。

3 围岩及支护结构稳定性计算结果分析

3.1 数值计算对比验证

采用现有郑西客运专线大断面黄土隧道[8]中有限元计算结果验证模型的准确性,针对文中洞身长大区段的老黄土段(Ⅳ级围岩)采用的弧形导洞法,选取与之相同的衬砌支护参数,同时要保持计算工况埋深100 m及各阶段的释放荷载系数等参数一致,模拟隧道开挖、施做初期支护的全过程,计算结果与现有文献中的数据对比见表2。由表2可知,2种不同的计算方法在拱顶下沉和水平收敛上偏差率仅为2.66%和3.26%,说明本文建模方法及结果正确,可用以进行后续计算分析。

表2 本文计算结果与现有文献数据对比验证

3.2 围岩位移、应力及塑性应变

无支护结构全断面开挖法的围岩竖向位移、围岩应力及塑性应变如图3～5。从图中可以看出,受隧道中心岩体开挖的影响,隧道顶部围岩主要发生下沉位移,相反,隧道底部围岩则会上拱,而隧道两侧围岩位移则相对较小,围岩最大下沉位移与最大上拱位移分别发生在隧道顶底端的中心处,这是由于开挖中心岩体时应力突然卸载,围岩会产生向内移动的趋势,各部分围岩均会产生拉应力,且隧道顶底部分围岩拉应力最小,两侧围岩拉应力最大,同时隧道中下部产生的围岩应力均大于上部围岩应力(隧道底端部分区域除外),相较于围岩位移而言,围岩应力受隧道开挖影响对应的围岩区域更广,而且不仅限于对应隧道跨径的顶底上下部分岩体。对于围岩塑性变形,其主要集中在隧道两侧一定范围内,最大塑性变形位于围岩边缘处。

图3 无支护时围岩位移分布云图

施工方法与支护措施的选取在控制隧道围岩稳定性方面起着至关重要的作用,大部分隧道工程所处地质环境比较恶劣,在隧道开挖过程中需要对坑道施以衬砌等支护措施以达到维持其稳定的目的。支护时两级台阶开挖法的围岩位移、应力及塑性应变如图6～8,其中台阶法施工中上级台阶高度为2 m。可以看出,当对隧道进行初步衬砌支护开挖时,围岩稳定性展现出的变化趋势与无支护开挖情况相似,即隧道内部仍然表现出了顶部围岩下沉、底部围岩拱起的变化趋势,两侧围岩竖向位移依旧较小;同样地,在隧道顶部和底部围岩压力最小,两侧部分围压较大,且整个隧道围岩内应力均表现出拉应力;围岩最大塑性变形出现在隧道两侧,有所不同的是,当采用有支护台阶法开挖时,围岩竖向位移和塑性变形明显减小,体现出锚喷支护可以有效增强隧道围岩的稳定性。

图4 无支护时围岩应力分布云图

图5 无支护时围岩塑性应变分布云图

图6 支护时围岩位移分布云图

3.3 支护结构内力

全断面开挖与台阶法开挖对应的支护结构内力分布结果如图9所示,图中台阶法开挖对应的上级台阶高度分别为2 m、4 m、6 m和8 m。由图可得,无论是全断面开挖施工还是不同高度的两级台阶开挖法施工,支护结构的最大应力均出现在隧道两侧中下部位,且位于锚杆入围岩较浅位置,此外,锚杆内力随着围岩厚度增加而有所减小。5种施工方案的支护结构内力最大值分别为3.52 GPa、2.93 GPa、2.43 GPa、2.30 GPa和2.93 GPa,全断面开挖法中支护结构内力最大,说明其在约束围岩变形作用方面效果更加明显,相应的围压位移也越小。

图7 支护时围岩应力分布云图

图8 支护时围岩塑性应变分布云图

(a)全断面法

3.4 台阶高度对围岩稳定性的影响

为分析不同开挖方案对围岩及支护结构稳定性的影响,将全断面开挖法及不同形式下台阶开挖法对应的围岩最大(小)位移、拉应力、最大塑性变形及支护结构内力最大值结果汇总于表3中。由表中数据可知,在无支护开挖的情况下,全断面开挖及两级台阶法开挖引起的围岩应力和位移均无显著差异,但塑性变形结果之间有较大区别,且全断面开挖对应塑性变形最小。当进入有支护条件时,不同开挖方案对应的拱顶下沉位移变化率和拱底上拱位移变化率分别在40%和38%以上,由此可见,采取锚喷支护措施能够有效减小围岩位移,隧道围岩也表现得愈加稳定,且全断面开挖方式的顶底最大位移比两级台阶开挖法位移结果更小,如图10所示。具体原因可能是全断面开挖施工时,衬砌是直接封闭成环形的,相应围岩承载能力比台阶法的非闭合衬砌强,产生的位移也相应较小;对于拉应力、塑性变形结果而言,全断面开挖法产生的最大围岩应力明显大于两级台阶法,而最小拉应力结果则较为相近,对应的最大塑性变形值最小,基本未见塑性区。在支护结构内力方面,全断面开挖法中支护结构内力最大,如图11所示,说明其在约束围岩变形作用方面效果更加明显,相应的围岩位移也越小,其结果与围岩位移、变形所得结论一致。

图10 不同开挖方案隧道顶底围岩位移

图11 不同开挖方案支护结构内力

表3 不同开挖方案对应研究参数最值结果

两级台阶法开挖施工中上级台阶高度对围岩应力及变形的影响如图12所示。由图可知,随着上级台阶高度的增加,即由2 m增长到8 m时,围岩最大拉应力值整体上呈现下降的趋势,同时围岩最大塑性变形在台阶高度达到6 m时最大,随后减小。

图12 上级台阶高度对围岩应力及变形的影响

4 开挖及支护优化建议

利用前述数值分析结果,可以得到无支护开挖与有支护开挖两个方面不同施工方式引起围岩稳定性之间的差别,从而给出适合不同地质条件的合理化开挖、支护建议。

4.1 无支护开挖

无支护条件下进行隧道开挖时,全断面开挖法与两级台阶法所得到的围岩应力和位移之间差别并不明显,而由围岩最大塑性变形的结果可以知道全断面开挖方案是优于台阶法开挖方案的,同时考虑到全断面开挖法施工更为便捷,工期更短,故无支护条件下全断面开挖法更优。

4.2 有支护开挖

在有支护条件下,全断面施工法的初次衬砌支护作用限制围岩变形的作用最为显著,约束隧道顶底端围岩移动进而达到最小值。究其原因,全断面施工法时初期衬砌支护是一次性封闭成环的,故支护结构受力性能更佳。因此,在现场围岩较好段落尽量选取全断面开挖法施工,如Ⅱ、Ⅲ级围岩地段。

基于前述考虑,可以知道初期衬砌支护在短时间内封闭能够有效减小围岩变形,围岩更加稳定。故在围岩地质条件较差的位置,如V级围岩地段,当不具备全断面开挖条件时,在使用台阶法开挖基础上,尽量快速地封闭初期衬砌支护成为重中之重。此时推荐采用“台阶法(带仰拱)一次开挖”施工方案[9-11],此法具有的技术特点:1)初期支护可以快速封闭成环,以形成合理的受力结构,对施工变形的控制有利;2)仰拱与下台阶同步开挖,减少了爆破次数,避免设备受损并能改善作业环境;3)充分发挥各工序平行作业特点,同时工序简化利于衔接,减少仰拱单独开挖造成的干扰,利于施工效率的提高。

在两级台阶法施工中,在确定台阶高度及长度方面,由于围岩最大拉应力随着上级台阶高度的增加整体减小,且在台阶高度为8 m时围岩塑性变形最小,结合操作便捷性及设备安放空间的需求,上级台阶开挖高度宜设置为8 m;为方便计算,此次模拟将台阶进尺长度固定为7.5 m,尚未考虑其对隧道开挖的影响,在现场施工中为保证隧道在开挖过程中的安全及围岩稳定,台阶长度可根据实际情况适当减小。

5 结论

以西南地区某隧道工程为例,通过对隧道围岩位移、应力、塑性区及支护结构内力的变化情况进行模拟,对比分析了全断面开挖法、有支护结构两级台阶法的隧道结构稳定性特征。在此基础上,进一步研究了不同台阶高度作用下的围岩稳定性及支护结构内力,综合评价不同开挖方案下轨道交通隧道的结构稳定性变化规律,为隧道开挖、支护优化设计提供参考。