花岗岩隧道开挖围岩变形特性数值分析

郭 庆,郭颜沛,兰素恋,刘友能

(1.中铁十七局集团第一工程有限公司,山东 青岛 266500;2.广西职业技术学院,广西 南宁 530226;3.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;4.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007)

0 引言

隧道建设是公路、铁路工程中施工难度最大、技术含量最高的系统性工程之一。隧道开挖诱发的围岩稳定性问题一直以来都是工程界研究的焦点,在隧道开挖期间,对围岩变形进行合理地预测和控制对保证隧道施工安全具有十分重要的意义[1]。近年来国内外有关学者在隧道开挖诱发围岩变形方面开展了较为深入的研究,例如甘安武等[2]建议采用BP(back propagation)神经网络方法反演以获得隧道围岩的力学参数,并基于强度折减法对隧道围岩的稳定性进行数值模拟,分析隧道拱顶沉降情况,并通过参数拟合给出围岩的自稳系数;轩元等[3]采用Midas GTS有限元分析软件对不同施工条件下的红河隧道工程进行了三维数值计算分析;戚翼等[4]采用FLAC 3D软件对哈尔滨地铁二号线隧道工程进行了三维建模,并模拟分析了隧道开挖前后拱顶和地表位移的变化趋势。由于地质条件、支护结构及施工工艺等因素的影响,在实际工程施工时常常会出现一定程度上的不稳定现象。因此,研究施工过程中隧道围岩的变形情况并有效地预防或减少不稳定现象的发生具有重要意义[5-6]。

广西花岗岩分布广泛,分布区主要包括桂东南、桂南、桂东及桂北、桂东北等区域,揭露花岗岩岩组面积约为19 393.4 km2[7]。“十四五”期间,随着广西快速公路网建设的迅速推进,高速公路、铁路建设大范围地穿越花岗岩地区,花岗岩隧道开挖的稳定性问题受到了越来越多的关注。为了更加深刻地认识花岗岩隧道开挖所诱发的围岩变形的规律,本文在相关研究的基础上,以国道G219防城港峒中至东兴公路工程马鞍坳隧道为例,采用大型有限元分析软件ABAQUS,对花岗岩隧道开挖过程中围岩的变形规律和关键点位移的变化情况进行数值模拟,其研究成果可供同类工程借鉴。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

所研究隧道位于防城港市防城区峒中镇,为分离式隧道。隧道从防城港市防城区大坑村穿入,自防城区高林瑶寨穿出。隧道右线起于K4+425,终于K8+180,全长3 755 m,隧道路基设计高程为295.364～381.764 m,最大埋深约为385.77 m,约位于K6+510处;左线起于ZK4+405,终于ZK8+175,全长3 770 m,隧道路基设计高程为295.671～381.513 m,最大埋深约为402.22 m,约位于ZK6+500处。隧道峒中端洞口位于半径R=600 m的圆曲线上,东兴端洞口左线位于半径R=1 500 m圆曲线上,其余均为直线段,隧道左、右线纵坡均为i=-2.39%。左右线均属特长隧道,隧道进、出口均采用削竹式洞门。隧道纵断面设计综合考虑了隧道长度、通风、排水、洞口位置及洞口线形等因素。

1.2 不良地质与水文地质条件

(1)隧址未发现不良地质作用和特殊性岩土。

(2)隧道地区内地表水主要为冲沟水,隧道进出口均有冲沟存在。隧道进口附近冲沟位于隧道北侧,距离隧道最近处约60 m,属季节性冲沟,自东向西流,峰水季节水量较大,枯水季节干涸。此外,该冲沟于K5+500附近与隧道斜交,该处隧道埋深约230 m,主要岩土体为微风化花岗岩,为弱透水层,故冲沟对隧道的影响较小。隧道出口附近冲沟位于隧道东侧,距离隧道最近处约140 m,属季节性冲沟,自北向南流,峰水季节水量较大,枯水季节干涸,该冲沟对隧道的影响较小。

(3)隧道区地下水主要为第四系覆盖层中的孔隙水和侵入岩风化带的网状裂隙水。第四系覆盖层中的孔隙水主要接受大气降水的深入补给,含水层赋水性差,地下水位变化大,平时干涸无水。侵入岩风化带的网状裂隙水主要由大气降水补给,通过构造裂隙、层间裂隙和风化裂隙作短距离径流,在地形切割低洼处以散流、泉的形式排出地表,汇集成沟溪,一般泉水多为季节泉,枯水季节干涸。

1.3 隧道开挖方式

隧道有Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩分布,其中Ⅴ级围岩主要分布于隧道进出口段,局部在洞身段,围岩为强-中风化花岗岩,裂隙很发育-发育,节理裂隙向下切割隧道围岩,局部岩块松动,易形成危岩。根据新奥法原理,隧道洞身采用初期支护和二次衬砌相结合的复合式衬砌进行变形控制,即以锚杆、湿喷混凝土、型钢钢架等为初期支护,模筑混凝土为二次衬砌。隧道施工方法采用台阶,最大断面宽度设置为10.6 m,洞高8.65 m,最大埋深约为402 m。该区段内不考虑地表水与地下水对工程的影响。隧道的断面尺寸如图1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 数值模型的建立

利用有限元分析软件ABAQUS对隧道进行建模分析[8],如图2所示。为研究隧道开挖围岩的变形演化规律,模拟山区隧道情况,模型的长、宽分别设置为108 m和30 m,左侧和左侧高度分别为88 m和48 m,共计45 075个单元。对模型底部变形进行完全约束,模型两侧限制x方向位移,前后限制y方向位移。

图2 有限元计算模型图

2.2 计算参数选取

研究工程区段内,围岩主要以Ⅴ级围岩为主。采用摩尔-库仑本构模型进行岩体建模,初期支护由喷射混凝土、径向锚杆、钢筋网及工字钢钢架(或格栅钢架)组成,采用模筑混凝土为二次衬砌,与初期支护组成复式衬砌。围岩岩体的物理力学参数如表1所示,混凝土、钢架和锚杆所对应的物理力学参数如表2所示。

表1 围岩岩体物理力学参数表

表2 混凝土、型钢及锚杆的物理力学参数表

2.3 模型分析方案

隧道开挖方法采用台阶预留核心土法,开挖顺序如图3所示。首先开挖上台阶,随后开挖左、右两侧边墙,最后开挖下台阶,开挖掘进尺度为2 m,每步开挖后进行相应的初期支护和临时支护[9]。在模拟过程中,通过钝化和激活相关网格,以施加和消除边界和荷载条件,主要步骤为:施加地应力,为消除地应力对变形的影响,应力施加后系统自动对位移进行归零处理;通过网格的钝化和激活操作,对开挖和和支护步骤进行模拟。

图3 台阶预留核心土法工序示意图

3 数值计算结果分析

3.1 开挖过程中围岩变形分析

在隧道施工过程中,隧道的开挖会诱发周围岩土发生变形,从而影响隧道的稳定性。本研究隧道采用预留核心土法进行开挖,每开挖3次循环,进行二次衬砌,直至隧道开挖完毕。限于篇幅,本文取第3个循环、第8个循环、第15个循环和第41个循环时,隧道洞口的位移状态进行分析,如图4所示,图中给出了不同循环开挖循环次数下围岩的竖向位移云图。

(a)第3个循环

由图4可以看出,隧道开挖后,其底部核心土出现隆起现象,最大隆起位置出现在底部核心土中轴线上附近的临空面,其位移达到12.9 mm;在中轴线上,随着位置远离临空面,核心土的隆起量减小。同时,隧道拱顶表现出一定的沉降特性,最大沉降量发生在距离中轴线3 m的左侧拱顶部位;随着坐标远离该位置,围岩的沉降量逐渐减小。在不同的开挖循环下,拱顶的沉降位移和仰拱的隆起位移均表现出上述类似的规律,在第8、第15和第41个开挖循环下,隧道上部的最大沉降位移分别为14.3 mm、15.2 mm和15.3 mm,隧道下部的最大隆起位移则分别为16.9 mm、19.4 mm及19.1 mm,而且随着开挖施工的不断推进,隧道的最大隆起值和最大沉降量逐渐增加。

3.2 洞口关键点变形分析

前文根据位移云图对围岩的变形进行了整体分析,为了更好地对围岩变形进行控制,以下对模拟开挖过程中隧道洞口拱顶、拱腰及拱脚等关键位置的变形曲线进行监测,如图5所示。由图5可知,在开挖过程中,隧道上部围岩整体表现出沉降趋势,而隧道下部围岩呈现隆起趋势。

图5 关键部位竖向位移随施工步骤变化时程曲线图

对于拱顶位移,在前十个施工步中,拱顶竖向沉降迅速增长至12.5 mm,随着开挖的继续进行,拱顶沉降逐渐趋于稳定,最大沉降为14.5 mm。拱腰的沉降趋势与拱顶相似,但其沉降量相对于拱顶较小,左、右拱腰的稳定沉降分别为12 mm和5 mm。此外,由于山体左高右低,在地应力的影响下,稳定后左拱腰的沉降量较右拱腰的沉降量大8.5 mm。

拱底变形情况可大致分为三个阶段,即快速隆起阶、缓慢隆起阶段及稳定阶段。仰拱未开挖之前,由于其他部位的开挖扰动对仰拱造成扰动,拱底迅速隆起,隆起速率在仰拱开挖后逐渐变缓,并在二衬闭合后趋于稳定,拱底最大隆起量为18 mm。随着开挖的进行,拱脚表现出先迅速隆起后缓慢沉降并最终稳定的趋势,其隆起量相对拱底较小,左、右拱脚在稳定后的隆起位移分别为7.5 mm与1 mm。

4 结语

本文以马鞍坳隧道为例,利用有限元分析软件ABAQUES对开挖过程中隧道洞口围岩变形及关键点位移变化规律进行分析,得到的结论如下:

(1)拱顶与拱底的变形在初始开挖时较大,并随着开挖的进行,变形速率逐渐减小。开挖结束时,花岗岩隧道的总体变形较小,隧道上部最大沉降为15.3 mm,隧道下部最大隆起位移为19.1 mm。

(2)隧道的开挖会引起拱顶沉降与拱底隆起,变形曲线可划分为快速隆起阶段、缓慢隆起阶段及稳定阶段三个特征阶段。仰拱开挖之前,拱顶和拱底的变形速率较快;在二衬闭合后,拱顶和拱底的位移保持稳定。

(3)左、右两侧拱脚表现出隆起变形,左、右两侧拱腰则表现出沉降变形。受地应力分布影响,隧道左侧拱脚、拱腰相对于右侧隧道发生更大的竖向变形。

(4)最大隆起位置出现在底部核心土至中轴线上附近的临空面,最大沉降量则发生在距离中轴线3 m的左侧拱顶部位,开挖过程中应注意采取相应的支护措施。