湖東東路隧道軟弱地層開挖方法數(shù)值分析報告

福州市湖東東路隧道軟弱地層開挖方法數(shù)值分析報告里程段落:南線K0+968~K1+028，北線K1+062~K1+122中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院勘測一公司隧道監(jiān)測項目組2017年3月

目錄一、研究目的 頁一、研究目的湖東東路隧道在進(jìn)入V級、VI級圍巖為主的地下暗挖段之后，由于圍巖軟弱、破碎及容易受到地下水影響，隧道施工遇到了很多問題。2016年8月初南線隧道暗埋段施工到K0+920時隧道發(fā)生了小規(guī)模塌方；2016年11月，南線K0+930前后段落發(fā)生嚴(yán)重侵限，隧道被迫進(jìn)行了換拱工作；2017年1月，北線K1+040前后段落出現(xiàn)了侵限，進(jìn)行了臨時支撐加固。隧道發(fā)生事故，不僅會帶來工期上的浪費，還帶來了工程費用上的損失。本隧道發(fā)生事故，客觀因素是因為隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，主管原因是由于施工技術(shù)上不足，要改變這種方法需要對現(xiàn)有的施工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)提升，需找更為合理的隧道開挖方法與輔助措施。數(shù)值模擬方法就是研究隧道施工方案、支護(hù)措施與其它輔助措施合理性的有效工具。數(shù)值模擬方法，是依照巖土工程計算中的地層結(jié)構(gòu)法，依照彈塑性理論進(jìn)行巖土工程施工模擬，并求解出施工過程中各部位巖土體及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變變化的方法，能夠在未施工之前進(jìn)行工程設(shè)計方案的可行性分析、合理性分析及優(yōu)化性分析。隨著近些年計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種計算機軟件能夠在考慮各種工程影響因素的條件下進(jìn)行高速計算分析，為實際工程設(shè)計及施工提供有力的支撐。其中，MidasNX軟件就是隧道工程中模擬隧道開挖施工的最常用的右線元軟件。本報告的目的，就是以現(xiàn)有的工程資料基礎(chǔ)，匯總當(dāng)前的隧道施工主要問題及風(fēng)險，對隧道采取CRD法施工、三臺階七部開挖法施工及采取水平旋噴樁輔助措施進(jìn)行超前加固進(jìn)行MidasNX有限元數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)各種方法下的隧道圍巖變形情況與支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，選擇該地層條件下最佳的施工方案，以期順利達(dá)到工程建設(shè)目標(biāo)。二、隧道狀況2.1圍巖狀況湖東東路隧道當(dāng)前南線施工至K0+968，北線施工至K1+062。南線圍巖地層狀況為殘積砂質(zhì)粘土、砂土狀全風(fēng)化花崗巖，極其的軟弱，完全不具備自穩(wěn)能力，隧道在普通臺階分布開挖法施工下容易出現(xiàn)大變形，帶來侵限的事故災(zāi)害。且由于隧道開挖后形成了地下零水頭面，且具有滲流通道，圍巖中的孔隙水、裂隙水在水壓作用下不斷向隧道內(nèi)滲透，使隧道剛開挖時圍巖為潮濕塊狀，但一段時間后開始“出汗”，隨后很快開始有積水，造成隧道底部積水，拱腳支撐作用弱化，并且給施工帶來了很大的困難，其變化如下圖1所示。北線隧道地質(zhì)狀況與南線類似，但是隧道開挖時圍巖含水率低，要明顯好于南線當(dāng)前掌子面狀況。圖1隧道剛開挖（左）與短時間后積水（右）對比圖根據(jù)我第三方的施工監(jiān)測資料，該地層下隧道現(xiàn)有的開挖方法與輔助措施下，隧道圍巖變形難以控制，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，采取臺階分布開挖法的情況下，拱頂?shù)淖畲蟪两党^50cm，圍巖具有塌方與侵限的潛在危險，必須要采取技術(shù)的改進(jìn)或施工方案的調(diào)整。2.2施工風(fēng)險南線隧道K0+970~K1+210段落設(shè)計文件劃為為V級圍巖，支護(hù)方案上設(shè)計了超前管棚、超前小導(dǎo)管及全斷面注漿，設(shè)計采取CRD法開挖。北線隧道K0+980-k1+220段落設(shè)計文件劃為為V級圍巖，支護(hù)方案同樣設(shè)計為超前管棚、超前小導(dǎo)管及全斷面注漿，設(shè)計采取CRD法開挖。強風(fēng)化花崗巖在開挖后表現(xiàn)為砂（石英）土（長石），類似于第四紀(jì)沉積物，而在未開挖時卻與砂土有著本質(zhì)的區(qū)別，這種區(qū)別與天然含水率密切相關(guān)。干燥狀態(tài)下，開挖時極易滑塌；當(dāng)含水率＞13%時，表現(xiàn)為蠕變；介于二者之間，表現(xiàn)為較好的穩(wěn)定性[15]。強風(fēng)化花崗巖表現(xiàn)為“松散的砂土”，處理方法很容易想到注漿加固。強風(fēng)化花崗巖并不松散，滲透系數(shù)約為6×10-7cm/s，固體漿效果不明顯。在廣西平鐘高速公路水沖隧道施工時，圍巖狀況就是全風(fēng)化花崗巖，圍巖保留了花崗巖的原巖結(jié)構(gòu)，其實用手即可抓碎，采用超前導(dǎo)管注漿，二臺階開挖，在圍巖變形較大快速變形時，采取臨時仰拱及時封閉成環(huán)的辦法仍未能阻止圍巖變形，最終導(dǎo)致了隧道塌方（如圖2所示）。圖1廣西平鐘高速公路水沖隧道地表坍塌當(dāng)前的施工方法任然是以臺階法為主，如若不能及時采取有效的超前加固方法及圍巖變形控制方法，隧道在施工仍有很大的可能發(fā)生塌方及由于大變形導(dǎo)致的侵限事故。2.3應(yīng)對方案我監(jiān)控量測方認(rèn)為，解決目前的施工困境需要從兩方面入手：第一，必須采取有效的圍巖變形控制措施，優(yōu)化隧道開挖方案。我國城市交通建設(shè)中，已經(jīng)應(yīng)用淺埋暗挖法修建了大量的城市公路、地鐵隧道，并且充分的建設(shè)經(jīng)驗表明，在控制圍巖變形方面，常用到的隧道開挖方法中，CRD法＞CD法＞三臺階七部開挖法＞臺階分布開挖法，但是在施工工期與造價方面，臺階分布開挖法＞三臺階七部開挖法＞CD法＞CRD法，選擇哪種方法既要考慮施工中的適用性，又要考慮建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。在保證安全的前提下，盡量達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。第二，有效的輔助措施必不可少。對于本工程所面臨的全風(fēng)化花崗巖而言，固體漿效果不明顯，但通過高壓高速流體的微觀作用，高壓水平旋噴后的柱體呈圓形斷面且與圍巖密貼，卻可以達(dá)到很好的超前加固效果。因此我方認(rèn)為，采取水平旋噴樁加固隧道的方案可以考慮使用，本報告中也將予以論證。三、隧道開挖數(shù)值模擬3.1模擬工況設(shè)計南線隧道的圍巖含水量較高，表現(xiàn)為蠕變，地下水浸濕后表現(xiàn)為流塑狀，幾乎沒有強度，且當(dāng)前斷面埋深較大，因此考慮采取水平旋噴樁進(jìn)行加固，并比較CRD法與三臺階七部開挖法，模擬工況如下表1所示。表3-1數(shù)值模擬工況設(shè)計工況號工況內(nèi)容工況1臺階分布開挖法，水平旋噴樁加固后開挖工況2三臺階七部開挖法，一般超前小導(dǎo)管超前加固工況3CRD開挖法，一般超前小導(dǎo)管超前加固其中，由于左右線隧道在該研究段落本身線間距較大，而且左右具有較長距離，北線隧道開挖后，二次襯砌已經(jīng)施工完成，圍巖應(yīng)力重分布已經(jīng)完成，對南線隧道影響微弱。北線隧道先行，也在段時間內(nèi)不會受到南線隧道的影響，因此本次研究均采取單線隧道的研究方案進(jìn)行數(shù)值分析。（2）模型簡化為簡化模型，將旋噴樁拱簡化成厚度為60cm的實體拱殼結(jié)構(gòu)。將錨桿粘聚力進(jìn)行等效換算，將鋼格柵剛度折算給噴射混凝土，將初支簡化成曲面殼體結(jié)構(gòu)。圍巖滿足莫爾-庫倫屈服條件，不考慮旋噴樁與土體的滑移，采用復(fù)合地基進(jìn)行模擬。噴射混凝土采用板單元模擬。旋噴殼體、掌子面注漿、初支型鋼及錨桿模量的選取則采用均一化原理，即任一物理量對任一體積的積分等于該物理量對各體積的積分之和。超前小導(dǎo)管加固中，將超前小導(dǎo)管加固地層簡化為一種實體單元，后期通過改變屬性來實現(xiàn)其效果的模擬，其計算參數(shù)同樣采取復(fù)合地基法。旋噴樁變形模量換算按照復(fù)合土體的壓縮模量可按下式進(jìn)行計算：(1)(2)(3)式中，Esp為復(fù)合地基壓縮模量；m為面積置換率，在等邊三角形布樁中ds=1.05s，s為樁間距；Ep為旋噴樁樁體壓縮模量；Es為樁間土的壓縮模量。（2）初期支護(hù)彈性模量換算初期支護(hù)中型鋼拱架，根據(jù)均一化原理，將鋼架的彈性模量折算到噴射混凝土襯砌的彈性模量，以簡化計算。計算方法見下式：(5)式中：E為折算后的噴混凝土彈性模量（MPa）；E0為噴射混凝土彈性模量（MPa）；Sg為鋼拱架截面積（m2）；Eg為型鋼彈性模量（MPa）；Sc為噴射混凝土建面積（m2）。（3）錨桿粘聚力等效換算錨桿的作用通過提高圍巖粘聚力和內(nèi)摩擦角來體現(xiàn)，因摩擦系數(shù)變化不大，僅考慮粘聚力c的改變(6)式中：c0為未加錨桿時圍巖的粘聚力；T為錨桿最大抗剪強度；Am為錨桿的橫截面積；a和b分別為錨桿的縱向、橫向間距；η為經(jīng)驗系數(shù)，可用。各項數(shù)值模擬參數(shù)得到的最終表格如下：表3-2計算模型參數(shù)材料名稱彈性模量（E/MPa）泊松比（u）容重（γkN/m3）粘聚力C（kPa）摩擦角φ（°）本構(gòu)模型其它雜填土（①）50.2817812摩爾庫倫淤泥質(zhì)土（④）70.36171911摩爾庫倫砂質(zhì)粘土（⑥）120.34182010摩爾庫倫強風(fēng)化花崗巖700.3223.53232摩爾庫倫初期支護(hù)180000.224彈性厚度30cm二次襯砌200000.2025.5彈性厚度50cm強風(fēng)化花崗巖1000.3219.110030摩爾庫倫上臺階復(fù)合地基5000.32050036彈性旋噴殼體84000.3223000036彈性鋼管2100000.378.5--彈性超前小導(dǎo)管支護(hù)224000.2823彈性厚度0.6m3.2水平旋噴樁加固模擬水平旋噴樁（HorizontalJetGrouting）主要適用于砂類土、粘性土、泥頁巖及小直徑的砂礫層和破碎帶等軟弱地層。同樣也是強化花崗巖等富水軟巖隧道開挖一種安全、高效的輔助施工新方法。按照最初的設(shè)計文件，水平旋噴樁的設(shè)計分布與安裝示意圖分別如圖3-1,3-2所示。圖3-1旋噴樁布置圖3-2旋噴樁縱向布置隧道模型的建立按照設(shè)計文件及地質(zhì)縱斷面圖中進(jìn)行，建好的模型如圖3-3所示。建好模型后，進(jìn)行數(shù)值分析，考慮隧道在工況1與工況2下的兩種模擬結(jié)果對比。圖3-3建好的模型圖無旋噴樁加固工況中，拱頂沉降主要發(fā)生在上臺階環(huán)形開挖階段。說明在隧道上臺階環(huán)形開挖過程中，隧道上部圍巖應(yīng)力已經(jīng)基本釋放。隧道拱頂沉降的峰值發(fā)生自y=0m處，在y=0~3m范圍內(nèi)，拱頂沉降呈線性減?。辉趛=3~15m范圍內(nèi)拱頂沉降逐漸趨近于旋噴樁加固工況下的沉降值。隧道拱頂沉降在y=15m處基本近似于旋噴樁加固工況下的沉降值。說明在在隧道開挖過程中，對掌子面前方15m之外的圍巖擾動基本可以忽略，故旋噴樁長度選取15m。計算完成后，隧道拱頂沉降圖如圖3-4所示。注：“-0”為無旋噴樁加固工況，“-1”為旋噴樁加固工況圖3-4縱向拱頂沉降對比圖旋噴樁加固工況中，拱頂水平旋噴樁殼體的沉降值主要發(fā)生在隧道上臺階環(huán)形開挖開挖階段，并且在4開挖進(jìn)尺及掌子面前方3m范圍內(nèi)呈線性遞減趨勢，掌子面前方6~8m范圍微弱隆起。說明拱頂270°范圍水平旋噴樁構(gòu)成的殼體強度達(dá)到承壓要求，可以控制上部圍巖的沉降。兩種工況的拱頂圍巖沉降值變化明顯，從拱頂沉降曲線（圖3）可以看出，進(jìn)行旋噴樁加固后，拱頂沉降明顯得到改善，各節(jié)點的沉降值平均減小63.45%。旋噴樁加固后，掌子面形成復(fù)合地基，在整個開挖過程中產(chǎn)生的Y軸負(fù)方向位移（掌子面縱向位移）明顯小于未加固的掌子面位移。取掌子面中軸線上各節(jié)點為研究對象，結(jié)果顯示（圖3-5），無旋噴樁加固工況中，隧道開挖的三個階段掌子面沿縱向位移值變化明顯。在進(jìn)行隧道核心開挖和隧道仰拱開挖時掌子面最大位移值分別達(dá)到16cm和36.9cm。其位移的峰值均發(fā)生在隧道上臺階某處。隧道上臺階加固形成的復(fù)合地基可以明顯改善掌子面的穩(wěn)定性，而未加固的下臺階掌子面穩(wěn)定性明顯較差。進(jìn)行旋噴樁加固后，各節(jié)點的縱向位移值平均減小69.6%。圖3-5掌子面中線節(jié)點位移該數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)果表明，與無旋噴樁加固工況相比，當(dāng)進(jìn)行旋噴樁加固時，隧道拱頂?shù)淖罱K沉降值減少63.45%，掌子面的最終縱向位移值減少69.6%，掌子面的塑形應(yīng)變區(qū)范圍也明顯減小。水平旋噴預(yù)加固措施能夠有效地控制變形，加固效果十分明顯。3.3三臺階七部開挖法施工模擬三臺階七部開挖法是在軟弱地層常用到的開挖方法，通過減小開挖面、多步平行推進(jìn)的方案，能夠有效減小地層擾動，實現(xiàn)順利施工，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，北線隧道具有三臺階七部開挖法的可行性。北線隧道地層主要有雜填土、淤泥質(zhì)土、砂質(zhì)粘土與強風(fēng)化花崗巖組成，以這四個地層參數(shù)為依據(jù)，結(jié)合隧道施工的過程與其他設(shè)計參數(shù)，制作隧道施工模型如圖3-6所示。圖3-6劃分好模型透視圖每個施工開挖臺階為3m，劃分為20個開挖工序，數(shù)值模擬后，從截取第上臺階第18個開挖工序階段計算云圖進(jìn)行過程定性分析如下圖3-7（a）縱向沉降圖與3-7（b）橫向沉降圖所示。從圖中可以明顯看到，施工開始階段地層位移很大，施工進(jìn)洞之后在掌子面附近，最先開挖部分拱頂沉降與底部隆起效應(yīng)都不是很大，隨著開挖的進(jìn)展，仰拱閉合前后沉降達(dá)到最大值，初支閉合后變形穩(wěn)定，符合三臺階七部開挖法中圍巖變形逐步發(fā)展，應(yīng)力逐步釋放的規(guī)律。橫斷面圖中可以看到很明顯的沉降槽，這是臺階法施工中不可避免的。圖3-7（a）過程中的縱向沉降云圖圖3-7（b）過程中的橫向沉降云圖隧道施工過程中，通過對圍巖與地表的沉降觀察可以評估隧道的施工控制質(zhì)量及安全狀態(tài)，以隧道未開挖前的上臺階第19步為例，得到隧道在縱向的地表最沉降曲線與隧道內(nèi)的拱頂沉降曲線如下圖所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相比較洞內(nèi)拱頂沉降而言，地表沉降的變化整體要緩和很多，在隧道最開始開挖時，沉降最大，為30.00mm，在掌子面處最大地表沉降為8.52mm，隧道開挖后地表沉降隨著開挖工序緩慢增大。在拱頂沉降方面，其發(fā)展形態(tài)、速率明顯大于地表沉降，且在隧道初始開挖后變化迅速，掌子面未開挖時前方土體由于施工擾動作用已經(jīng)有沉降發(fā)生。在距離掌子面27m處，及仰拱閉合后，沉降開始進(jìn)入緩慢發(fā)展階段。初始開挖時，掌子面最大沉降值為50.12mm，剛開挖時，上臺階拱頂?shù)某两抵禐?.2mm，推測認(rèn)為，隧道正常施工掌子面穩(wěn)定后的沉降值在30~40mm之間。圖3-8隧道縱向沉降與拱頂沉降變形曲線對隧道縱向收斂變形分析得到曲線如圖3-9所示，隧道剛開始開挖時，最大收斂值為17.56mm，掌子面開挖時，收斂變形并未表現(xiàn)出明顯的增大，為負(fù)值，在中臺階與下臺階開挖之后，收斂變形急劇增大，在仰拱閉合后，大概距離掌子面21m處，收斂變形基本穩(wěn)定，在9mm左右。圖3-8隧道縱向沉降與拱頂沉降變形曲線圍巖的塑性區(qū)變化也能在一定程度上反映圍巖的穩(wěn)定性變化，對隧道開挖中間階段（上臺階第17部開挖）的圍巖塑性區(qū)變化進(jìn)行分析得到圖3-9所示的圍巖塑性區(qū)分布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隧道頂部超前小導(dǎo)管加固地層幾乎在隧道施工完成后都進(jìn)入了塑性狀態(tài)，承擔(dān)了明顯的荷載，但是支護(hù)周邊圍巖并沒有明顯的塑性區(qū)發(fā)展趨勢，圍巖整體穩(wěn)定，強度破壞程度很小。上部分由于淤泥質(zhì)粘土本身強度很低，受地層應(yīng)力變化局部已經(jīng)開始進(jìn)入塑性。中臺階與下臺階拱腳位置，由于在早起直接承受了大部分圍巖荷載，因此都在其周圍形成了一定的塑性發(fā)展區(qū)。在仰拱閉合后，拱腳進(jìn)入穩(wěn)定階段，拱腳處塑性區(qū)并不會對隧道整體的穩(wěn)定性造成影響。圖3-9施工中間階段圍巖塑性區(qū)分布圖3.4CRD法開挖模擬CRD法是淺埋暗挖法施工軟弱地層隧道中經(jīng)常使用到的方法，由于其將整個大斷面隧道劃分為小斷面，將大跨度劃分為小跨度，并且每一步都有零時的支護(hù)與封閉成環(huán)措施，對于控制圍巖變形效果很好。本次施工模擬采取與三臺階七部開挖法同樣的地層狀況，但是采取CRD法進(jìn)行開挖，開挖每次進(jìn)尺3m，分20段完成整體施工，模型圖如3-10所示。圖3-10CRD法開挖，模型示意圖施工過程中，先進(jìn)行超前支護(hù)的施做，然后按照上圖中的開挖順序逐步進(jìn)行施工，開挖后進(jìn)行相應(yīng)初期支護(hù)的單元激活，在斷面完成后一段時間進(jìn)行中隔壁的拆除。同樣，選取CRD施工中的一個具有代表性的中間階段變形狀況來進(jìn)行分析，實際中選取了第CRD第一開挖部分第18次開挖階段作為分析階段，所得到的沉降云圖分布如圖3-11（a）與3-11（b）所示。圖3-11（a）開挖過程中的縱向沉降云圖圖3-11（b）開挖過程中的橫向沉降云圖從圖中可以看出，CRD法施工對沉降具有很好的控制作用，上下臺階施工期間，產(chǎn)生的圍巖變形均非常小，但是在隧道后期拆除中隔壁之后，變形開始急劇增加，并且沉降槽延伸到地表，該現(xiàn)象一方面說明中隔墻在隧道支護(hù)約束圍巖變形方面有明顯的作用，另一方面也說明了拆除中隔墻是一個要小心慎重的過程，必須密切關(guān)注圍巖變形情況，并及時施做二次襯砌。對隧道頂部地表沉降與隧道內(nèi)縱向地表沉降進(jìn)行觀察得到沉降曲線如圖3-12所示。從圖中可以看到，在地表沉降方面，地表最大沉降值為13.27mm，相比三臺階七部開挖法減小了近60%，洞內(nèi)最大沉降值為23.83mm，相比臺階法施工減小了50%以上，且從沉降曲線山上，可以明顯發(fā)現(xiàn)在距離掌子面18m處，隧道地表沉降與洞內(nèi)拱頂沉降都開始進(jìn)入一個快速增大的階段，洞內(nèi)拱頂沉降由于缺乏支撐，變形迅速，但是地層整體變形相比臺階法施工已經(jīng)減小了很多。在CRD法開挖過程中，隧道的變形變化緩和，中隔壁對圍巖變形發(fā)揮了很好的約束作用，說明該施工方法變形效果控制最好，且最為安全。圖3-12隧道縱向沉降與拱頂沉降變形曲線圍巖塑性區(qū)變化如圖3-13所示，可以看出，塑性變化最大的區(qū)域與臺階法類似，都是出現(xiàn)在超前支護(hù)部分，而CRD法施工種，塑性區(qū)的分布小且較為緩和，拱腳均未出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)集中部位，只有兩段仰拱底部中間部位出現(xiàn)了兩片塑性區(qū)，范圍較小，且出現(xiàn)在該部位可以明顯被仰拱約束，不足以對隧道穩(wěn)