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摘要：以潮汕環線高速公路西環山一號隧道右線風化凹槽段工程為依托，基于有限差分數值模擬軟件構建了隧道施工動態三維模型，對比分析了風化凹槽段進行掌子面開挖時，均質圍巖及夾風化殘積層巖狀下圍巖變形特征和應力變化規律。結果表明：兩種巖狀下，地表豎向位移最大值均發生在隧道中線上部，但中線兩側位移變化規律出現反差，水平位移最大值發生在中巖墻上部，在風化夾層右側邊界出現位移“反彎點”；開挖斷面各監測部位沉降變形規律一致，夾風化殘積層巖狀下，豎向應力在隧道中線兩側出現顯著差異，右側拱腰、邊墻以及拱腳應力相比左側明顯較??；中巖墻水平位移均出現“反彎點”，從均質巖狀過渡到夾風化殘積層巖狀，“反彎點”對應高度下降，中巖墻正向位移區域由上部向中部發展，逐漸擴大；拱頂累計沉降均逐漸增大，隨開挖進尺增大，累積沉降差不斷增大。
關鍵詞：公路隧道；風化凹槽；圍巖變形；應力變化；數值分析
0引言
隨著我國高速公路山嶺隧道遇到的地質條件變化幅度大，開挖后巖體所表現出的性態、巖狀不盡相同。祁寒等[1]通過對半軟半硬巖層施工力學效應分析，得出“半軟半硬巖隧道中巖柱上部圍巖穩定性較差，中部水平位移最大”的結論；韓同春等[2]對半硬半軟巖層洞口段開挖過程中的中巖墻位移等項目進行監測分析，得出“中間巖柱較薄弱，開挖初期往先行洞方向移動”的結論；喻軍等[3]指出，在軟硬巖交界面處容易產生滑移導致塌方，應加強圍巖量測。孫文君等[4]針對土石交界地層下的隧道開挖反應特征進行了研究分析；吳旭平等[5]運用FLAC3D對含軟弱夾層淺埋隧道不同施工條件進行三維數值模擬分析，并結合現場實測，對圍巖變形特性及控制效果進行了分析。本文選取潮汕環線高速公路西環山一號隧道右線風化凹槽段為研究對象，基于有限差分軟件FLAC3D計算平臺，結合施工實際，對掌子面為均質圍巖和夾風化殘積層兩種不同圍巖狀況下開挖施工進行分析。
1工程概況
西環山一號隧道左線長2653m，右線長2660m，為小凈距-分離式長隧道，凈間距約為17.12～28.88m，最大埋深約148.10m。隧道開挖寬度約12.00m，開挖高度約10.00m。隧址區屬丘陵地貌，地形起伏較大，溝谷較發育，隧道穿越丘陵山脊山谷，沿隧道走向地表由坡殘積層覆蓋。隧道左線ZK55+615～+815段、右線K55+615～+800段穿越風化凹槽段，該兩段巖體破碎，節理裂隙發育，相鄰巖層風化差異強烈[6]。右線K55+615～+800段穿越風化凹槽段地質縱斷面，見圖1。
2數值模擬
2.1模型及參數
選取右線K55+662～+698段風化凹槽建立模型，取隧道埋深30m，三維分析模型網格，見圖2。模型長130m，高60m，隧道縱向36m，共45648個實體單元，49343個網格節點，720個結構單元。底部邊界約束豎向位移，上部邊界為自由邊界，左右兩側邊界約束水平向位移。巖體初始地應力場僅考慮自重應力場的作用。隧道圍巖視為各向同性體，采用Mohr-Coulomb本構模型，開挖模擬采用null模型。網格單元采用六面體實體單元，初期支護采用shell單元，鋼拱架的作用采用彈性模量等效方法折算給噴射混凝土結合在一起予以考慮。shell單元示意，見圖3。圍巖類型及結構物理力學參數，見表1。
2.2施工過程模擬
隧道穿越風化凹槽段時，掌子面揭露圍巖表現為均質圍巖逐漸過渡至“半巖半土”夾風化殘積層巖狀。采用兩臺階法開挖，為減小相鄰隧道爆破振動的不利影響，右線作為先行洞，超前左線50～80m施工；右線上臺階開挖超前下臺階15～30m。結合實際施工，模擬計算中僅考慮右線上臺階開挖支護，不考慮下臺階及左線開挖支護的影響[7-8]。均質圍巖巖狀和夾風化殘積層巖狀，見圖4。模擬計算主要為了對比分析隧道穿越風化凹槽段落均質圍巖和夾風化殘積層兩種巖狀下，隧道開挖施工圍巖變形及應力特征，故計算中未考慮開挖進尺的影響。隧道模型縱深36m，假定開挖與支護每循環進尺取6m，整個施工過程共6步完成。
3結果分析
3.1地表豎向位移及水平位移
兩種巖狀下的地表豎向位移對比曲線，見圖5。豎向位移曲線均呈“V”型，最大豎向位移值都發生在隧道拱頂上部范圍，向兩側位移逐漸減小，趨于收斂。以右線開挖中線為界，中線以左，夾風化殘積層巖狀相比均質巖狀下的豎向位移值偏大，峰值高出47.9%；中線以右，夾風化殘積層巖狀相比均質巖狀下的豎向位移值偏小，這可能與夾層的“分隔”作用有關，使夾層右側圍巖所受的開挖效應減弱。均質圍巖和夾風化殘積層兩種巖狀下地表水平位移對比曲線，見圖6。水平位移變化趨勢一致，最大水平位移均發生在中巖墻部位，向開挖區域逐漸減小，至夾層右側邊界出現位移“反彎點”后位移反向增大，最終趨于收斂。
3.2開挖斷面沉降及應力
兩種巖狀下開挖輪廓各監測占豎向位移對比曲線，見圖7。沉降曲線變化趨勢一致，沿開挖中線基本對稱分布，最大豎向位移值都發生在隧道拱頂部位，向拱腰至邊墻、拱腳逐漸減小。對比發現，夾風化殘積層巖狀下沉降值明顯偏大，峰值高出48.7%。中線以右，夾風化殘積層巖狀相比均質巖狀下豎向位移值偏小，這可能與夾層“分隔”作用有關，使得夾層右側圍巖所受開挖效應減弱。兩種巖狀下開挖輪廓各監測部位豎向應力對比曲線，見圖8。開挖中線右側應力分布區別明顯。均質巖狀下，豎向應力曲線沿開挖中線基本對稱分布，最大豎向應力發生在兩側拱腳部位；夾風化殘積層巖狀下，開挖輪廓兩側拱腳部位應力不均，最大豎向應力發生在左側拱腳部位，開挖中線右側，即處于風化殘積層范圍的拱腰、邊墻以及拱腳豎向應力明顯減小，右側拱腳部位相比左側豎向應力減小83.6%。
3.3中巖墻變形
兩種巖狀下距離上臺階底部不同高度中巖墻各監測部位水平位移對比曲線，見圖9。中巖墻水平位移曲線變化特征一致，夾風化殘積層巖狀下中巖墻各監測部位的水平位移均大于均質巖狀。兩水平位移曲線均出現“反彎點”，“反彎點”對應高度以上，水平位移呈正值，朝向開挖區域，“反彎點”對應高度以下，水平位移呈負值，背離開挖區域。進一步計算發現，均質巖狀下位移“反彎點”出現在8.0m高，即約1.4倍上臺階開挖高度處；夾風化殘積層巖狀下位移“反彎點”出現在7.2m高，即約1.2倍上臺階開挖高度處。從均質巖狀到夾風化殘積層巖狀，“反彎點”對應高度在降低。
3.4拱頂沉降
選取隧道中間橫斷面拱頂作為監測部位，兩種巖狀下累計開挖進尺與拱頂沉降的關系曲線以及監控量測實測曲線，見圖10。模擬曲線與實測曲線沉降變化規律一致。夾風化殘積層下的拱頂沉降始終大于均質巖狀，并且隨著開挖進尺增大，拱頂沉降差不斷增大。
4結語
本文采用數值軟件對均質圍巖及夾風化殘積層兩種巖狀下隧道開挖施工進行了模擬計算。（1）兩種巖狀下豎向位移在隧道中線左、右側表現出差異。隧道中線以左，夾風化殘積層巖狀下位移值較大，中線以右均質巖狀下位移值較大。（2）兩種巖狀下沉降變形變化一致，夾風化殘積層巖狀下位移值始終大于均質巖狀；應力變化差異明顯，均質巖狀下，中線兩側對稱測點應力相似，夾風化殘積層巖狀下，中線兩側對稱測點應力值表現為明顯不對稱，風化殘積層范圍部位應力較小。（3）兩種巖狀下，中巖墻水平位移均出現“反彎點”，隨著夾層出現，“反彎點”對應高度下移，中巖墻向開挖區域側移的范圍變大。（4）通過分析拱頂沉降與累計開挖進尺關系，結合監控量測數據分析：兩種巖狀下，隨著隧道不斷掘進，拱頂沉降逐漸增大，最終趨于收斂。
作者：倪凱 單位：保利長大工程有限公司
