谢锦华

（中交路桥华南工程有限公司,广东 中山 528400）

引言

隧道围岩的变形与稳定性与开挖方式有关,施工过程中如果处理不当可能会引起隧道的坍塌失稳[1]。特别是在裂隙岩体中开挖隧道,更易出现冒落、坍塌等安全事故,选取合适的开挖方式对保证裂隙围岩的稳定安全非常重要[2-4]。

G3W 德上高速池州至祁门段重阳2 号隧道位于安徽省池州市石台县境内。隧道右线起点桩号K31+414,终点桩号K36+278,长度4 864 m,最大埋深约646 m;隧道左线起点桩号ZK31+397,终点桩号ZK36+252,长度4 855 m,最大埋深约650 m,地应力极高。隧道地层岩性主要为黏土、碎石土、强～中风化灰岩、全～强～中风化砂岩、全～强～中风化花岗岩等,隧道洞身发育多条断层破碎带。区段1-8（K31+414～K34+250,ZK31+397～ZK34+230）岩性主要为花岗岩,但风化程度随着掘进深度变弱,区段9-11岩性主要为沉积岩石灰岩、泥岩及砂岩,区段12 岩性主要为中风化灰岩、泥岩和少量黏土,三段之间有多处断层存在。隧道掘进区间内围岩岩性变化频繁,围岩的完整性跨度也非常大,因此准确把握岩性及其完整性并据此采用合理的爆破参数是实现隧道掘进快速化施工的关键。大部分隧道区段的详勘资料表明围岩的破碎程度较高,其Kv 值介于0.3～0.55 之间。为减少、避免施工过程中的灾害,有必要通过数值计算确定不同开挖方法对围岩的扰动破坏。据了解离散元数值方法可以十分近似地模拟非连续介质的力学行为[5]。因此本文根据该隧道的岩性特征采用PFC2D（基于离散元法的颗粒流软件）从细观角度分析开挖方式的影响。

1 裂隙岩体隧道开挖模型

量化隧道开挖方式对裂隙岩体稳定性的影响对选择开挖方式非常重要,因此通过离散元软件PFC 对隧道开挖卸载导致的围岩损伤进行了模拟。

采用PFC2D软件建立数值模型需要以下几个必要的步骤：①生成并弹开颗粒→②伺服使颗粒体系均匀→③消除悬浮颗粒→④赋予细观参数→⑤清零速度位移力链。根据重阳2 号隧道工程背景,由于隧道围岩较为破碎,因此必须在计算中必须考虑裂隙对岩爆的影响。根据现场的围岩的裂隙分布特征模拟中建立了对应的DFN 裂隙网络。对最大埋深处的隧道开挖进行模拟,竖向地应力为17.29 MPa,水平地应力为16.53 MPa,开挖隧道形状为马蹄形。隧道开挖受影响范围为洞身直径的3～5 倍,围岩应力在大于洞身直径6 倍的范围内接近于原始地应力[6],因此计算模型采用75 m×75 m 的尺寸,这样可以更好地避免模型边界条件给模拟结果带来影响。另外,出于保证计算效率和计算精度的角度考虑,模型采用4 组颗粒组成（见图1）,图1 为四分之一的最终生成模型,每种颗粒的粒径均不相同,颗粒粒径从小到大顺序为1～4,由内向外逐渐变大。模型中心颗粒粒径与第2 组模型一致,为隧道开挖部分,并不影响模型计算结果。模型开挖前共有62 835 个颗粒,模型颗粒分布情况及粒径大小信息详见表1。

图1 颗粒流离散元模型

表1 数值模型颗粒尺寸分布情况表

由于重阳2#隧道围岩较为破碎,因此在计算中必须考虑裂隙的影响。根据现场的围岩裂隙分布特征,在颗粒模型中建立了对应的DFN 裂隙网络。建立模型时主要生成的裂隙见表2,其中倾角、迹长均为高斯分布,但裂隙位置随机分布。为了提高计算效率,只在模型中间一定区域内生成裂隙,模型见图2。考虑计算效率与实际情况,只在隧道开挖影响区域内添加三组裂隙。

表2 优势裂隙面参数

图2 裂隙岩体模型

2 开挖模拟流程

采用“先加载后开挖”的方式模拟隧道开挖情况,可以更加实际地反应隧道围岩的受力状态。首先采用PFC2D软件建立模型；然后建立边界条件设置地应力,地应力加载到合适的水平时,将模型的位移场清零；在保持边界条件不变的情况下,删除开挖区域的颗粒并计算平衡来模拟开挖过程。其中全断面开挖直接通过删除隧道断面区域内的颗粒即可实现,上下台阶法开挖具体步骤如下：

（1） 首先开挖隧道上半部分,见图3(a)。

（2） 对上台阶的开挖部分施加初期衬砌,通过加入固定的黏结颗粒环,然后在开挖区域中充满衬砌材料,并且让岩石颗粒不受束缚。见图3(c)。

（3） 开挖隧道下半部分并计算平衡,见图3(d)。

图3 二台阶法开挖流程

3 裂隙岩体隧道不同开挖方式结果分析

这里按实际施工采用3 种工况,第一种为裂隙岩体中全断面开挖,第二种为为完整岩体中全断面开挖,第三种为裂隙岩体中上下台阶法开挖。各工况下模拟结果分析如下：

3.1 裂纹分布图

裂隙岩体中全断面开挖隧道共生成15 738 个裂纹,其中上部围岩中产生的裂纹有8 835 个,下部围岩中产生的裂纹有6 903 个,而无裂隙岩体中全断面开挖隧道生成2 814 个裂纹,二者相差6 倍左右,可见对于完整性较差的岩体采用连续介质模型计算其结果是偏于安全的。因为在裂隙岩体中开挖隧道,裂纹从围岩中裂隙的尖端萌生,然后在裂隙间扩展形成宏观破裂面,并与已有裂隙连接贯通,将围岩切割成块体,更易导致隧道围岩的不稳定。

二台阶法施工时先开挖上台阶,支护完成后再开挖下台阶。与全断面开挖相比,上下台阶法开挖共生成12 802 个裂纹,其中上部围岩中产生的裂纹有7063 个,下部围岩中产生的裂纹有5 739 个。两种开挖方式下产生的裂纹主要分布于隧道开挖轮廓周围,并且在开挖轮廓往四周扩展开的深处存在节理的地方也产生了不少裂纹。从裂纹数比较可见二台阶法开挖时上部围岩中裂纹减少近20%,下部围岩中裂纹减少近17%,说明二台阶法开挖可有效控制施工过程中围岩的破坏。

3.2 综合位移云图

图4 为裂隙岩体中开挖后围岩的综合位移云图,图中开挖轮廓四周较为整体连续部分是指围岩综合位移超过了2 cm。可见相较于全断面开挖来说,二台阶法开挖时围岩综合位移超过2 cm 的区域明显变小,说明二台阶法开挖时围岩变形明显减小。

图4 裂隙岩体不同开挖方法位移云图

4 数值模拟结论

通过以上的数值模拟计算能够得到如下规律性的认识：

（1） 隧道围岩中的裂隙对隧道围岩的破坏具有决定性作用,含裂隙的围岩由于开挖卸载造成的裂隙数量是不含裂隙围岩的6 倍左右。

（2） 从裂纹数比较可见二台阶法开挖时上部围岩中裂纹减少近20%,下部围岩中裂纹减少近17%,说明二台阶法开挖可有效控制施工过程中围岩的破坏。由此可见,如果能通过周边眼聚能装药及改变周边眼起爆次序减少围岩中新产生的裂隙,达到一定数量即可以用全断面开挖法取代二台阶法施工。从而减少了二台阶爆破的施工工艺；同时爆破块度均匀,利于装碴；控制了超欠挖,减少了支护混凝土用量,降低了成本,具有巨大的经济效益。