本次模拟采用FLAC3D软件实现,该软件采用等效连续介质模型将流固耦合机理运用到岩石中,即将岩体视为多孔介质(Itasca Consulting Group Inc,2003),流体在介质中的流动服从Darcy定律,同时满足Biot方程。该软件使用有限差分法进行流固耦合计算,包括以下几个微分方程(陈育明,徐鼎明,2013; 关宝树,2003)。

大连市的气候属温带季风气候,并具有海洋影响的特点。冬季气温较低、降水少; 夏季气温较高、降雨较多且集中。本文以大连某山体隧道工程为研究对象,该工程入口处为分离式双洞,单向三车道,隧道主要包括两车道部分、变宽段部分和三车道部分。拟建隧道埋深2.23～164.00 m,山体水位线较高,属于富水条件下开挖。隧道洞身拟采用复合式衬砌混凝土结构。

根据实际工程的地质勘查资料,得出三车道公路隧道在总体上属于Ⅳ级围岩。其物理力学参数为:重度γ=23 kN·m^-3,粘聚力C=0.3 MPa,内摩擦角φ=32°,弹性模量E=4 GPa,泊松比μ=0.333。拱顶埋深D=105 m,隧道高H=11.3 m,跨度B=16.2 m。为减少数值模型中边界约束条件对计算结果的影响,确保计算结果精度,同时尽量提高计算效率,流固耦合计算时,隧道轴线方向取单步开挖步长为2 m,计算域在水平方向由隧道轴线向两侧各取60 m,在竖直方向由隧道轴线向上、下两侧各取60 m。整体模型尺寸为120 m×120 m×10 m,采用摩尔—库仑屈服准则,由于地下水非常丰富,因此水位线取到模型顶端。隧道轴心处孔隙水压力为固定值,两侧及底部边界为不透水边界,不考虑隧道初支的止水作用,在隧道开挖面设置零压力水头边界。模型顶端自由,底部施加三方向位移约束,两侧及沿隧道轴线方向边界水平位移约束,初始应力主要考虑岩层的自重应力。同时为了比较不同开挖方法下同一断面围岩的力学特征变化,分别采用三台阶预

图1 4种开挖方法施工模型网格

导坑法;(d)双侧壁导坑法

Fig.1 Scheme of the construction grid model

of four excavation methods

(a)the bench method;(b)the pilot drift method;

(c)the single side heading method;(d)the

double side heading method

留核心土法、导洞法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法建立数值模拟研究,如图1所示,模型中,围岩采用实体单元,锚杆采用了Cable单元进行模拟,其中钢拱架的作用用等效的方法予以考虑。

涌水及地下水超量排放引起的环境问题是隧道及地下工程施工常见的灾害之一,隧道涌水是隧道设计和施工所面临的挑战之一(高虎军,2012)。笔者给出单侧壁导坑法、导洞法、双侧壁导坑法及台阶法4种开挖方式的涌水量(表示隧道每天每延米涌水量,单位m³/d/m),分别为13.25、14.56、14.07及12.74。由此可以看出:导洞法的涌水量最大,台阶法最小,由涌水量数据可以反映出,在支护结构都一样的前提下,导洞法这种开挖方法本身的防水效果较差,台阶法最好。

将4种开挖方式开挖完成后引起的隧道围岩位移的大小进行总结,如表1所示,图2只给出导洞法的竖向和横向位移云图。由图2a可以看出:竖向位移在拱顶和拱底处达到最大,由图2b可以看出:水平位移在拱肩上部和拱脚下端以及拱腰处达到最大。

表1 位移值

由表1可得出:4种开挖方式中台阶法的竖向拱顶位移最大,为1.90 cm,导洞法的竖向拱顶位移最小,为1.66 cm,而拱底位移则相反,导洞法拱底位移最大,为1.55 cm,台阶法拱底位移最小,为1.25 cm,由竖向位移可以得知,断面开挖分块较多的开挖方法比较稳定,引起的拱顶沉降比较小。由涌水量数据可以得出:导洞法涌水量最大,台阶法最小,这是由于地下水的渗流引起了周围岩土体的变动,加剧了拱底的隆起,因此导洞法拱底位移最大,台阶法最小,所以说拱底是富水条件下开挖隧道的一个薄弱环节(路平,2012)。对于拱腰横向位移,4种开挖方式中导洞法的拱腰横向位移最大,为0.45 cm,台阶法的最小,为0.37 cm,这同样是因为地下水的渗流效果引起了岩土体的变动。

图2 导洞法开挖后围岩位移等值线云图

Fig.2 Nephogram of displacement contour of

surrounding rock after tunnel excavation

by pilot drift method

(a)vertical displacement;(b)horizontal displacement

笔者只给出导洞法的竖向和横向应力云图,如图3所示,其余开挖方式的应力云图图形都相差不大,只是应力大小上的改变。从图3中可以看出:隧道开挖后,洞口出现应力集中现象。4种开挖方式的应力值列于表2。

表2 应力值

由表2可以得出:4种开挖方式产生的应力都集中于隧洞洞口附近(徐孟林,2014),台阶法的应力相比于其他3种开挖方式是最大的,而导洞法开挖周围围岩应力是最小的,这是因为台阶法工艺的自身防水性能在4种开挖方式中是最好的,而导洞法最差,涌水量过多,导致围岩内部的孔隙水压力减少,从而导致了隧洞洞口周围应力的减少。

图3 导洞法开挖后围岩总应力等值线云图

Fig.3 Nephogram of total stress contour of the

surrounding rock after tunnel excavation

by pilot drift method

(a)total vertical stress;(b)total horizontal stress

FLAC3D软件自带自动搜索安全系数的命令solve fos,而此命令仅适用于Mohr-Coulomb模型。通过对围岩的粘聚力C和内摩擦角φ进行不断折减,直到围岩处于临界破坏状态,从而确定安全系数(Ugai,1989),这种方法的实质就是强度折减法,此程序是利用内插逼近的方法确定安全系数。

由该方法计算出来的单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、导洞法及台阶法4种开挖方式的强度折减系数分别是1.615、1.653、1.699及1.496。从安全系数可以看出:导洞法和双侧壁导坑法相对于另外两种开挖方式围岩的稳定性更加稳定,而导洞法要比双侧壁导坑法略好一点。因此通过围岩安全系数的对比可知:导洞法更加适合大跨度富水条件隧道的开挖。

通过对比4种开挖方法,可知导洞法相比于其他3种开挖方法,更适合于这种大跨度的隧道开挖,虽然其本身的防水性能不是很好,但可以通过后续施工去弥补,因此在富水条件下的大跨度隧道开挖,导洞法更适合。