， ，

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中國(guó)兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050011)

0 引言

燕尾式隧道是近年來(lái)國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的一種新型的隧道結(jié)構(gòu)形式，它由大跨加寬段、連拱段、小凈距段和分離段組合而成，較普通隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)挖跨度較大且斷面結(jié)構(gòu)型式變化頻繁，圍巖經(jīng)受多次擾動(dòng)，穩(wěn)定性差，給施工帶來(lái)了極大的難度[1-2]，引起工程界的普遍關(guān)注。張家新等人利用ABAQUS有限元程序建立了八字嶺隧道數(shù)值模型，模擬了其不同洞段的開(kāi)挖過(guò)程，提出合理的支護(hù)形式參數(shù)[3]；胡劍兵利用大型有限元軟件對(duì)八字嶺隧道施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了圍巖變化和破壞的特性[4]；王漢鵬等人建立了八字嶺分岔隧道的三維數(shù)值模型，得到了隧道圍巖的位移、應(yīng)力和損傷屈服區(qū)[5]等，前人的研究一般集中于理論和力學(xué)性質(zhì)研究，對(duì)燕尾段隧道的施工方法及技術(shù)措施分析較少。本文根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，從指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的角度指出燕尾式隧道在施工過(guò)程中將會(huì)遇到的重難點(diǎn)問(wèn)題并提出相應(yīng)的施工對(duì)策，可為同類隧道的設(shè)計(jì)施工提供科學(xué)的依據(jù)與參考。

1 工程概況

戴云山隧道位于福建省福州市與三明市交界處，是新建向莆鐵路重點(diǎn)控制性工程之一。隧道燕尾段處于F4斷層影響帶范圍之內(nèi)，F(xiàn)4斷層產(chǎn)狀165°∠60°，與線路交角約為45°；斷層以密集節(jié)帶的形式表現(xiàn)，局部沿節(jié)理面產(chǎn)生水平滑移，地表寬度約為3 m，長(zhǎng)度為800 m；該斷層為左旋平移斷層，其上盤(pán)影響寬度約為20 m，下盤(pán)影響寬度約為10 m，在影響范圍之內(nèi)的巖石節(jié)理裂隙相對(duì)發(fā)育，巖石破碎，地下水為構(gòu)造裂隙水，較發(fā)育，為強(qiáng)富水區(qū)。燕尾段圍巖分級(jí)如表1所示。

表1 隧道燕尾段圍巖分級(jí)里程長(zhǎng)度/m圍巖級(jí)別隧道結(jié)構(gòu)型式備注DK422+950^DK423+520570IV大跨+連拱煤系地層局部軟弱夾層DK423+520^DK423+54020IV連拱F4斷層影響帶DK423+540^DK423+56020V連拱F4斷層DK423+560^DK423+58020IV連拱F4斷層影響帶DK423+580^DK423+888308III小凈距III級(jí)圍巖

燕尾段埋深為125～365 m之間，其中大跨加寬段最大開(kāi)挖跨度21.01 m，開(kāi)挖高度15.82 m，開(kāi)挖面積達(dá)到267.9 m2。隧道大跨段采用三臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖，連拱段以中導(dǎo)洞超前，右洞全斷面先行開(kāi)挖，小凈距段采用右洞全斷面先行，左洞全斷面再開(kāi)挖。隧道燕尾段采用Ф42超前小導(dǎo)管支護(hù)，長(zhǎng)度4 m，間距40 cm；徑向注漿錨桿長(zhǎng)度4 m，間距環(huán)向1.0 m，縱向1.0 m,；開(kāi)挖后采用I22a型鋼和I18型鋼鋼拱架網(wǎng)噴，鋼拱架間距60 cm，噴射混凝土為C25合成纖維，厚度30 cm，二次襯砌為C35鋼筋混凝土，厚度60 cm。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立有限元模型

數(shù)值模擬采用地層—結(jié)構(gòu)模型，將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系。燕尾段局部網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 燕尾段模型及網(wǎng)格劃分

有限元模型計(jì)算范圍在水平方向左右兩側(cè)取值為隧道跨度的3～4倍，豎直方向向上取至地表，本次模擬大跨斷面埋深130 m，連拱斷面埋深210 m，小凈距斷面埋深350 m，向下取值為隧道開(kāi)挖輪廓尺寸的3～4倍；邊界條件設(shè)置為位移邊界條件，左右兩側(cè)和底面均為法向約束條件，上部頂面為自由邊界；巖體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型；圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)作為初始應(yīng)力場(chǎng)；鋼拱架模擬采用彈模等效原則折算給初噴混凝土層；圍巖與初襯單元采用CPE4R 4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變積分單元，錨桿采用T2D2二維二節(jié)點(diǎn)桁架單元[6]。材料參數(shù)列于表2，數(shù)值模擬開(kāi)挖步序如圖2所示。

圖2 燕尾段開(kāi)挖模擬步序圖(單位：m)

表2 計(jì)算模型的材料參數(shù)材料名稱密度/(kg·m-3)彈性模量E/GPa泊松比υ內(nèi)摩擦角c/(°)剪漲角φ/(°)粘聚力/MPa備注大跨段圍巖 2 0003.00.3527240.45IV級(jí)圍巖連拱段圍巖 2 0003.00.3527240.45IV級(jí)圍巖小凈距段圍巖2 3006.00.339360.7III級(jí)圍巖初期支護(hù) 2 40023.00.2C25 混凝土二次襯砌 2 50032.00.2C35 混凝土中隔墻 2 30028.00.2C20 混凝土錨桿 7 800200.00.2Ф22

2.2 圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析

由計(jì)算得到的圍巖應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖3可以看出，大跨段開(kāi)挖過(guò)程中，拱底出現(xiàn)拉應(yīng)力，數(shù)值為0.038 MPa，左右邊墻位置處所受壓應(yīng)力較大，應(yīng)力值為9.096 MPa；連拱段開(kāi)挖過(guò)程中，左右兩洞拱底處最大值應(yīng)力值較大，但均無(wú)拉應(yīng)力產(chǎn)生，中墻上方巖體所受壓應(yīng)力較大，為8.582 MPa；小凈距段開(kāi)挖過(guò)程中，先行右洞拱頂、后行左洞拱頂和拱底均不同程度的出現(xiàn)了拉應(yīng)力，尤其以后行左洞拱底拉應(yīng)力較大，為0.078 MPa，中夾巖柱承受壓力為12.37 MPa；根據(jù)圍巖應(yīng)力分布情況可以確定洞周?chē)鷰r基本穩(wěn)定[7]，其中大跨段邊墻處圍巖，連拱段中隔墻上方巖體和小凈距段中夾巖柱應(yīng)力值較大，在整個(gè)燕尾段開(kāi)挖過(guò)程中需加強(qiáng)重點(diǎn)保護(hù)。

圖3 圍巖應(yīng)力分布云圖(單位：MPa)

2.3 位移場(chǎng)分析

燕尾段開(kāi)挖后位移矢量如圖4所示，其中大跨段拱頂沉降11.59 mm，拱底回彈12.5 mm；連拱段先行右洞拱頂沉降8.38 mm，拱底回彈8.80 mm，后行左洞拱底沉降8.11 mm，拱底回彈8.79 mm；小凈距段先行右洞拱頂沉降4.67 mm，拱底回彈5.12 mm，后行左洞拱頂沉降4.65 mm，拱底回彈5.06 mm；從圍巖最終收斂情況可以判定洞周?chē)鷰r基本穩(wěn)定，整個(gè)燕尾段拱頂沉降與拱頂回彈以大跨段變化最為顯著，連拱段次之，小凈距段變形最小；縱向來(lái)看，燕尾段拱底回彈量均大于拱頂沉降量，尤其在高地應(yīng)力情況下遇到局部軟弱夾層或膨脹性圍巖時(shí)，由于洞底開(kāi)挖使上部圍巖壓力解除，應(yīng)力得到釋放，加之洞室積水，很可能造成洞底圍巖隆起變形，因此施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)排出拱底積水，并注意仰拱施作的及時(shí)性，以有效控制洞底的隆起變形；應(yīng)特別注意的是，連拱段位移矢量圖顯示中隔墻出現(xiàn)了整體向左偏移的現(xiàn)象，因此應(yīng)采取必要的措施防止中隔墻發(fā)生偏移。

圖4 燕尾段位移矢量圖

2.4 連拱段中隔墻應(yīng)力分析

數(shù)值模擬所選斷面處中隔墻高度為6.61 m，墻頂寬度1.64 m，墻底寬度3.96 m。為便于分析中隔墻應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化情況，選取中隔墻左、右墻壁中點(diǎn)和墻底中點(diǎn)為應(yīng)力分析的關(guān)鍵點(diǎn)。中隔墻應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 連拱段全斷面法開(kāi)挖后中隔墻應(yīng)力云圖 (單位：MPa)

中洞開(kāi)挖中隔墻施作后，左、右墻壁中點(diǎn)壓力值為6.322 MPa，墻底壓力為0.484 MPa；先行右洞支護(hù)完成后，中墻右壁中點(diǎn)壓應(yīng)力增長(zhǎng)為13.233 MPa，相對(duì)于上一步的應(yīng)力增量為6.911 MPa，左壁中點(diǎn)壓應(yīng)力增長(zhǎng)為6.46 MPa，墻底中點(diǎn)壓應(yīng)力減小為0.208 MPa；后行左洞開(kāi)挖后，中墻右壁中點(diǎn)壓應(yīng)力增長(zhǎng)為14.919 MPa，增量為1.686 MPa，左壁中點(diǎn)壓應(yīng)力增長(zhǎng)為11.391 MPa，墻底中點(diǎn)由壓轉(zhuǎn)拉，拉應(yīng)力為1.407 MPa。根據(jù)中墻左右邊墻和墻底的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力變化情況可以看出中隔墻受力在其材料強(qiáng)度允許范圍之內(nèi)，整個(gè)施工過(guò)程中，先行右洞開(kāi)挖后，中隔墻出現(xiàn)了明顯的偏壓受力，右側(cè)壓應(yīng)力明顯大于大于左側(cè)，待后行左洞開(kāi)挖后，中隔墻偏壓受力情況才得以改善，中隔墻墻底應(yīng)力在后行左洞開(kāi)挖后由壓變拉。

2.5 初期支護(hù)應(yīng)力分析

初期支護(hù)最終應(yīng)力分布情況列于表3。

表3 燕尾段初期支護(hù)應(yīng)力值MPa隧道結(jié)構(gòu)型式初期噴射混凝土層最大主應(yīng)力出現(xiàn)位置最小主應(yīng)力出現(xiàn)位置系統(tǒng)錨桿最大主應(yīng)力出現(xiàn)位置大跨度1.87拱底-12.76邊墻217.0拱腰連拱0.880中墻上方-17.00右洞左拱腰197.4左洞右拱腰小凈距0.788左洞拱底-14.18中夾巖柱側(cè)壁186.4左洞右邊墻偏上

根據(jù)燕尾段初期支護(hù)應(yīng)力的模擬結(jié)果，可以看出初期支護(hù)體系基本處于安全狀態(tài)，其中以大跨段拱底位置所受拉應(yīng)力最為明顯，因此施工過(guò)程中更應(yīng)該注意仰拱施作的及時(shí)性，以使初期支護(hù)體系及時(shí)閉合成環(huán)，充分發(fā)揮支護(hù)作用，有效控制大跨隧道的變形收斂；初噴砼層壓應(yīng)力以連拱段先行右洞左拱腰處(即中隔墻右上方)最為顯著，小凈距段中夾巖柱次之，施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意對(duì)連拱段中墻上方巖體和小凈距段中夾巖柱的保護(hù)；錨桿支護(hù)體系發(fā)揮的作用在大跨段中最為顯著，連拱段次之，小凈距段最小，拱腰位置處的錨桿所受拉應(yīng)力最大。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)戴云山隧道燕尾段開(kāi)挖過(guò)程的數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論與建議：

(1)大跨段開(kāi)挖后拱頂下沉與拱頂回彈量值較大，不但要采用超強(qiáng)小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)措施，對(duì)工作面前方巖體進(jìn)行預(yù)加固以控制拱頂沉降，防止坍塌險(xiǎn)情發(fā)生，還應(yīng)該及時(shí)施作隧道仰拱，使初期支護(hù)體系快速閉合成環(huán)聯(lián)合發(fā)揮作用，以有效抑制拱底回彈。

(2) 連拱段中隔墻上方巖體所受壓應(yīng)力最大，考慮到現(xiàn)場(chǎng)爆破開(kāi)挖對(duì)該部分巖體的多次擾動(dòng)，可以確定中隔墻上方巖體為整個(gè)連拱隧道的薄弱部位，所以中導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)應(yīng)重視超前小導(dǎo)管施作的及時(shí)性，以加固中隔墻上方巖體。

(3)連拱段中隔墻整體向左偏移，并表現(xiàn)出偏壓和墻底受拉的力學(xué)特點(diǎn)，建議中墻基底采用地基錨桿錨固，清底回填與二襯等強(qiáng)度混凝土，以減小墻底拉應(yīng)力，并有必要在后行左洞未開(kāi)挖圍巖與中墻之間施作鋼支撐工程，以平衡先行右洞開(kāi)挖后初支拱圈的推力，防止中隔墻向左偏移，減小中隔墻偏壓程度。

(4)小凈距段中夾巖柱承受壓力較大，很可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的情況，建議采用預(yù)裂爆破和光面爆破技術(shù)以減小對(duì)中夾巖柱的震動(dòng)影響，其次采用小導(dǎo)管注漿、系統(tǒng)錨桿、水平貫通預(yù)應(yīng)力錨桿等方法加固中夾巖柱，及時(shí)施作初期支護(hù)，使中夾巖柱處于有利的三向受壓狀態(tài)。

參 考 文 獻(xiàn)

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