達 勇, 李 佶, 姚 磊

(1.湖南省湘筑工程有限公司, 湖南 長沙 410000;2.浙江省交通工程建設集團有限公司 市政分公司, 浙江 杭州 310051)

底部巖溶小凈距隧道施工力學特性研究

達 勇1, 李 佶2, 姚 磊2

(1.湖南省湘筑工程有限公司, 湖南 長沙 410000;2.浙江省交通工程建設集團有限公司 市政分公司, 浙江 杭州 310051)

以某底部含有溶洞的小凈距隧道為例，運用有限元軟件ABAQUS對隧道采用單側壁導坑法施工過程中圍巖的塑性區(qū)、洞周位移以及圍巖應力的變化情況進行了數(shù)值分析研究并得出結論：對于底部巖溶小凈距隧道，先行洞的施工對后行洞塑性區(qū)的發(fā)展影響不明顯，溶洞對隧道拱頂下沉和仰拱隆起量影響較為明顯，并且對先行洞洞周收斂值的影響較后行洞大。隧道施工過程中洞周圍巖以及中夾巖柱一般處于壓應力狀態(tài)，受力狀態(tài)較為理想。在施工過程中應重點關注隧道塑性區(qū)的發(fā)展以及洞周位移值的監(jiān)控量測。

小凈距隧道； 底部巖溶； 圍巖位移； 塑性區(qū)； 圍巖應力

0 引言

小凈距隧道是一種介于分離式隧道和連拱隧道之間的隧道結構形式[1]。因其具有占地少、結構受力簡單、展線難度小、工期短、施工質量易于控制等特點，在近些年的隧道建設中利用越來越廣泛，而巖溶又是我國西南地區(qū)較為常見的一種地質現(xiàn)象，因而在我國西南地區(qū)修建小凈距隧道，就不可避免地受到巖溶地質的影響。目前專家學者們對小凈距隧道的研究，已經(jīng)逐漸從一般地質條件下的小凈距隧道轉向軟巖條件下淺埋偏壓大跨度小凈距隧道的研究[2]，從單純的靜力學結構安全性分析轉向爆破震動等動力特性的研究[3]，取得了豐碩的研究成果。然而對于小凈距巖溶隧道的研究目前尚不多見，皮小強[4]采用數(shù)值分析的方法研究了溶洞位于中夾巖柱上方時，不同洞徑的溶洞對隧道掘進過程中圍巖位移場、應力場、塑性區(qū)分布的變化特征的影響，以及先行洞的開挖對后行洞圍巖穩(wěn)定性的影響。本文以某底部巖溶小凈距隧道為例，運用數(shù)值模擬的方法研究了當溶洞位于中夾巖柱下部時單側壁導坑法施工過程中圍巖的塑性區(qū)、位移以及應力場的變化，為相似工況下隧道的開挖提供

參考。

1 工程概況

該隧道洞身為分離式高速公路隧道，但出口段由于受地形限制設計為小凈距隧道，中夾巖柱最小間距15 m，隧道單洞最大開挖跨度17.95 m，最大高度為12.2 m，圍巖級別為Ⅳ級，巖性泥盆系上統(tǒng)天子嶺組中風化灰?guī)r，灰色屬較硬巖，巖體較完整，巖體完整性系數(shù)0.6，巖質較堅硬，層間結合好。經(jīng)勘測，在里程K167+475處隧道中夾巖柱底部距隧道仰拱約17 m處存在一橫斷面為近似橢圓形的干溶洞，該溶洞高11.2～12.1 m，寬8～9.1 m，縱向寬度18.2～19.5 m，其走向與溶洞軸線基本平行。

隧道采用新奧法設計與施工原理，采用光面爆破及復合式支護結構，斷面形式為三心圓。設置雙層φ 8鋼筋網(wǎng)，并設置全環(huán)20 b工字鋼拱架，縱向間距50 cm，隧道周邊采用長4 m，D25中空注漿錨桿加固，梅花型布置，初期襯砌采用30 cm厚C25噴射混凝土，二襯采用60 cm厚C25鋼筋混凝土。溶洞段左洞襯砌設計圖如圖1所示。

圖1 溶洞段左洞襯砌設計所示(單位： m)

2 計算參數(shù)的確定

運用有限元軟件ABAQUS進行隧道開挖與支護的模擬，在模擬中隧道圍巖和襯砌材料均采用Drucker-Prager理想彈塑性模型，僅考慮圍巖重力場的影響。根據(jù)新奧法施工原理將二次襯砌僅視為安全儲備結構，而不考慮其施作過程與支護效果[5]。對于錨桿加固效果的模擬通常把錨桿的作用通過提高隧道周圍加固圈的粘聚力c和內摩擦角ψ來考慮[6],文中對上述加固區(qū)圍巖力學參數(shù)中c、ψ提高20%的方法加以模擬，而對于工字鋼的模擬效果一般是將工字鋼的彈性模量折算到噴射混凝土的彈性模量模擬上來實現(xiàn)[7]，數(shù)值模擬所采用的圍巖與襯砌的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及支護結構物理力學參數(shù)表項目容重內摩擦角/(°)粘聚力/MPa彈性模量/GPa泊松比抗拉強度/MPa圍巖2236045033025加固區(qū)2440043503503 初襯2545223025

3 模型的建立

根據(jù)工程現(xiàn)場實際情況，左右兩洞均采用單側壁導坑法施工，其施工工序如圖2所示；忽略錨桿和臨時支護結構的施作過程。通過施工過程中圍巖塑性區(qū)、位移與應力的分析確定溶洞對隧道開挖過程安全性的影響。

圖2 施工工序圖

由于在隧道開挖后初期襯砌一般不能及時跟進，因而圍巖應力總會有一定程度的釋放。計算模擬過程中通過改變開挖土體的彈性模量來模擬應力的釋放過程，在應力釋放達到60%時施作初期支護。對于隧道工程,數(shù)值計算模型的范圍一般取開挖斷面3～5倍最大洞徑[8]，左右邊界距隧道開挖輪廓線各50 m，將溶洞簡化為橢圓形，溶洞最高點距隧道仰拱底部17 m，最低點距模型下邊界20 m，計算模型網(wǎng)格劃分如圖3所示，其中模型左右邊界約束橫向位移，底部邊界約束橫向和豎直位移，頂部為自由邊界。

圖3 有限元模型網(wǎng)格

4 計算結果分析

4.1 隧道開挖過程圍巖塑性區(qū)分析

隧道的開挖過程不可避免的伴隨著圍巖的應力重分布現(xiàn)象，由于小凈距隧道施工工序較多，圍巖和支護結構受力變化較復雜，圍巖局部區(qū)域可能會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象而產(chǎn)生塑性區(qū)[9]，而由于溶洞的存在會對隧道開挖過程中圍巖的應力釋放產(chǎn)生進一步的影響，可能會生成相互貫通的塑性區(qū)，形成危險滑動面，因而研究圍巖塑性區(qū)的發(fā)展過程能對施工過程中的危險施工步進行有效的預防加固措施，保證施工安全。隧道施工重要過程的圍巖塑性區(qū)變化圖如圖4所示。

在先行洞第一部分巖體開挖完畢后，開挖巖土體左側和以及先行洞右側拱肩處即產(chǎn)生塑性區(qū)，其寬度分別為2.5 m和1.2 m，溶洞僅左上部產(chǎn)生輕微的塑性區(qū)，可見第1步開挖后，溶洞對隧道圍巖塑性區(qū)產(chǎn)生的影響較為微小。先行洞第2步開挖后，洞身巖土體塑性區(qū)與右側拱腰處塑性區(qū)繼續(xù)增大，溶洞左上部塑性區(qū)也有稍微的擴大趨勢。先行洞第3步開挖后，隧道左側拱腰出現(xiàn)較為明顯的塑性區(qū)，其寬度約為3 m左右，同時右側拱腰塑性區(qū)延伸至拱腳處，并向拱腳下部的溶洞方向延伸，溶洞左上部塑性區(qū)也有明顯的擴大，且向先行洞右側拱腳延伸。先行洞第4步開挖后，左側拱腰處塑性區(qū)向拱腳和拱肩方向衍生，寬度也增大為約3.1 m左右。同時值得注意的是先行洞右側拱腳處塑性區(qū)與溶洞左上部塑性區(qū)已延伸至圍巖深處并成貫通趨勢，此步施工進行過程中應注意隧道右側拱腳的保護，防止形成滑動面威脅施工安全。與先行洞第1步開挖相似，后行洞第1步開挖后，塑性區(qū)仍出現(xiàn)在開挖巖土體兩側，寬度約為2.3 m，同時先行洞右側拱腰處塑性區(qū)有稍微減小，但上一施工步中產(chǎn)生的塑性貫通面仍存在，同時溶洞左側塑性區(qū)沒有明顯的發(fā)展。后行洞第2步開挖后開挖部分土體兩側塑性區(qū)繼續(xù)擴展，其他區(qū)域塑性區(qū)沒有明顯的變化。后行洞第3步開挖后先行洞周圍塑性區(qū)沒有明顯變化，而后行洞右側拱腰處出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)，其寬度約為1 m左右，同時左側拱腳處產(chǎn)生明顯的塑性區(qū)，并向下延伸。溶洞左上部塑性區(qū)突然出現(xiàn)并向上延伸與后行洞左側拱腳塑性區(qū)貫通，此步施工過程最為危險，隧道與溶洞之間巖土體容易向溶洞內滑塌，此時應采取注漿及鎖腳錨桿等措施進行加固，確保圍巖穩(wěn)定。后行洞第4步開挖后，后行洞右側拱腰塑性區(qū)繼續(xù)擴展，跨度約為3 m左右。由以上分析可知，該隧道開挖過程中，后行洞對先行洞的塑性區(qū)的發(fā)展影響不顯著，然而由于溶洞的存在，使先行洞第4步開挖過程和后行洞第3步開挖過程產(chǎn)生了相互貫通的塑性區(qū)，威脅到了施工的安全。因而應在這兩步施工前對可能產(chǎn)生塑性區(qū)的區(qū)域進行及時加固，防止或者減小塑性區(qū)繼續(xù)擴展，保證施工安全。

a) 第1步開挖

b) 第2步開挖

c) 第3步開挖

d) 第4步開挖

f) 第6步開挖

g) 第7步開挖

h) 第8步開挖

圖4 隧道塑性區(qū)變化云圖

4.2 圍巖位移分析

為了確定溶洞的存在對隧道周邊圍巖豎向位移的影響，選取距隧道拱頂和仰拱同一高度的兩排特征點，并將其豎向位移與不存在溶洞時的豎向位移相比較。特征點分布如圖5所示，取中夾巖柱處特征點橫坐標為0。最終的豎向位移分布曲線圖如圖6、圖7所示。

由圖6可知，溶洞的存在使拱頂位移明顯增大，在左側距溶洞橫向距離最遠處，存在溶洞時下沉量為1.13 mm，無溶洞時其下沉量為1.02 mm，下沉量增大了10.7%；左洞拱頂正上方特征點在溶洞存在時下沉量為3.07 mm,無溶洞時其下沉量為2.45 mm，下沉量增大了25%；中夾巖柱處特征點在存在溶洞時下沉量為2.71 mm,無溶洞時其下沉量為1.39 mm，下沉量增大了94.9%。由以上分析可知，溶洞的存在明顯增大了隧道拱頂圍巖下沉量，并且橫向距溶洞越近這種增大效果越明顯。

圖5 特征點分布圖

圖6 拱頂特征點位移圖

圖7 仰拱底部特征點位移圖

由圖7可知，在距溶洞橫向一定距離以外，溶洞的存在使隧道仰拱隆起量增大，在左側距溶洞橫向距離最遠處，存在溶洞時隆起量0.07 mm，無溶洞時其隆起量0.03 mm，隆起量增大了133.3%；左洞拱頂正上方特征點在溶洞存在時隆起量為1.6 mm,無溶洞時其隆起量為1.54 mm，隆起量增大了3.89%；中夾巖柱處特征點在存在溶洞時隆起量為-1.39 mm,無溶洞時其隆起量為0.15 mm，這說明溶洞的存在對中夾巖柱底部附近圍巖隆起量的影響遠遠超出隧道洞身巖土體開挖對其產(chǎn)生的影響。由以上分析可知溶洞的存在在一定范圍內增大了隧道底部圍巖隆起量，并且這種增大效果隨距離溶洞的減小而減小，達到溶洞正上方時反而使隧道底部巖土體下沉。

選取兩隧道拱腰處共4個特征點分析溶洞對隧道洞周收斂的影響,洞周收斂隨荷載步的變化曲線圖如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知溶洞的存在能有效減小洞周最終收斂值，但對兩洞施工過程中洞周收斂值的影響有所不同。在建模分析過程中荷載步2 — 13為左洞(先行洞)開挖分析步，14 — 25為右洞(后行洞)開挖分析步。由圖8可知左洞的開挖過程對右洞的收斂值影響較小，收斂值均在0附近，而溶洞存在時右洞的開挖使左洞洞周收斂值有稍微的降低。溶洞的存在對左洞開挖過程中洞周圍巖的收斂影響較為明顯，使左洞洞周收斂為負值。在右洞開挖過程中，溶洞對左洞洞周收斂的影響較右洞顯著。由以上分析可知，溶洞對先行洞洞周收斂值的影響遠大于對后行洞洞周收斂值的影響。

圖8 右洞洞周收斂位移

圖9 左洞洞周收斂位移

4.3 圍巖應力

隧道開挖過程中圍巖最大主應力云圖如圖10所示，兩洞拱頂和仰拱處以及靠近中夾巖柱位置的拱肩與拱腳4個位置的最大主應力變化曲線圖如圖11所示。由圖可知隧道開挖過程中最大主應力的最值一般出現(xiàn)在開挖面周圍一定范圍內，先行洞第1步開挖后隧道右拱肩出現(xiàn)最大主應力為壓應力，其值0.42 MPa，第2步開挖右側拱腳出現(xiàn)最大主壓應力0.03 MPa，第3步開挖后右拱肩主應力區(qū)域擴展至拱頂以及左側拱肩，同時左側拱腳處也產(chǎn)生最大主壓應力，第4步開挖后先行洞拱頂、拱肩、仰拱以及拱腳處最大主應力均為壓應力，后行洞開挖過程中洞周拉應力區(qū)域的發(fā)展趨勢與先行洞相似，并且由于溶洞的影響，先行洞右側拱腳及其左側拱肩最大主應力區(qū)域向巖土體內延伸較遠，拱腰處圍巖最大主應力也為壓應力，中夾巖柱和溶洞周圍沒有出現(xiàn)明顯的拉應力區(qū)。注意到在右洞開挖過程中，左洞右拱腳出現(xiàn)了最大主拉應力，其值為0.05 MPa。由以上分析可知隧道的開挖對溶洞周圍應力影響不大，但溶洞的存在使隧道臨近溶洞的拱腳以及遠離溶洞的拱肩位置出現(xiàn)延伸較深的最大主應力區(qū)。

a) 第1步開挖

b) 第2步開挖

c) 第3步開挖

d) 第4步開挖

e) 第5步開挖

f) 第6步開挖

g) 第7步開挖

h) 第8步開挖

圖11 隧道周邊特征點主應力云圖

5 結論

通過以上對大跨度小凈距巖溶隧道施工過程中圍巖位移、塑性區(qū)以及應力的分析可得出：

1) 隧道先行洞對后行洞開挖過程中塑性區(qū)的影響不顯著，但是兩洞靠近溶洞的拱腳處會產(chǎn)生于溶洞相互貫通的塑性區(qū)，施工時應特別注意拱腳的加固，防止滑動面的形成。

2) 溶洞的存在對隧道開挖過程中圍巖的位移尤其是拱頂與仰拱處的豎向位移影響較為顯著，并且距溶洞橫向距離越近這種影響越明顯，溶洞對先行洞洞周收斂值的影響遠大于對后行洞洞周收斂值的影響。

3) 隧道的開挖對溶洞周圍應力影響不大，但溶洞的存在使隧道臨近溶洞的拱腳以及遠離溶洞的拱肩位置出現(xiàn)延伸較深的最大主應力區(qū)。

4) 對于大跨度小凈距巖溶隧道在施工過程中應重點防止塑性區(qū)的發(fā)展及貫通，防止危險滑動面的形成，對于拱頂沉降量與仰拱隆起量應加強監(jiān)控量測，防止圍巖的過大變形。

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