田衛(wèi)明

（重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶 402247）

1 引言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的連拱隧道正在建設(shè)中。連拱隧道開挖面較大，導(dǎo)致施工時很難一次性完整開挖，所以重復(fù)的不規(guī)則性擾動會導(dǎo)致連拱隧道圍巖失穩(wěn)，極易發(fā)生風(fēng)險事故，所以，連拱隧道的施工對地質(zhì)條件要求十分嚴(yán)格［1］。當(dāng)連拱隧道穿越層狀圍巖時，軟弱的圍巖在多次擾動情況下發(fā)生風(fēng)險概率急劇上升，給層狀圍巖條件下連拱隧道的施工帶來諸多不確定因素。目前，連拱隧道施工較常用的方法主要有中導(dǎo)洞法和三導(dǎo)洞法。三導(dǎo)洞法對圍巖的擾動次數(shù)更多，所以一般在層狀圍巖情況下采用中導(dǎo)洞法。利用FLAC3D對層狀圍巖條件下連拱隧道施工力學(xué)行為分析與研究，可以提前掌握連拱隧道施工時各階段圍巖應(yīng)力變化，預(yù)測風(fēng)險，達(dá)到減少事故的目的。

連拱隧道的施工是目前研究的熱點(diǎn)問題，許多學(xué)者在這方面做了研究工作。陳蒙、陳娛、高峰等對偏壓地質(zhì)條件下雙連拱隧道開挖與支護(hù)方式進(jìn)行研究［2-6］；李新龍、鄭鵬武利用數(shù)值模擬研究不同工法下雙連拱開挖時隧道力學(xué)特性［7-8］；于忠波進(jìn)行了大跨度連拱隧道施工時三維仿真分析［9］；曹偉飚、賈杰南利用有限元分析連拱隧道施工過程［10-12］。綜上可知，目前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)集中在連拱隧道施工過程的力學(xué)行為，但目前所涉及的研究方向大多在偏壓、軟弱圍巖方面，對層狀圍巖的研究還較少；數(shù)值模擬是研究雙連拱隧道力學(xué)行為的主要手段。

2 工程概況及模型建立

2.1 工程概況

隧道線路構(gòu)造為傾角較緩的單斜地質(zhì)構(gòu)造，隧道區(qū)地質(zhì)巖性有：薄-中厚層泥質(zhì)白云巖、中厚層灰?guī)r。隧道洞內(nèi)路面縱坡-0.85%和-2.75%，最大埋深約42.40m。根據(jù)鉆探、物探及地質(zhì)調(diào)繪，隧道區(qū)地層巖性由新至老為第四系殘坡積塊石土、填筑土，下伏基巖為三疊系中統(tǒng)松子坎組泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r。塊石土主要由塊石及碎石夾少量粘土組成，塊石及碎石成分為泥質(zhì)白云巖，各組分分布不均，且稍密、稍干，圍巖級別為V級。下伏基巖為三疊系中統(tǒng)松子坎組強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖、中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r。根據(jù)其巖石風(fēng)化、節(jié)理裂隙發(fā)育程度及強(qiáng)度差異劃分為三層：第一層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，其巖質(zhì)軟，裂隙極其發(fā)育，溶蝕弱發(fā)育，巖石極破碎。第二層為中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，巖質(zhì)較軟，局部夾薄層狀白云巖，裂隙較為發(fā)育，呈閉合或微張狀，溶蝕弱發(fā)育，巖石極破碎。第三層為中風(fēng)化灰?guī)r，巖石呈灰色，細(xì)晶構(gòu)造，中厚層構(gòu)造，巖質(zhì)硬，裂隙較發(fā)育，呈閉合或微張狀，溶蝕弱發(fā)育，巖石極破碎。以上三種巖層均為V級圍巖。隧道區(qū)域地表水不發(fā)育，上部分布一座池塘，該池塘常年有水且無法改移。對施工有一定影響?？障端盎鶐r裂隙水主要受大氣降水補(bǔ)給，都有較好的透水性和季節(jié)性，動態(tài)變化較大。

2.2 模型建立

取模擬隧道周圍土體40m×54m為分析區(qū)域，隧道拱頂距地面16.2m，拱底距離區(qū)域巖體底部14.8m；隧道左線與右線拱腰間距21.6m，其中左右線隧道中間中隔墻厚度為1.3m，根據(jù)上述區(qū)間隧道概況，運(yùn)用FLAC3D建立數(shù)值分析幾何模型（圖1），模型原點(diǎn)取隧道對稱中點(diǎn)，隧道掘進(jìn)方向?yàn)閅正向，高程方向?yàn)閆向，向上為正；水平向?yàn)閄軸向，向右為正，模型底取值Z=-16.59m，模型頂取實(shí)際的工程地面，左側(cè)取X=-27m，右側(cè)與左側(cè)對稱，隧道前進(jìn)方向Y向值取10m。模型左、右側(cè)邊界約束水平位移，下邊界約束豎向位移。

圖1 雙連拱隧道施工計(jì)算幾何模型

依據(jù)場地巖土工程勘察報告中的巖石、土體材料力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合地鐵、公路相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，選取圍巖物理、力學(xué)參數(shù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)物理、力學(xué)參數(shù)及樁基結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)。見表1，其中混凝土材料采用彈性材料。

3 施工過程力學(xué)行為分析

3.1 施工開挖順序

連拱隧道采用中導(dǎo)洞開挖施工時，一般先開挖中洞。開挖完成后進(jìn)行初期錨噴支護(hù)。整個施工斷面開挖完成后，從開挖中間斷面向兩側(cè)修筑中隔墻，其余土體為上下臺階法開挖，開挖過程中進(jìn)行初支二襯的修筑。其施工工序圖見下圖2。計(jì)算過程以每2m為一個循環(huán)，每一循環(huán)劃分為2個計(jì)算步驟。中導(dǎo)洞開挖分二步，首先開挖隧道I，III部2m，并施作II部的初期支護(hù)；然后從隧道中間斷面向兩端延伸，修建隧道III部中隔墻。臺階法開挖分三步進(jìn)行，首先開挖隧道IV部（上臺階）2m，并施作VI部的錨噴支護(hù)，然后開挖隧道V部，并施作VII部的錨噴初期支護(hù)，最后施作VIII部的二次襯砌模筑鋼筋混凝土。

表1 雙連拱隧道計(jì)算參數(shù)表

圖2 雙連拱隧道中導(dǎo)洞法施工工序圖

3.2 圍巖及全域應(yīng)力狀況分析

根據(jù)開挖過程數(shù)值模擬，分析連拱隧道施工時，連拱隧道圍巖全域力學(xué)行為。為了研究方便，分別取完成初支后和完后二襯施工兩個斷面為研究對象，進(jìn)行數(shù)值模擬，分析二個階段力學(xué)行為。為定性分析開挖過程中力學(xué)變化情況，取開挖第一循環(huán)中心位置截面圖作為研究對象。

在數(shù)值計(jì)算時取不同階段力學(xué)行為數(shù)據(jù)分析各斷面在開挖圍巖變化。圖3-圖5是隧道開挖后二襯施工前主應(yīng)力和剪應(yīng)力情況，應(yīng)力變化與塑性區(qū)發(fā)展分布基本一致。圖6-圖8是二襯施工后的主應(yīng)力和剪應(yīng)力情況，各斷面在相同的開挖、支護(hù)工況時大主應(yīng)力、小主應(yīng)力、剪切應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)展分布基本一致。圖9顯示，在隧道開挖、支護(hù)過程中，隧道拱腰及拱腳部分巖體發(fā)生拉伸剪切屈服，砂巖巖層也出現(xiàn)層狀屈服，但上述塑性屈服區(qū)僅在施工過程中被拉伸剪切屈服，現(xiàn)圍巖處于穩(wěn)定狀況，僅在隧道兩側(cè)拱腳處仍存在剪切屈服?？傮w來看，隧道及其上方橋臺、擋墻處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 開挖初期支護(hù)完成、二襯未施作前大主應(yīng)力圖

圖4 開挖初期支護(hù)完成、二襯未施作前小主應(yīng)力圖

圖5 開挖初期支護(hù)完成、二襯未施作前剪切應(yīng)力圖

圖6 二襯完成后大主應(yīng)力圖

圖8 開挖支護(hù)完成后圍巖剪切應(yīng)力圖

圖9 開挖支護(hù)施工后圍巖屈服狀態(tài)

通過進(jìn)行數(shù)值模擬，分析應(yīng)力分布狀況，在隧道開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中，最大受拉主應(yīng)力值約為1.12MPa，主要集中于隧道拱頂內(nèi)側(cè)以及拱腳處，整個計(jì)算區(qū)域主要以受壓為主。小主應(yīng)力圖顯示，最大受壓小主應(yīng)力值為5.74MPa，隧道兩側(cè)拱腰部位初支結(jié)構(gòu)及其周圍部分圍巖體上出現(xiàn)較大值，整個計(jì)算區(qū)域主要以受壓為主；最大受拉小主應(yīng)力值為1.30 MPa。剪切應(yīng)力值最大約為1.12MPa，主要分布于隧道兩側(cè)拱頂及拱腳位置處，呈對稱分布，但總體量值較小。

4 區(qū)間隧道施工的計(jì)算位移分析

圖10、圖11顯示了在區(qū)間隧道開挖完成后，隧道縱向開挖第一循環(huán)中心位置截面處的全域豎直位移和水平位移分布。

圖10 區(qū)間隧道開挖支護(hù)完成后豎向位移圖

從圖10可以看出，從計(jì)算豎直位移來看，隧道最大豎直位移值為4.9mm，出現(xiàn)于隧道中隔墻頂部兩拱腳交匯處；隧道拱頂下沉位移約為4mm，變形區(qū)為4m×15m的拱形區(qū)域；拱底最大回彈為3.6mm。

圖11 區(qū)間隧道開挖支護(hù)完成后水平位移圖

從圖11可以看出，從計(jì)算水平位移來看，隧道最大水平位移值為0.5mm，出現(xiàn)在隧道左洞左側(cè)拱腰；在右洞右側(cè)拱腰出現(xiàn)了0.5mm的負(fù)向位移。從兩個斷面位置的豎直位移及水平位移來看，最大值為4.9mm，整體變形較小，說明隧道開挖、支護(hù)施工對整個計(jì)算區(qū)域的影響很小，隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

5 隧道變形情況分析

為分析區(qū)間隧道開挖施工過程中的隧道變形及變位情況，提取拱頂拱腳的豎向位移，分析隧道的變位、變形情況。在計(jì)算過程中對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了沉降監(jiān)測，監(jiān)測示意圖見圖12，監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算位移曲線見圖13。

圖12 區(qū)間隧道豎向位移監(jiān)測布置圖

圖13 隧道監(jiān)測點(diǎn)位移曲線圖

從圖13分析，隧道結(jié)構(gòu)不同部位沉降變化很大，其中隧道最大沉降位移值為5.3mm，發(fā)生在區(qū)間隧道中隔墻頂端H3監(jiān)控點(diǎn)，隧道拱腰處沉降均在0～1mm之間。隧道結(jié)構(gòu)沉降位移小，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

6 結(jié)論

從數(shù)值模擬上看，采用中導(dǎo)洞開挖法時，連拱隧道最大豎向變形主要在中隔墻頂部兩拱腳交匯和隧道拱頂之間拱形區(qū)域，水平變形主要發(fā)生在隧道拱腰。在施工時應(yīng)加強(qiáng)中隔墻的監(jiān)控。