鄭少華
(天津市市政工程設(shè)計研究院 天津 300000)
大量工程實踐表明,隧道的施工過程是一個極為復(fù)雜的動態(tài)加卸載力學(xué)系統(tǒng)過程。隧道開挖后圍巖的應(yīng)力場、位移場,以及塑性區(qū)的分布不僅取決于最終的洞型,而且還與圍巖的應(yīng)力路徑有關(guān),即與隧道的施工開挖方法、開挖順序、支護(hù)方式密切相關(guān)。高地應(yīng)力軟巖隧道的施工工序比較復(fù)雜,施工期間諸多工序的相互影響,支護(hù)襯砌相互之間的非同步施工,將會使得圍巖受到多次擾動,會對圍巖的變形和支護(hù)受力產(chǎn)生影響。本文結(jié)合某高速公路高地應(yīng)力軟巖隧道,對隧道開挖空間效應(yīng)及時間效應(yīng)進(jìn)行分析,為類似隧道設(shè)計施工提供參考。
軟巖隧道位于鄂西山區(qū),屬秦嶺山脈東南麓。沿線地貌單元為鄂西構(gòu)造剝蝕侵蝕低中山區(qū),地勢復(fù)雜,地形起伏變化大。隧道最大埋深達(dá)1 500 m,圍巖50%多為軟弱易流變的粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖等,且含水量豐富,是典型的深埋軟巖隧道,其勘察設(shè)計、施工建設(shè)和安全管理均是制約整個工程項目最重要的影響因素。
從理論上說,在若干特定條件下,如深埋圓形隧道,其彈性地層特征線、塑性地層特征線、黏性地層特征線,以及支護(hù)限制線等可以用解析法求得。調(diào)整支護(hù)剛度和施作時間,就能獲得隧洞的最佳支護(hù)效果。因此,收斂限制法從理論上解決了最佳支護(hù)時機問題[1]。由于掌握支護(hù)時機在監(jiān)控技術(shù)和管理上有一定的難度,故從理論上確定隧道二襯合理支護(hù)時機很難。
相關(guān)規(guī)范在總結(jié)眾多隧道施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,提出了以變形速率和極限位移確定最佳支護(hù)時機。變形速率法是指按照新奧法基本原理,二次襯砌的施工最佳時機是在隧道變形基本穩(wěn)定即變形速率小于一定值后,對于根據(jù)變形速率確定二次襯砌最佳支護(hù)時機的準(zhǔn)則,在現(xiàn)行JTG/T 3660-2020 《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[2]中有明確規(guī)定:周邊位移速率小于0.1~0.2 mm/d或者拱頂下沉速率小于0.07~0.15 mm/d。
而極限位移準(zhǔn)則規(guī)定,首先根據(jù)隧道位移發(fā)展規(guī)律預(yù)測圍巖總變形量,然后,綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)等各方面因素給出適宜的隧道允許變形范圍,根據(jù)GB 50086-2015 《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[3]規(guī)定,構(gòu)筑二襯最佳時機為已產(chǎn)生的各項位移達(dá)到各項位移預(yù)計總量的80%~90%時。
高地應(yīng)力軟巖隧道開挖過程不僅會產(chǎn)生明顯的彈塑性變形而且還會產(chǎn)生明顯的流變變形,因此隧道最佳支護(hù)時機的確定必須考慮隧道開挖過程時空效應(yīng)的影響。本文根據(jù)峽口隧道實際情況,按照如下步驟確定其最佳支護(hù)時機。
1) 根據(jù)隧道的施工方案,對施工過程中的空間效應(yīng)進(jìn)行分析,得到隧道開挖的彈塑性變形。
2) 根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果,通過反分析得到圍巖的蠕變損傷參數(shù),并對隧道開挖后的時間效應(yīng)進(jìn)行分析得到其蠕變變形。
3) 將圍巖的彈塑性變形和蠕變變形進(jìn)行疊加得到圍巖的全變形曲線,并對全變形曲線特征進(jìn)行分析。
4) 根據(jù)相關(guān)規(guī)范的變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則確定隧道的支護(hù)時機,同時得到此時的隧道預(yù)留變形量大小。
為模擬隧道開挖的過程,本文建立了如圖1所示的三維模型,利用大型有限元軟件Abaqus[4]進(jìn)行計算分析,其中開挖步按照峽口隧道上、下臺階法開挖方案設(shè)定,圖1b)中d為上、下臺階間距離,本次分析過程中取上下臺階間距為4 m。根據(jù)峽口隧道實際情況計算埋深為1 500 m,主要的支護(hù)參數(shù)為:初期支護(hù)采用噴錨網(wǎng)加U型鋼的支護(hù)方式,其中噴射混凝土厚度為30 cm、錨桿長度為5 m,并采用U29可壓縮支架,二次襯砌采用厚度為45 cm的模鑄鋼筋混凝土。
圖1 有限元計算模型
由于單元數(shù)量的限制,本次計算過程中沒有建立錨桿單元,其注漿加固作用采用等效方法處理。研究表明,注漿加固效果主要體現(xiàn)在對圍巖黏聚力的提高上,本次分析加固區(qū)黏聚力提高50%,計算過程中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 圍巖及支護(hù)計算參數(shù)
隧道開挖完成后產(chǎn)生的位移場分布見圖2,拱頂下沉和水平收斂隨開挖掌子面位置的變化規(guī)律見圖3。
圖2 隧道位移場分布(單位:m)
圖3 隧道開挖彈塑性變形
由圖2、圖3可見,隨著開挖掌子面的推進(jìn),襯砌的拱頂下沉和水平收斂逐漸增大,拱底下沉最終值為8.49 cm,水平收斂最終值為6.97 cm。當(dāng)掌子面推進(jìn)至監(jiān)測點后2倍洞徑(約10 m)時,圍巖收斂變形趨于穩(wěn)定。本次分析采用微臺階開挖方案,開挖過程上、下臺階相距較小,襯砌結(jié)構(gòu)很快封閉限制了圍巖變形的繼續(xù)發(fā)展,因此襯砌施工后續(xù)開挖過程中對圍巖變形的影響較小。
ABAQUS提供了基于擴(kuò)展Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的線性蠕變模型,其蠕變勢函數(shù)采用與屈服勢函數(shù)相同的形式,在p-q面上為雙曲線函數(shù),具體為
(1)
按照三軸蠕變試驗過程,給定有限元計算中的軸向荷載和圍壓,在軸向荷載作用下,按照非線性蠕變本構(gòu)方程,通過有限元迭代計算出軸向和徑向蠕變增量。
本次反分析采用的有限元模型見圖4,模型尺寸與室內(nèi)試驗的標(biāo)準(zhǔn)巖樣一致,其直徑為50 mm、高度為100 mm。模型底邊采用法向約束。
圖4 反分析有限元模型
按照室內(nèi)蠕變試驗過程,有限元計算分為以下計算步:①施加30 MPa圍壓;②偏應(yīng)力加載到30 MPa;③進(jìn)行蠕變;④偏應(yīng)力加載到40 MPa;⑤進(jìn)行蠕變;⑥偏應(yīng)力加載到50 MPa;⑦進(jìn)行蠕變;⑧偏應(yīng)力加載到60 MPa;⑨進(jìn)行蠕變。數(shù)值模擬蠕變中蠕變時間與實際試驗過程中一致。本次反分析的收斂誤差設(shè)置為5%,蠕變損傷模型的待反演參數(shù)的初值、取值范圍及參數(shù)反演結(jié)果見表2。
表2 蠕變參數(shù)反演結(jié)果
將減去瞬時變形的蠕變有限元數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比,軸向蠕變和側(cè)向蠕變的數(shù)值計算結(jié)果與蠕變試驗結(jié)果的變化規(guī)律基本一致,在偏應(yīng)力較高處的加速蠕變結(jié)果,得到了較好的擬合效果。
在隧道開挖完成后,采用反分析得到圍巖蠕變參數(shù),通過對隧道圍巖進(jìn)行蠕變分析,蠕變分析時間為30 d。通過計算得到的圍巖蠕變損傷區(qū)域見圖5[3]。
圖5 蠕變損傷區(qū)域(單位:m)
圍巖拱頂下沉及水平收斂的時程曲線見圖6。
圖6 圍巖變形時程曲線
由圖6可見,隨時間的變化,圍巖的蠕變變形不斷增大,30 d內(nèi)圍巖拱頂下沉量達(dá)29.98 cm,水平收斂達(dá)16.71 cm。從量值上來看,拱頂下沉經(jīng)過15 d即到達(dá)其總變形量的90%,水平收斂在經(jīng)過12 d之后達(dá)到其總變形總量的90%。
圍巖拱頂下沉速率和水平收斂速率的時程曲線見圖7。
圖7 收斂速率時程曲線
由圖7可見,圍巖初始蠕變速率最大,隨著時間的增加變形速率迅速降低,拱頂下沉經(jīng)過25 d后基本趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定的拱頂下沉速率約為0.25 mm/d,水平收斂在經(jīng)過20 d后基本趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定的水平收斂速率約為0.21 mm/d。
從隧道開挖時空效應(yīng)分析結(jié)果可以看出,高地應(yīng)力隧道開挖過程中圍巖變形主要以與時間相關(guān)的蠕變變形為主,拱頂下沉蠕變變形占總變形的78%,水平收斂蠕變變形占總變形的71%。
按照極限位移準(zhǔn)則,二次襯砌的支護(hù)時間為隧道開挖后15 d。按照變形速率準(zhǔn)則,二次襯砌的支護(hù)時間為隧道開挖后25 d。綜合考慮隧道的支護(hù)時間應(yīng)在隧道開挖后15~25 d之間。
在確定二次襯砌支護(hù)時機之后,需要對初期支護(hù)與二次襯砌之間的預(yù)留變形量進(jìn)行合理的估計。所謂預(yù)留變形量是指按照新奧法基本原理,為保證二次襯砌施做凈空,在初期支護(hù)與二次襯砌之間一般要預(yù)留的變形空間,其示意見圖8。
圖8 隧道預(yù)留變形量設(shè)計
預(yù)留變形量的設(shè)計,對隧道的設(shè)計施工至關(guān)重要,若設(shè)計預(yù)留變形量過大,不僅會增加隧道的開挖面積,而且會導(dǎo)致二次襯砌混凝土用量明顯增大,若預(yù)留變形設(shè)計過小,則有可能由于圍壓變形侵入二次襯砌凈空,需要后期進(jìn)行擴(kuò)挖施工,這樣不僅會對圍巖產(chǎn)生二次擾動,影響圍巖的穩(wěn)定性,而且還會延誤施工工期。由于掌子面開挖前產(chǎn)生的彈塑性變形隨開挖而去除,因此預(yù)留變形量為掌子面開挖后到二次襯砌施工前的變形之和,對于峽口隧道而言拱頂下沉為:33.3 cm,水平收斂為19.7 cm,以拱頂下沉為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的預(yù)留變形量為35 cm。
從上文的分析可知,二次襯砌施工后圍巖仍以一定的速率產(chǎn)生蠕變,為進(jìn)一步減小二次襯砌的形變壓力,繼續(xù)發(fā)揮U型鋼可壓縮支架的力學(xué)性能,在初期支護(hù)與二次襯砌之間添加10 cm的泡沫混凝土填充層。為了分析二次襯砌施工后隧道的長期穩(wěn)定性, 對峽口隧道進(jìn)行了為期50年的蠕變分析。
通過分析計算得到的二次襯砌變形時程曲線見圖9。
圖9 二次襯砌變形
由圖9可見,二次襯砌的拱頂下沉與水平收斂主要發(fā)生在隧道施工完成的10年內(nèi),之后二次襯砌的變形趨于穩(wěn)定,50年后襯砌拱頂下沉在2.0 cm以內(nèi),水平收斂在1.0 cm以內(nèi)。
隧道施工50年后,襯砌結(jié)構(gòu)等效塑性應(yīng)變分布見圖10。
圖10 完工50年后隧道襯砌等效塑性應(yīng)變分布
由圖10可見,由于U型鋼可壓縮支架和泡沫混凝土填充層的共同作用,減小了二襯的形變壓力,故二次襯砌在拱頂和拱腰上基本沒有產(chǎn)生破壞區(qū)。
結(jié)合峽口隧道現(xiàn)場情況,通過建立上、下臺階法三維有限元結(jié)構(gòu)模型,考慮錨桿注漿加固作用,分析了隧道開挖完成后產(chǎn)生的時間效應(yīng)和空間效應(yīng),研究了隧道的水平和豎向位移情況。
1) 開挖過程上、下臺階距離不宜過大,襯砌結(jié)構(gòu)宜盡快封閉,以限制圍壓變形的繼續(xù)發(fā)展,并減少襯砌施工后續(xù)開挖對圍巖變形的影響。
2) 隧道開挖后,拱頂下沉經(jīng)過25 d后基本趨于穩(wěn)定,水平收斂在經(jīng)過20 d后基本趨于穩(wěn)定。
3) 隧道的支護(hù)時間應(yīng)在隧道開挖后15~25 d之間。
4) 二次襯砌施工后圍巖仍以一定的速率產(chǎn)生蠕變,二次襯砌引起的拱頂下沉和水平收斂主要發(fā)生在隧道施工完成的10年內(nèi),之后二次襯砌的變形將趨于穩(wěn)定。