陳光楊 費(fèi)維水 劉文連 寧曉駿 李揚(yáng) 汪偉偉

(昆明理工大學(xué) 昆明 650000)

0 引言

在地下空間的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選用哪種加固方式，能夠有效改善偏壓隧道常常是比較棘手的問(wèn)題，并且在城市環(huán)境下施工的地下公路隧道對(duì)地表變形要求嚴(yán)格。因此，通過(guò)不同加固方法對(duì)研究淺埋暗挖區(qū)間隧道拱頂沉降、地表沉降、水平收斂、襯砌內(nèi)力的控制情況，對(duì)指導(dǎo)淺埋暗挖隧道及偏壓隧道的設(shè)計(jì)和施工有重要意義。

國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)中針對(duì)不同城市的地層、環(huán)境等具體情況也進(jìn)行了較多的研究。重慶火鳳山區(qū)間隧道主要穿過(guò)第四系全新統(tǒng)人工填土、中風(fēng)化泥巖，是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，本文以重慶火鳳山隧道ZK2+940～ZK3+140區(qū)間隧道施工為背景，通過(guò)建立二維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)不同隧道加固方法引起的拱頂沉降、地表沉降、水平收斂、襯砌內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比研究，分析哪種加固方法能夠有效地減少拱頂沉降，改善隧道偏壓，為后續(xù)淺埋暗挖及偏壓隧道施工提供參考。

1 工程概況

重慶火鳳山隧道在奧園小區(qū)上方以明洞隧道通過(guò)，以暗挖隧道形式下穿金開(kāi)大道，沿金州大道敷設(shè)，終點(diǎn)止于園博園東路。隧道左線明洞小里程段ZK2+470～ZK2+755.760、明洞大里程段ZK2+967～ZK3+095.876及右線明洞小里程段YK1+960～YK2+331、明洞大里程段YK2+520～YK2+669。

隧道區(qū)表覆地層為第四系全新統(tǒng)素填土為雜色，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露，表層填土由于園林建設(shè)活動(dòng)，稍密；下層塊石含量較大，空隙大，土層較為松散，稍濕，主要成份為砂泥巖碎石、塊石，含少量粉質(zhì)粘土，碎塊石含量約10%～50%，粒徑多為20～350 mm，少量超過(guò)500 mm。為城市建設(shè)拋填形成，局部有少量建筑活動(dòng)產(chǎn)生的垃圾，主要位于場(chǎng)地西側(cè)邊坡；回填時(shí)間10 a以上，分布無(wú)規(guī)律，厚5.20～48.4 m。

由于隧道淺埋于粘聚力僅有3 kPa的素填土中，最不利斷面隧道完全埋置于六級(jí)圍巖中，根據(jù)變更設(shè)計(jì)資料可知，采用CRD法施工，開(kāi)挖區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 CRD法標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)

2 模型概況

2.1 模型設(shè)置

本文采用Midas GTS NX二維有限程序進(jìn)行模擬計(jì)算，考慮尺寸的影響，取計(jì)算范圍為左右邊界4d(洞徑)，上邊界到地面，整個(gè)模型寬218 m，高121 m，如圖2所示。本模型左右邊界為水平約束，底部為固定約束。

圖2 數(shù)值模擬模型示意

CRD法的數(shù)值模擬測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

(a)水平收斂 (b)拱頂沉降圖3 位移測(cè)點(diǎn)布置

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

模型中圍巖采用M-C彈塑性本構(gòu)模型，初期支護(hù)和二次襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型；兩層初期支護(hù)(第一層初支：噴層+鋼架；第二次初支：噴層+鋼架)中的噴層和鋼架分別采用梁?jiǎn)卧M；初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)；根據(jù)工程類比和計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，施工過(guò)程模擬時(shí)，開(kāi)挖+初期支護(hù)階段的應(yīng)力釋放比例取為50%，二次襯砌施做后，應(yīng)力100%完全釋放。

超前小導(dǎo)管注漿及隧道基底高壓旋噴樁加固區(qū)內(nèi)土體通過(guò)提高土體力學(xué)參數(shù)的方法進(jìn)行模擬。根據(jù)勘察報(bào)告及《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》可知[1]，計(jì)算中各土層參數(shù)如表1所示。

表1 模型物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

趙菁菁[2]和劉天宇[3]通過(guò)超前小導(dǎo)管注漿等效進(jìn)行模擬隧道加固方式，因此注漿小導(dǎo)管的等效彈性模量可用下式計(jì)算：

(1)

(2)

式中，γ為注漿導(dǎo)管等效重度，kN/m3；E為注漿導(dǎo)管等效彈模，MPa；γ1為導(dǎo)管內(nèi)凝固漿液重度，kN/m3；E1為導(dǎo)管內(nèi)凝固漿液彈模，MPa；γ2為導(dǎo)管重度，kN/m3；E2為導(dǎo)管彈模，MPa；A1為導(dǎo)管內(nèi)凝固漿液的斷面面積，m2；I1為導(dǎo)管內(nèi)凝固漿液斷面慣性矩，m4；A2為導(dǎo)管斷面面積，m2；I2為導(dǎo)管斷面慣性矩，m4。

安關(guān)峰、賈劍青等[4-5]通過(guò)旋噴群樁及高壓旋噴樁等效為復(fù)合基底進(jìn)行模擬隧道加固方式，因此隧道基底高壓旋噴樁的等效彈性模量可按照以下進(jìn)行計(jì)算。

按照彈性力學(xué)理論，彈性模量與壓縮模量間存在關(guān)系：

(3)

式中，E為彈性模量，EP為壓縮模量，μ為泊松比。

若已知復(fù)合地基壓縮模量與泊松比，便可依據(jù)式(3)求出復(fù)合地基彈性模量。根據(jù)變形一致原則，采用《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》[6]中關(guān)于旋噴樁復(fù)合地基壓縮模量計(jì)算公式可得：

EPc=m·EPi+(1-m)·EP0

(4)

式中，EPc為旋噴樁復(fù)合地基壓縮模量，EPi為旋噴樁壓縮模量，EP0為土體壓縮模量，m為樁置換率。

將式(4)代入式(3)便可推出復(fù)合地基彈性模量的計(jì)算公式為

(5)

式中，Ec為旋噴樁復(fù)合地基彈性模量，μc為復(fù)合地基泊松比。

在隧道的數(shù)值分析中，一般將鋼拱架通過(guò)剛度等效的方法考慮，即直接換算到橫隔墻中。其彈性模量為

(6)

式中，Ec為折算后初期支護(hù)彈性模量，E0為原混凝土彈性模量，Sg為鋼拱架截面積，Eg為鋼拱架彈性模量，Sc為初支截面積。

2.3 計(jì)算工況

不同加固方式下的計(jì)算工況見(jiàn)表2。其中頂部小導(dǎo)管與側(cè)部小導(dǎo)管為隧道開(kāi)挖掌支面時(shí)，隧道頂部及側(cè)部打超前小導(dǎo)管；注漿擋墻為考慮在隧道較陡一側(cè)增設(shè)擋體；拱頂圍巖注漿為考慮在隧道拱頂?shù)降乇砻鎱^(qū)域土體加固。

表2 不同加固方式的計(jì)算工況

3 模型數(shù)值分析

3.1 不同加固方式下隧道初襯內(nèi)力分析

不同加固方式下隧道初期支護(hù)噴層內(nèi)力統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 隧道初期支護(hù)噴層內(nèi)力最大值統(tǒng)計(jì)

從表中數(shù)據(jù)可以知，從內(nèi)力方面來(lái)看工況3頂部小導(dǎo)管加側(cè)部小導(dǎo)管的加固方式是最理想的。在5種加固方式中工況3的最大軸力為684.6 kN的壓力，最大彎矩為247.2 kN·m使隧道初襯內(nèi)側(cè)受拉，這對(duì)隧道的受力是有利的。其余加固方式的隧道初襯最大軸力為420～490 kN，最大彎矩為260～360 kN·m。

3.2 不同加固方式下隧道拱頂沉降及水平收斂分析

3.2.1 圍巖變形統(tǒng)計(jì)

不同加固方式下隧道拱頂沉降及地表水平位移如表4所示。

對(duì)比表中數(shù)據(jù)可以看出,采用工況3及工況5的加固方式對(duì)減小隧道圍巖變形是比較有效的。采用工況3的加固方式時(shí)左洞的拱頂沉降減小了31.3 mm，地表水平位移減小了20.7 mm。而采用工況5的加固方式時(shí)左洞的拱頂沉降減小了48.8 mm，地表水平位移減小了28 mm。5種加固方式中工況5是減小隧道圍巖變形最有效的方式，工況3也能使隧道圍巖變形滿足《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》的要求[7]，加固方式的選用應(yīng)綜合各方面因素。

3.2.2 圍巖變形分布

對(duì)應(yīng)于圖3中洞內(nèi)水平收斂和拱頂下沉的測(cè)點(diǎn)位置，有限元計(jì)算得到的不同加固方式下拱頂下沉和洞內(nèi)水平收斂計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

(d)工況4

(e)工況5圖4 不同加固方式下隧道拱頂沉降云圖

不同加固方式下隧道水平收斂計(jì)算曲線(見(jiàn)圖5)表明，5種加固方式中采用工況3的加固方式隧道收斂值在開(kāi)挖右洞第4個(gè)臺(tái)階之前都是最小的。工況5的加固方式對(duì)減小隧道水平收斂的作用僅次于工況3，而其余3種加固方式對(duì)隧道水平收斂的影響均不明顯。

(a)左洞

(b)右洞圖5 不同加固方式下隧道水平收斂計(jì)算曲線

綜上所述，對(duì)于火鳳山特殊隧道來(lái)說(shuō)，采用頂部小導(dǎo)管和側(cè)部小導(dǎo)管加固方法既能有效地降低上部土體沉降，又能改善隧道偏壓，還對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力更加安全，對(duì)以后類似淺埋偏壓小凈距隧道施工的安全具有重要指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

(1)5種加固方式中工況3的軸力最大，彎矩最小，其余工況的最大軸力、最大彎矩較為接近。采用工況3頂部小導(dǎo)管加側(cè)部小導(dǎo)管的加固方式時(shí)隧道受力是最合理的。

(2)采用工況3及工況5的加固方式對(duì)減小隧道圍巖變形都是比較有效的，兩種方式均能使隧道圍巖變形滿足規(guī)范的要求，其中工況5是減小隧道圍巖變形最有效的方式。在進(jìn)行加固方式的選用時(shí)應(yīng)綜合考慮加固效果、施工和經(jīng)濟(jì)等因素。

(3)相對(duì)來(lái)說(shuō)采用工況3的加固方式隧道水平收斂值是最小的。工況5的加固方式對(duì)減小隧道水平收斂的作用僅次于工況3，而其余3種加固方式對(duì)隧道水平收斂的影響均不明顯。

(4)綜合來(lái)看，5種方式中工況3頂部小導(dǎo)管加側(cè)部小導(dǎo)管的加固方式在隧道受力及減小隧道水平收斂方面均是最有效的。工況5頂部小導(dǎo)管加系統(tǒng)錨桿加拱頂圍巖注漿的加固方式在減小隧道圍巖變形方面是最有效的。在選用加固方式時(shí)，應(yīng)綜合考慮施工的經(jīng)濟(jì)和安全等因素。