林立華
(廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司,福建 廈門 361026)
雙連拱隧道具有適用于地形狹窄區(qū)域、節(jié)約土體、接線順暢、減少工程量等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)多個(gè)市政公路工程中被采用。同時(shí),其相對(duì)于單拱隧洞又存在開挖面大、圍巖變形難以控制、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等難題。傳統(tǒng)的雙聯(lián)拱隧道大多為對(duì)稱結(jié)構(gòu),主要采用對(duì)稱開挖方式。黃章君[1]研究了雙連拱隧道施工中的地表沉降問題,提出對(duì)稱開挖時(shí)大斷面雙連拱隧道施工變形控制技術(shù)。楊濤等[2]從圍巖條件特殊性出發(fā),對(duì)雙聯(lián)拱隧道對(duì)稱施工的導(dǎo)洞開挖與支護(hù)、主洞開挖與支護(hù)及中隔墻基底處理和混凝土澆筑等方面,提出了施工技術(shù)要點(diǎn)。楊奎等[3]通過數(shù)值模擬研究對(duì)稱施工的明暗挖隧道轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)靜力相應(yīng)及中隔墻動(dòng)力響應(yīng),提出了轉(zhuǎn)換過程中主動(dòng)和中隔墻動(dòng)力響應(yīng)的變化規(guī)律。李登科[4]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)對(duì)稱施工過程中大斷面雙連拱隧道沉降變形進(jìn)行分析,并提出預(yù)測(cè)方法。Jia Yanling等[5]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究從單拱隧道擴(kuò)展中間先導(dǎo)頭構(gòu)造的雙拱形隧道的力學(xué)性能,分析隧道擴(kuò)建過程中地表沉降、圍巖應(yīng)力、中隔墻和襯砌應(yīng)力和應(yīng)變的變化特征,及左右隧道間的應(yīng)力和應(yīng)變傳遞機(jī)理。部分學(xué)者[6-8]還利用三維數(shù)值模型,嘗試分析連拱隧道對(duì)稱開挖過程中各洞及中墻的受力和變形特性。
除對(duì)稱結(jié)構(gòu)外,部分雙連拱隧道結(jié)構(gòu)存在不對(duì)稱情況,為了保證工程安全,在施工工法上仍主要采取對(duì)稱開挖的方法,即開挖從中導(dǎo)洞開始。通過三維連續(xù)介質(zhì)分析方法,周勇[9]、聶雄[10]、陳秋南[11]研究了對(duì)稱開挖過程中非對(duì)稱結(jié)構(gòu)聯(lián)拱隧道及襯砌結(jié)構(gòu)的受力不對(duì)稱和變形不對(duì)稱特征,并提出了優(yōu)化以及位移預(yù)測(cè)方法,給隧道的設(shè)計(jì)和施工提供了參考。此外,趙陽[12]、Liu Chan[13]對(duì)偏壓淺埋連拱隧道通過有限元從靜力和動(dòng)力等角度進(jìn)行了三維分析,其本質(zhì)上仍屬于連拱隧道的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性問題。研究表明,其圍巖塑性區(qū)分布的非對(duì)稱特征問題更為突出,且部分仰拱和襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了拉應(yīng)力。在對(duì)受力、變形以及地下水問題研究的基礎(chǔ)上,Wang Shuren[14]、Li Jun[15]、Bao Jin[16]、Sun Shaorui[17]等從連拱隧道整體結(jié)構(gòu)出發(fā),分析多拱形態(tài)特征,對(duì)多拱隧道的加固設(shè)計(jì)和施工安全提出建議。
然而,在特殊地形和周邊環(huán)境下,雙聯(lián)拱隧道常無法進(jìn)行對(duì)稱開挖施工,必須采用非對(duì)稱開挖形式,而非對(duì)稱開挖的連拱隧道在施工過程中的力學(xué)響應(yīng)又異常復(fù)雜,隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)與控制難度極大。廈門海滄海底隧道由于地形所限,需采用非對(duì)稱開挖施工方法,給方案論證和施工組織帶來了很大困難。本文借助三維數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)廈門海滄海底隧道雙連拱段開挖引起的變形進(jìn)行分析預(yù)測(cè),論證非對(duì)稱開挖形式的合理性,并結(jié)合施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,所得結(jié)論可為今后同類型工程施工提供參考。
廈門海滄海底隧道雙連拱段位于廈門海滄海底隧道A2標(biāo)段興湖路地下互通段,隧道位于主線與B、C匝道的交叉口、加減速車道及其漸變段上,車道寬度全線漸變。左線車道最大寬度為15.46m,右線車道最大寬度為16.044m。雙線跨度41.01m~45.73m,單線最大跨度22.82m(SJ4斷面),左右線最大寬度均超過四車道,該段采用復(fù)合式連拱隧道。連拱隧道總長(zhǎng)160m。隧道最大埋深約12.9m,最小埋深約5.8m,屬超淺埋短隧道。連拱隧道采用三層襯砌類型,初期支護(hù)由型鋼鋼架、鋼筋網(wǎng)和C25噴射混凝土組成,二襯(初支加強(qiáng)層)由格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)和C25噴射混凝土組成,三次襯砌采用C45防水鋼筋混凝土,導(dǎo)坑側(cè)壁采用噴錨和工字鋼進(jìn)行支護(hù);中導(dǎo)洞初期支護(hù)由導(dǎo)管、藥卷錨桿、工字鋼、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土組成。
該段地質(zhì)條件復(fù)雜,隧道洞頂以雜填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖、砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等為主,洞身段基巖面起伏較大,圍巖為V級(jí),拱頂圍巖自穩(wěn)能力差、變形快,而且施工影響波及地表,在對(duì)連拱隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)、超前支護(hù)以及施工工序的確定中,提高結(jié)構(gòu)的承載力和控制地表沉降是關(guān)鍵。
為了合理簡(jiǎn)化計(jì)算,采用以下假設(shè):① 模擬分析中為簡(jiǎn)化計(jì)算模型,采用提高材料參數(shù)后的實(shí)體單元代替原有圍巖,對(duì)管棚注漿區(qū)、地表注漿加固進(jìn)行模擬,從而獲得支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖的位移和受力特征;②該隧道屬于超淺埋隧道,因此初始地應(yīng)力不考慮構(gòu)造應(yīng)力,自重應(yīng)力通過FLAC-3D初始地應(yīng)力平衡獲得;③圍巖本構(gòu)模型選取最通用的摩爾-庫倫(model mohr)彈塑性本構(gòu)模型。該模型適用于土體、巖石等松動(dòng)或膠結(jié)的粒狀材料,不考慮土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。中隔墻和襯砌單元采用彈性模型;④因?yàn)閷?duì)鋼拱架的模擬較為困難,通過等效的方法,假設(shè)將鋼拱架彈性模量的貢獻(xiàn)折算到襯砌的彈性模量上。
選取超淺埋洞口段里程BYK16+948~YK16+968處為計(jì)算斷面建立模型,本段為單線最大跨度SJ4斷面處,計(jì)算埋深取6.8m,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。建模范圍考慮由于邊界效應(yīng)的計(jì)算誤差,模型在隧道洞身橫斷面方向每側(cè)約取大于2倍洞寬,隧道軸線方向取實(shí)際長(zhǎng)度20m,底部厚度約取大于1倍洞高,向上取實(shí)際埋深。模型左右設(shè)橫向約束,前后設(shè)縱向約束,底部設(shè)豎向約束,上部為自由邊界。模型尺寸高53.97m,寬174m,長(zhǎng)20m,采用solid六面體實(shí)體單元,共有177520個(gè)單元,189777個(gè)節(jié)點(diǎn)。整體計(jì)算模型如圖1(a)所示,隧道局部模型如圖1(b)所示。
(a) 隧道整體模型
(b) 隧道局部模型圖1 隧道計(jì)算模型
數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性很大程度上依賴于計(jì)算模型的巖體力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型和邊界條件選取的可靠性與合理性。在工程穩(wěn)定性分析中,力學(xué)參數(shù)的選取會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生重大影響,甚至有可能得出無法接受的計(jì)算結(jié)果?;诒居?jì)算的基本假設(shè)、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及計(jì)算分析,巖土體及隧道材料的參數(shù)如表1、表2所示。
表1 巖土體參數(shù)
表2 隧道材料參數(shù)
雙連拱隧道與單洞隧道的最大區(qū)別在于其有中隔墻作為連體結(jié)構(gòu)將兩側(cè)洞身相連,施工方法與單洞隧道有所差異。為保證雙連拱隧道開挖安全,常采用多導(dǎo)坑形式的分步開挖法,如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、上下臺(tái)階法等。尤其是在大跨度的雙連拱隧道施工中的施工工序比較復(fù)雜,對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)較多,導(dǎo)致圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)和中隔墻的應(yīng)力變化復(fù)雜,詳細(xì)分析施工過程中各施工步序?qū)Υ罂缍取⑦B拱隧道受力狀態(tài)的影響格外重要。本次計(jì)算模擬了隧道實(shí)際施工過程,詳細(xì)分析了大跨度的雙連拱隧道在開挖過程中隧道圍巖的位移場(chǎng)變化和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況等。
廈門海滄隧道開挖面如圖2(a)所示。本次雙連拱隧道施工中,將隧道斷面劃分為0號(hào)中導(dǎo)洞,1~6號(hào)洞及其下導(dǎo)洞,隧道開挖面標(biāo)記如圖2(b)所示。
(a) 隧道開挖面
(b) 隧道部分標(biāo)記圖2 隧道開挖步序
雙連拱隧道開挖步序共簡(jiǎn)化為以下14步,如表3所示。對(duì)于單元的挖除,通過model null命令賦予該部分單元空白材料參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
表3 雙連拱隧道開挖步序
由于隧道開挖過程中所產(chǎn)生的位移變化一般比應(yīng)力變化更加直觀、容易地被測(cè)量和控制,因此對(duì)計(jì)算過程中的位移變化進(jìn)行分析。
(1)右線1、2部分及中導(dǎo)洞的開挖與支護(hù)(包含step1、2、3、4)。開挖右線1號(hào)洞,施作初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯,開挖并支護(hù)0號(hào)中導(dǎo)洞;澆筑中隔墻。計(jì)算結(jié)果見圖3、4。由圖3分析可得,右線1號(hào)洞開挖后洞周位移場(chǎng)與普通單洞小跨度隧道類似,由于隧道埋深較淺,1號(hào)洞上方影響區(qū)一直擴(kuò)散至地表,1號(hào)洞底部受地應(yīng)力作用有明顯隆起趨勢(shì),此階段應(yīng)及時(shí)施作臨時(shí)仰拱,控制1號(hào)洞底部的進(jìn)一步變形。此階段1號(hào)洞上下部為變形最大部位,拱頂最大豎向位移1.82mm,洞底4.04mm;拱頂最大水平向位移1.29mm,洞底0.87mm。因此監(jiān)控量測(cè)需在拱頂和臨時(shí)仰拱處布置測(cè)點(diǎn),嚴(yán)密監(jiān)控施工過程中拱頂沉降和臨時(shí)仰拱隆起的變化和發(fā)展,從而確保1號(hào)洞安全開挖,控制變形。0號(hào)中導(dǎo)洞開挖后,拱頂沉降3.12mm左右,拱底隆起7.16mm左右,此步應(yīng)及時(shí)將中導(dǎo)洞支護(hù)閉合成環(huán),保證洞底鋼花管注漿質(zhì)量,控制中導(dǎo)洞進(jìn)一步變形。中隔墻澆筑后,由于模擬計(jì)算軟件認(rèn)為中隔墻與上下圍巖完全貼合,所以0號(hào)中導(dǎo)洞周邊位移場(chǎng)無明顯變化,但應(yīng)注意洞底隆起的影響,注意中隔墻基底 找平和中隔墻上方回填等關(guān)鍵步驟,保證中隔墻與圍巖的貼合。
(a)豎直位移
(b)水平位移圖3 step2開挖后位移場(chǎng)
(a)豎直位移
(b)水平位移圖4 step3中隔墻澆筑后位移場(chǎng)
(2)step4、5、6。開挖右線2號(hào)洞,施作初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯;破除右線中導(dǎo)洞初支,回填右線側(cè)中導(dǎo)洞,開挖右線3號(hào)洞,施作初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱及二襯;破除左線中導(dǎo)洞初支,回填左線側(cè)中導(dǎo)洞,開挖左線4號(hào)洞,施作初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯。右線2號(hào)洞開挖后,2號(hào)洞拱頂沉降8.15mm左右,2號(hào)洞拱底隆起7.29mm左右,導(dǎo)坑側(cè)壁對(duì)底部隆起有明顯的控制作用,導(dǎo)坑側(cè)壁的臨時(shí)支撐對(duì)1號(hào)、2號(hào)洞的穩(wěn)定有貢獻(xiàn),施工過程中應(yīng)注意對(duì)導(dǎo)坑側(cè)壁的保護(hù),盡量減少對(duì)導(dǎo)坑側(cè)壁的擾動(dòng)與破壞。2號(hào)洞右上方出現(xiàn)3.0mm左右的水平位移,此處和拱頂、拱底是監(jiān)控量測(cè)應(yīng)密切注意的部位。右線3號(hào)洞開挖后,2號(hào)洞拱頂沉降、拱底隆起變化不大,2號(hào)洞拱頂最大豎向位移為9.19mm,洞底為8.18mm,兩處導(dǎo)坑側(cè)壁的臨時(shí)支撐作用貢獻(xiàn)明顯。3號(hào)洞開挖及右線側(cè)中導(dǎo)洞回填后,3號(hào)洞拱頂最大水平位移2.72mm,中隔墻最大水平位移2.22mm,3號(hào)洞的臨時(shí)仰拱和中隔墻的水平位移有擴(kuò)大趨勢(shì),因此應(yīng)及時(shí)進(jìn)行左線側(cè)中導(dǎo)洞回填,以抵消中隔墻兩側(cè)的不平衡力的作用,條件允許時(shí)應(yīng)同步進(jìn)行右線3號(hào)洞、左線4號(hào)洞的開挖和中導(dǎo)洞兩側(cè)的回填。
(a)豎向位移
(b)水平位移圖5 step5開挖后位移場(chǎng)
(3)step7、8、9、10、11。開挖左線5號(hào)洞,施作初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯;開挖左線6號(hào)洞,施作初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱及二襯;開挖右線1號(hào)洞下導(dǎo)洞,施作初期支護(hù)、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯;開挖右線3號(hào)洞下導(dǎo)洞,施作初期支護(hù)、導(dǎo)坑側(cè)壁;開挖右線2號(hào)洞下導(dǎo)洞,破除右線導(dǎo)坑側(cè)壁,施作右線三襯。左線5號(hào)洞開挖后,變形量與右線3號(hào)洞開挖后的變形量相差無異,由于隧道埋深較淺,5號(hào)洞上方影響區(qū)一直擴(kuò)散至地表。左線6號(hào)洞開挖支護(hù)后,對(duì)比左右線豎直位移可以發(fā)現(xiàn)右線上方的沉降和下方的隆起比左線范圍稍大,右線上方的水平位移也比左線要大一些,由此可以看出,先開挖的導(dǎo)洞周邊圍巖受到的影響大于后開挖導(dǎo)洞的周邊圍巖。右線1號(hào)洞下導(dǎo)洞、右線3號(hào)洞下導(dǎo)洞的開挖對(duì)右線拱頂沉降影響不大,豎直位移無明顯發(fā)展,但上導(dǎo)洞和下導(dǎo)洞的導(dǎo)坑側(cè)壁搭接后,兩處上導(dǎo)洞導(dǎo)坑側(cè)壁的水平位移由2mm左右增至3mm左右。
(a)豎直位移
(b)水平位移圖6 step6開挖后位移場(chǎng)
(a)豎向位移
(b)水平位移圖7 step10開挖后位移場(chǎng)
右線導(dǎo)坑側(cè)壁破除后,右線整個(gè)隧洞上下變形明顯,右線拱頂處位移達(dá)到18mm左右,拱底隆起達(dá)10mm左右,水平位移最大值分別出現(xiàn)在中隔墻上方和遠(yuǎn)離中隔墻一側(cè)的邊墻處,由此可以看出兩處導(dǎo)坑側(cè)壁對(duì)整個(gè)右線隧洞的支護(hù)貢獻(xiàn)較大,此階段應(yīng)在右線2號(hào)洞下導(dǎo)洞開挖完畢并已穩(wěn)定后逐步拆除導(dǎo)坑側(cè)壁部分,及時(shí)施作三襯和仰拱,盡快將支護(hù)閉合成環(huán)以控制隧道進(jìn)一步變形,并在施工過程中密切注意拱頂、仰拱、中隔墻和邊墻的位移變化,提高監(jiān)控量測(cè)頻率,必要時(shí)應(yīng)在施工過程中增設(shè)臨時(shí)橫向支撐。
(4)step12、13、14。開挖左線6號(hào)洞下導(dǎo)洞,施作初期支護(hù)、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯;開挖左線4號(hào)洞下導(dǎo)洞,施作初期支護(hù)、導(dǎo)坑側(cè)壁;開挖左線5號(hào)洞下導(dǎo)洞,破除左線導(dǎo)坑側(cè)壁,施作左線三襯。開挖左線4號(hào)洞下導(dǎo)洞時(shí),上下導(dǎo)洞的導(dǎo)坑側(cè)壁的搭接仍屬于關(guān)鍵控制部分,施工過程中應(yīng)注意對(duì)導(dǎo)坑側(cè)壁、中隔墻的保護(hù),盡量減少對(duì)導(dǎo)坑側(cè)壁、中隔墻的擾動(dòng)與破壞。左線三襯施作完畢后,對(duì)比左右線隧洞豎直位移可以發(fā)現(xiàn),右線上方的沉降和下方的隆起比左線范圍稍大,右線邊墻周圍圍巖的水平位移范圍也比左線要大一些。此階段應(yīng)在左線6號(hào)洞下導(dǎo)洞開挖完畢并已穩(wěn)定后再逐步拆除導(dǎo)坑側(cè)壁部分,及時(shí)施作三襯和仰拱,盡快將支護(hù)閉合成環(huán)以控制隧道進(jìn)一步變形,并在施工過程中密切注意拱頂、仰拱、中隔墻和邊墻的位移變化,提高監(jiān)控量測(cè)頻率,必要時(shí)應(yīng)在施工過程中增設(shè)臨時(shí)橫向支撐。
(a)豎向位移
(b)水平位移
(a)豎向位移
(b)水平位移圖9 step14開挖后位移場(chǎng)
3.6.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
雙連拱隧道在開挖的過程中,布置了相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)開挖過程中位移進(jìn)行量控監(jiān)測(cè)。
圖10 隧洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
3.6.2 對(duì)比分析
圖11為數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的隧道圍巖拱頂豎向位移結(jié)果??傮w上看,從1號(hào)洞到6號(hào)洞,數(shù)值模擬的圍巖位移量與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果比較接近,且隨著時(shí)步變化,圍巖位移變化趨勢(shì)基本一致,這說明了該模型的可靠性。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),2號(hào)洞和5號(hào)洞的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果差距比較大,且均為模擬計(jì)算結(jié)果小于監(jiān)測(cè)結(jié)果,這可能是因?yàn)?2號(hào)洞和5號(hào)洞分別包含了兩側(cè)洞拱頂部分,這里通常為圍巖變形最大的位置(從圖中位移變化范圍可看出),而連續(xù)介質(zhì)計(jì)算軟件在大變形問題上會(huì)有一定限制,所以會(huì)比實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果略小。
圖11 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的隧道圍巖位移對(duì)比
3.6.3 與監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)的比較
由上述計(jì)算分析可以得知,該雙連拱隧道分步開挖中,拱頂最大豎向位移為18.56mm,拱底隆起量最大為14.03mm,按照實(shí)際施工開挖速度,500mm/天,該段計(jì)算長(zhǎng)度為20m,因此該段每一步的施工天數(shù)為40天,則該雙連拱隧道拱頂每天變形量為0.46mm/天,拱底每天變形量為0.35mm/天。隧道監(jiān)測(cè)采取的控制標(biāo)準(zhǔn)為拱頂沉降絕對(duì)量30mm,沉降速率3mm/天,警戒值為控制值的80%,即拱頂沉降絕對(duì)量24mm,沉降速率2.4mm/天;拱底絕對(duì)隆起量25mm,隆起速度2mm/天,警戒值為控制值的80%,即拱底絕對(duì)隆起量20mm,隆起速度1.6mm/天。由此可以看出,拱頂和拱底的變形量以及變形速度都沒有超出監(jiān)測(cè)控制值以及警戒值,隧道處于安全狀態(tài)。
廈門海滄海底隧道雙連拱段采用了右線導(dǎo)洞進(jìn)入,然后逐步向左線隧道開挖的非對(duì)稱開挖方式。本文通過三維數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合的方式,分析該開挖方式下隧道圍巖和結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律,得到如下結(jié)論。
①計(jì)算結(jié)果顯示,拱頂最大豎向沉降為18.56mm,拱底最大隆起量為14.03mm;中隔墻最大水平位移為3.92mm,拱側(cè)最大水平位移為4.10mm。
②根據(jù)每一步計(jì)算結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工,對(duì)各步施工給出了施工建議。
③對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析,與監(jiān)測(cè)控制值以及警戒值進(jìn)行了比較,隧道施工處于安全狀態(tài)。
上述結(jié)論對(duì)今后城市雙聯(lián)拱隧道非對(duì)稱開挖施工具有一定借鑒意義。實(shí)際工程受地質(zhì)條件特別是地下水條件,以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不確定因素等綜合影響,開挖步序、支護(hù)時(shí)機(jī)等對(duì)雙聯(lián)拱隧道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響,仍有待進(jìn)一步深入研究。