李福獻(xiàn)
(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)
隧道作為交通工程的重要組成部分,眾多學(xué)者對其進(jìn)行了廣泛的研究[1-3]。砂巖巖體的各向異性特征使其變形和穩(wěn)定性問題變得十分復(fù)雜[4-5],成為當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。韓昌瑞等[6]獲得橫觀各向同性彈塑性本構(gòu)模型,并對隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析,結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測的圍巖破壞特征基本吻合。鐘正強(qiáng)等[7]建立了層狀巖體隧道開挖計(jì)算模型,探討了傾斜層狀巖體中隧道開挖的穩(wěn)定性。黃書嶺等[8]將層狀巖體復(fù)合材料硬化、軟化模型嵌入到FLAC3D,通過單軸和三軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M出不同圍壓和傾角情況下層狀巖體的力學(xué)響應(yīng)特征。趙大洲等[9]建立了有關(guān)巖層傾角、走向的互層巖體本構(gòu)模型,研究砂、板互層巖體中隧道圍巖的力學(xué)特性。
隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科快速發(fā)展,數(shù)值分析方法在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中得到廣泛應(yīng)用。Passaris等[10]利用有限元法研究了層狀巖體中隧道頂板的穩(wěn)定性。Tonon等[11]運(yùn)用邊界元法對彈性各向異性的隧道進(jìn)行斷面收斂影響研究。宮成兵等[12]運(yùn)用ANSYS對龍頭山單向四車道隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行二維與三維數(shù)值仿真模擬分析。王穗輝等采用優(yōu)化的B-P網(wǎng)絡(luò)算法,預(yù)測了上海地鐵2號線隧道上方的地表沉降趨勢。王彥清等[13]采用位移反演分析法對廈門翔安海底隧道變形進(jìn)行有效預(yù)測。
為進(jìn)一步研究臺階法及CD法施工對大斷面公路隧道圍巖受力及變形的影響,以大斷面砂巖地層公路隧道工程為依托,結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法,對不同施工工法條件下大斷面公路隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形特性進(jìn)行模擬與監(jiān)測分析,研究成果可為類似工程提供參考及指導(dǎo)建議。
連湖隧道為大斷面公路隧道,進(jìn)、出口分別位于重慶市彭水縣三義鄉(xiāng)、重慶市彭水縣連湖鎮(zhèn)境內(nèi),為左右行分離式雙洞特長隧道。左線長4 610 m,里程K41+573~K46+183,右線長 4 603.8 m,里程YK41+597.5~YK46+201.3。隧道大體垂直構(gòu)造線方向布設(shè),與巖層走向呈大角度相交,近于垂直巖層走向,隧道最大埋深約549 m。隧址區(qū)在山脊一帶植被較發(fā)育,部分為基巖裸露。隧道出口段為二疊系中統(tǒng)韓家店組砂巖,巖質(zhì)軟,抗風(fēng)化能力差,層間結(jié)合一般,薄層狀結(jié)構(gòu)為主。隧道洞身為Ⅲ~Ⅴ級圍巖,根據(jù)不同圍巖情況選擇合適的施工工法進(jìn)行施工,有利于縮短工期及節(jié)約成本,本文對左線出口局部段落采用CD法及臺階法進(jìn)行隧道開挖模擬與監(jiān)測分析。
基于數(shù)值模擬軟件對隧道的施工階段進(jìn)行模擬分析。巖體本構(gòu)采用摩爾-庫倫彈塑性模型,模型長100 m、寬120 m,上邊界為山體自由面,側(cè)面及底部采用邊界位移自動(dòng)約束。選取混合網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帜P途W(wǎng)格,隧道圍巖、開挖錨桿支護(hù)、噴混和二次襯砌分別采用3D實(shí)體單元、植入式桁架單元和板單元進(jìn)行模擬。分析時(shí)通過“鈍化”和“激活”相應(yīng)單元來模擬隧道的開挖與支護(hù),把隧道圍巖設(shè)置為均質(zhì)彈塑性材料,其開挖變形服從摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。圍巖計(jì)算參數(shù)見表1。
表1 模型計(jì)算參數(shù)
選取里程樁號為LZK5+200~LZK5+480的施工段采用兩臺階法進(jìn)行隧道洞室開挖,建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬,應(yīng)力云圖見圖1。洞室開挖完成后施作二次襯砌,其應(yīng)力最大值為3.125 MPa,說明二次支護(hù)的支撐作用加強(qiáng)了隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,抑制了圍巖變形。從云圖可以看出隧道圍巖應(yīng)力的影響范圍約為5~20 m,在1.5D(D為洞徑)范圍以內(nèi)。整個(gè)計(jì)算區(qū)域隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)均為壓應(yīng)力,并未出現(xiàn)拉應(yīng)力。
圖1 兩臺階法隧道開挖完成后應(yīng)力云圖
圖2為兩臺階法開挖圍巖位移隨開挖步的變化關(guān)系圖??梢钥闯?,豎向最大位移為192.50 mm,水平方向最大位移為168.10 mm;前7個(gè)開挖步拱頂沉降和水平收斂的形變位移發(fā)展較快,第7至10步位移量緩慢增加,之后逐漸趨于穩(wěn)定。
圖2 兩臺階法開挖圍巖位移隨開挖步變化曲線
對同一里程樁號施工段采用CD法進(jìn)行隧道洞室開挖模擬,見圖3。隧道施工完成后,最大應(yīng)力值為3.006 MPa,出現(xiàn)在拱腳處。隧道施工搭設(shè)的臨時(shí)支撐移除后,圍巖應(yīng)力場范圍及大小僅發(fā)生微小變動(dòng),表明CD法開挖完成后隧道圍巖的應(yīng)力基本釋放完畢,隧道圍巖逐漸達(dá)到新的平衡狀態(tài)。CD法開挖臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)能有效地控制水平方向的變形,模擬施工過程中最大應(yīng)力為4.071 MPa,發(fā)生在拱腳處,整個(gè)計(jì)算模型均處于受壓狀態(tài)。
圖3 CD法隧道開挖完成后應(yīng)力云圖
采用CD法進(jìn)行隧道施工模擬的拱頂沉降和水平收斂變化見圖4。可以看出拱頂下沉最大值為139.07 mm,水平收斂最大位移值為109.15 mm;前11個(gè)開挖步拱頂沉降和水平收斂的形變位移發(fā)展較快,從第12至第17步位移量緩慢增加,之后逐漸趨于穩(wěn)定。
圖4 CD法隧道位移隨開挖步變化曲線
不同開挖工法模擬結(jié)果見表2。分析可知:相較于臺階法而言,采用CD法施工時(shí)隧道圍巖發(fā)生的位移較小,拱頂下沉和水平收斂的位移變形量與兩臺階法開挖發(fā)生的位移變形量相比分別減少了27.8%和34.0%。CD法對控制大斷面軟弱圍巖的變形較臺階法更好,能夠保障施工安全,但速度慢,對投資控制不利。在Ⅲ、Ⅳ級等整體穩(wěn)定性較好的隧道圍巖中,常選擇臺階法施工,而在Ⅳ、Ⅴ級等穩(wěn)定性較差的軟弱圍巖中,根據(jù)模擬結(jié)果應(yīng)選擇CD法施工。
表2 不同工法施工條件下隧道應(yīng)力和位移對比
選擇在典型斷面LZK5+400處埋設(shè)測量元件,在隧道圍巖與初期支護(hù)、初期支護(hù)與二次襯砌之間分別埋設(shè)8個(gè)土壓力盒,鋼筋計(jì)焊接在內(nèi)外兩個(gè)土壓力盒之間鋼拱架的腹板上,在拱頂和拱底設(shè)置1個(gè),拱腰設(shè)置2個(gè),左、右邊墻各1個(gè),仰拱兩側(cè)各1個(gè)。隧道斷面垂向和水平方向的位移變形通過事先埋設(shè)的測點(diǎn)利用高精度徠卡全站儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。
圖5為斷面拱頂下沉和水平收斂變形時(shí)程曲線圖??梢钥闯鰢鷰r開始變形至穩(wěn)定狀態(tài)大致經(jīng)歷了急劇變形、持續(xù)增長和緩慢增長三個(gè)階段;拱頂沉降最終穩(wěn)定值為190.5 mm,水平收斂的最終穩(wěn)定值為207.2 mm;急劇增長階段一般發(fā)生在洞室開挖的前5 d,此階段變形量占總體變形量的50%~60%,持續(xù)增長階段為6~8 d,這部分變形占總變形量的30%~40%。
圖5 拱頂沉降和水平收斂時(shí)程曲線
圖6為斷面初期支護(hù)監(jiān)測的拱架軸力隨時(shí)間變化曲線圖。由圖6可知,拱架的軸力以受壓為主,局部受拉(受壓為正,受拉為負(fù)),且其拉應(yīng)力普遍偏小;隧道開挖初期拱架軸力增加較快,到第10天左右達(dá)到峰值,之后拱架受力不斷減小并在第15天后逐漸趨于穩(wěn)定;隧道拱頂處鋼架所受壓應(yīng)力最大,為32.57 kN,拱底處鋼架所受拉應(yīng)力最大,為-12.37 kN。整體來看,該斷面鋼架所受軸力量級不大,安全系數(shù)相對較高。
圖6 拱架軸力時(shí)程曲線
圖7為隧道初支與圍巖壓力時(shí)程曲線圖。斷面左拱肩處的圍巖受力明顯大于其他布點(diǎn)處圍巖壓力,主要是因?yàn)樵搨?cè)巖土體較破碎,密實(shí)性差,承載能力較低,且在施工過程中該處有局部坍塌,導(dǎo)致圍巖受力較大,需加強(qiáng)監(jiān)控量測工作;圍巖與初支接觸壓力整體呈先增大后減小的規(guī)律,前12 d圍巖受力增至最大,之后由于仰拱施工增強(qiáng)了整體的支護(hù)強(qiáng)度,致使圍巖受力逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定。
圖7 圍巖與初支接觸壓力時(shí)程曲線
圖8為二襯圍巖壓力分布圖。從圖中可以看出,二襯受力分布大致呈現(xiàn)中間小、兩側(cè)大的馬鞍型,但左拱肩受力明顯較右拱肩大,這是由于隧道洞周兩側(cè)圍巖受力分布不均勻,有明顯偏壓所造成。在隧道施工過程中需要加強(qiáng)左半斷面的監(jiān)控工作。
圖8 初支與二襯接觸壓力分布(單位:kPa)
(1)采用CD法開挖的隧道拱頂下沉和水平收斂的累計(jì)位移變形量相比兩臺階法開挖分別減少了27.8%和34.0%。在穩(wěn)定性較好的Ⅲ、Ⅳ級圍巖中,建議采用兩臺階預(yù)留核心土法施工;在穩(wěn)定性較差的Ⅴ級圍巖段施工時(shí),建議選擇圍巖變形量較小的CD法施工。
(2)圍巖受力急劇增長階段發(fā)生在洞室開挖的前5 d,持續(xù)增長階段一般在6~8 d。模擬臺階法開挖的拱頂下沉和水平收斂位移變形值相比實(shí)測值分別減少7.1%和11.8%,較符合實(shí)際;而模擬CD法施工時(shí)拱頂下沉和水平收斂位移變形值相比實(shí)測值分別減少32.9%和41.8%。因此針對本試驗(yàn)段CD法控制圍巖變形的能力較好。
(3)隧道圍巖整體受力呈先急劇增加后緩慢增加再趨于穩(wěn)定的規(guī)律,二襯受力穩(wěn)定值分布大致呈現(xiàn)中間小、兩側(cè)大的馬鞍型分布形狀,但左拱肩受力明顯較右拱肩大,故隧道施工過程中需加強(qiáng)左半斷面的監(jiān)控量測工作。