劉永明

(中鐵十七局集團(tuán)城市建設(shè)有限公司 貴州貴安 550025)

1 引言

二十一世紀(jì)以來，我國的公路隧道建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，截至2016年底，我國公路隧道總長14 039.7 km(不包括港澳臺(tái)地區(qū))，其中長度在1～3 km的長公路隧道3 520處，長度達(dá)到6 045.5 km；大于3 km的特長公路隧道81處，達(dá)到3 622.7 km[1－3]。隨著公路隧道工程的不斷發(fā)展，關(guān)于隧道開挖后圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究得到大力發(fā)展，李曉紅等[4]結(jié)合渝沙公路隧道位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論解認(rèn)為初期支護(hù)在一定程度上減少了圍巖的變形量與變形速率。陳遠(yuǎn)志等[5]通過對(duì)開挖隧道的圍巖壓力、錨桿軸力以及圍巖位移進(jìn)行監(jiān)測，認(rèn)為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖壓力起到了協(xié)調(diào)變形與共同支撐的作用。一些學(xué)者[6－8]通過對(duì)開挖隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合數(shù)值計(jì)算對(duì)位移與應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了初期支護(hù)在隧道開挖過程中的受力特征。黃海昀等[9]依托九嶺山隧道開挖過程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，基于初期支護(hù)的受力特征對(duì)錨桿進(jìn)行優(yōu)化，并應(yīng)用于現(xiàn)場。陳崢等[10]建立了基于超前支護(hù)與對(duì)數(shù)螺線的破壞模型，同時(shí)考慮了初期支護(hù)未支護(hù)段的影響，推導(dǎo)了圍巖安全系數(shù)的函數(shù)并進(jìn)行求解。一些學(xué)者[11－12]利用數(shù)值模擬軟件對(duì)開挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，分析隧道在開挖過程中圍巖發(fā)生變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。張頂立[13]建立了支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的力學(xué)模型，揭示了初期支護(hù)加固的圈層與二次襯砌加固圈層的協(xié)同工作原理，對(duì)隧道工程的定量化設(shè)計(jì)有著重要意義。

本文采用數(shù)值分析軟件，通過對(duì)仁遵高速公路小窩凼隧道工程的開挖、初期支護(hù)進(jìn)行模擬。首先建立二維模型，通過施加生死單元進(jìn)行開挖模擬，然后施加錨桿與混凝土層，模擬在初期支護(hù)的條件下，隧道圍巖以及錨桿的受力狀態(tài)；之后建立三維模型，探究隧道圍巖壓力，水平、豎向位移以及錨桿軸力隨著開挖過程的相應(yīng)變化，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證初期支護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性，為高速公路隧道開挖初期支護(hù)安全施工提供支持。

2 工程概況

仁遵高速RZTJ-2合同段線路中的小窩凼隧道地處云貴高原東北部，位于遵義市北西面。左線為ZK5＋408～ZK6＋049段，長641 m，最大埋深88 m；右線為YK5＋405～YK6＋057段，長652 m，最大埋深83 m。左右幅隧道測設(shè)線間距為20 m，隧道進(jìn)出口均采用端墻式洞門。

場區(qū)位于畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)，在ZK5＋927處有背斜，呈北西至南東。場區(qū)以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖為主，圍巖等級(jí)為Ⅳ、Ⅴ級(jí)，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育。隧道進(jìn)出口段巖體節(jié)理發(fā)育，巖體體積節(jié)理數(shù)為10～20條/m2，節(jié)理間距為200～400 mm。隧道主洞襯砌內(nèi)輪廓采用R1＝8.745 m，R2＝5.55 m，R3＝1.58 m的三心圓結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)高程距拱頂高度7.94 m，凈寬15.62 m。初期支護(hù)中，錨桿直徑為25 mm，間距為0.75 m×1.2 m，長度為4 m。噴射混凝土的厚度為300 mm，強(qiáng)度等級(jí)為C25，鋼支撐選用 22工字鋼，鋼筋網(wǎng)為8 mm盤條加工，雙層鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格尺寸200 mm×200 mm，二次襯砌厚度為600 mm。在本設(shè)計(jì)中，由于施工區(qū)間地質(zhì)情況相近，因此以隧道底板埋深最大的斷面作為危險(xiǎn)截面進(jìn)行計(jì)算。由于隧洞的受力狀態(tài)存在對(duì)稱性，因此將傳感器布設(shè)在隧洞拱頂、拱肩和拱腰處，最外側(cè)測點(diǎn)距隧洞巖面為0.5 m。

3 數(shù)值模型計(jì)算

為研究小窩凼隧道開挖過程中的圍巖穩(wěn)定性問題，建立以下二維圓形硐室模型:幾何尺寸60 m×60 m，模型左右和下邊界均為法向約束，模型頂面埋深100 m，錨桿直徑為25 mm，彈性模量為210 GPa?；炷敛捎昧簡卧?，錨桿使用桿單元，圍巖體采用彈塑性體，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

開挖襯砌斷面如圖1所示，模型材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

圖1 隧道襯砌斷面(單位:cm)

3.1 二維數(shù)值模擬分析

通過對(duì)開挖、支護(hù)過程進(jìn)行模擬，得到在地應(yīng)力平衡、開挖階段以及初期支護(hù)階段的圍巖豎向位移以及應(yīng)力，如圖2所示。

圖2 二維數(shù)值模擬計(jì)算

通過圖2a、圖2b的圍巖位移變化過程可以看出，在隧道開挖后，隧道上方與下方圍巖位移狀態(tài)呈層狀尖峰。隨著與洞壁的距離增加，圍巖位移也在逐漸減小，圍巖底部由于垂直壓力出現(xiàn)底鼓，頂部圍巖出現(xiàn)下沉。根據(jù)圍巖應(yīng)力隨著開挖的變化過程可以看出:土體開挖初始階段，開始出現(xiàn)應(yīng)力的不均勻分布；隨著開挖進(jìn)行，隧道頂部的土體由于出現(xiàn)卸荷，因此應(yīng)力等值線沿著隧道中軸線發(fā)生凸起，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

通過圖2c、圖2d的圍巖應(yīng)力變化過程看出，隧道兩幫圍巖的應(yīng)力由于上方荷載作用，拉應(yīng)力逐漸增大；在隧道開挖階段，隧道兩側(cè)圍巖由于從三向受力狀態(tài)變成了二向應(yīng)力狀態(tài)，兩幫受到圍巖擠壓，隧道兩側(cè)的圍巖受力較大，在施加了錨桿以及二次襯砌之后，隧道圍巖整體由二向應(yīng)力狀態(tài)回到整體平衡狀態(tài)，二次襯砌以及隧道圍巖承受外部荷載，圍巖變形量開始收斂，趨于穩(wěn)定。

選取頂部以及隧道兩幫的錨桿，探究錨桿軸力的變化過程，如圖3所示。

圖3 幫部、頂部錨桿軸力隨距離洞壁長度變化

從圖3可以看出，錨桿的軸力存在峰值，呈現(xiàn)“先增大、后減少”的趨勢，該結(jié)果驗(yàn)證了“中性點(diǎn)”理論:在錨桿的剪應(yīng)力分布特征中，靠近洞壁處，剪切力是指向洞壁的；遠(yuǎn)離洞壁處，剪切應(yīng)力是背向洞壁的，存在剪切應(yīng)力為0的中性點(diǎn)。

3.2 三維模型計(jì)算

隧道開挖過程對(duì)于已開挖部分的圍巖壓力、位移以及錨桿軸力的擾動(dòng)是十分明顯的。采用3.1節(jié)的模型參數(shù)，建立三維數(shù)值模型進(jìn)行隧道開挖模擬，得出隧道洞口圍巖應(yīng)力、豎向位移以及錨桿的軸力隨著開挖時(shí)間的變化趨勢。隧道模型圖如圖4所示。

圖4 三維模型

幾何尺寸60 m×60 m×80 m，模型左右和下邊界均為法向約束，模型頂面埋深25 m，錨桿直徑為25 mm，長度為4 m，彈性模量為210 GPa。模型參數(shù)見表1，設(shè)定10個(gè)開挖步驟，在每一個(gè)開挖步之后施加錨桿以及混凝土層，其中混凝土采用梁單元，錨桿使用桿單元。圍巖體采用彈塑性體，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

3.2.1 圍巖沉降分析

在開挖過程中，圍巖會(huì)發(fā)生不同程度的位移，位移量的大小對(duì)于初期支護(hù)以及施加二次襯砌有著重要的參考意義，在模型中選取在開挖隧道中部圍巖、頂部圍巖、底部圍巖的3點(diǎn)，分別提取出隨著開挖進(jìn)行這3點(diǎn)的圍巖壓力以及圍巖位移的變化，具體的變化趨勢如圖5所示。

圖5 圍巖應(yīng)力與位移變化

從圖5可以看出，隨著開挖距離的增大，洞口圍巖的位移和應(yīng)力都是趨于“先增大、后穩(wěn)定”的趨勢，這是由于在初期開挖中，開挖距離較短，所以對(duì)洞口的擾動(dòng)較大。從模擬結(jié)果中可以看出在開挖到25 m的時(shí)候，洞口圍巖頂部、底部以及中部的位移以及圍巖壓力開始保持穩(wěn)定，此時(shí)距洞口的距離為開挖長度的1/4左右，驗(yàn)證了先前學(xué)者的結(jié)論:隧道開挖會(huì)對(duì)已開挖圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)范圍大約是開挖半徑的5倍長度。

3.2.2 錨桿受力分析

對(duì)于有關(guān)錨桿的初期支護(hù)，在設(shè)計(jì)中通常按照工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合最不利截面進(jìn)行斷面錨桿參數(shù)的設(shè)計(jì)；同樣錨桿的受力特征對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)有著重要的意義。這里結(jié)合現(xiàn)有的三維模型，選取洞口錨桿一個(gè)參考點(diǎn)的軸力數(shù)據(jù)，探究支護(hù)錨桿軸力隨著開挖過程的變化趨勢，如圖6所示。

圖6 中部、頂部錨桿軸力隨開挖距離變化

從圖6中可以看出，洞口錨桿的軸力值也是呈現(xiàn)“先增加、后穩(wěn)定”的趨勢，同時(shí)頂部錨桿與中幫錨桿的變化趨勢一致。從圖6中也可以看出與圍壓壓力存在相同的“拐點(diǎn)”，拐點(diǎn)的位置距離洞口為已開挖長度的1/4處。

4 現(xiàn)場實(shí)測

4.1 錨桿軸力現(xiàn)場實(shí)測

為了驗(yàn)證二維數(shù)值模型得出錨桿軸力趨勢的準(zhǔn)確性，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析了仁懷至遵義段高速公路小窩凼隧道開挖斷面錨桿軸力隨測點(diǎn)不同埋深的變化曲線。試驗(yàn)錨桿分別在距離洞壁長度為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m以及3 m的位置將光纖光柵應(yīng)變片等間距分布在錨桿上，選取其3個(gè)量測斷面同為左邊墻上的錨桿，如圖7a所示。

通過圖7a發(fā)現(xiàn)，錨桿軸力呈現(xiàn) “中間大，兩頭小”的趨勢，說明存在一個(gè)過渡點(diǎn)使得錨桿軸力減少，同時(shí)這一中性點(diǎn)靠近錨桿端部，進(jìn)一步驗(yàn)證了二維數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

為了驗(yàn)證三維數(shù)值模型得出錨桿軸力隨著開挖過程的變化趨勢，根據(jù)仁懷至遵義段小窩凼隧道工程進(jìn)洞口錨桿軸力數(shù)值計(jì)算的變化趨勢，選取靠近洞口0.7 m、1.4 m的2個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行錨桿軸力的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖7b所示。

圖7 錨桿軸力監(jiān)測

從圖7b中可以看出，距離孔口0.7 m和1.4 m錨桿的變化趨勢是一致的，“拐點(diǎn)”的位置同樣距離洞口為已開挖長度的1/4處，從而驗(yàn)證了三維模型的準(zhǔn)確性。

4.2 圍巖變形現(xiàn)場實(shí)測

為了驗(yàn)證該三維模型得到圍巖位移和圍巖壓力隨開挖過程的變化趨勢，利用隧道斷面拱頂沉降和水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)(見圖8)進(jìn)行分析。

圖8 隧道位移監(jiān)測

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隧道圍巖變形均呈現(xiàn)出“開始變形－變形加速－變形緩慢－變形趨穩(wěn)”的單調(diào)遞增趨勢；“支護(hù)－圍巖”兩者作用體系的演化過程具有隨著時(shí)空變化動(dòng)態(tài)性以及協(xié)同作用的整體性。在該隧洞開挖第20天時(shí)，隧洞頂板以及中部圍巖的位移開始保持穩(wěn)定，總共開挖時(shí)間為80 d左右，因此距洞口距離為已開挖長度的1/4左右。

5 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬建立仁遵高速公路小窩凼隧道開挖、支護(hù)模型，結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，探究開挖過程以及初期支護(hù)的條件下，圍巖和錨桿的受力狀態(tài)及其時(shí)間效應(yīng)，得出以下結(jié)論:

(1)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖壓力起到了協(xié)調(diào)變形與共同支撐的作用，對(duì)于施工安全帶來了重要保障，由數(shù)值模擬結(jié)果以及現(xiàn)場隧道監(jiān)測驗(yàn)證了小窩凼隧道初期支護(hù)錨桿受力中的“中性點(diǎn)理論”。

(2)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，隧道圍巖變形均呈現(xiàn)出“開始變形－變形加速－變形緩慢－變形趨穩(wěn)”的單調(diào)遞增趨勢；“支護(hù)－圍巖”作用體系的演化過程具有時(shí)空變化的動(dòng)態(tài)性以及協(xié)同作用的整體性。

(3)隨著開挖進(jìn)行，錨桿的軸力值呈現(xiàn)“先增加、后穩(wěn)定”的趨勢，頂部錨桿與中幫錨桿的變化趨勢一致。

(4)加強(qiáng)隧道開挖過程中圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力－變形監(jiān)測工作，做到勤量測，及時(shí)整理監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)變化規(guī)律，科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性以及穩(wěn)定性，為隧道的安全施工提供保障。