王 允

(浙江省寧波市余姚市交通規(guī)劃設計研究院,余姚 315400)

由于地形條件限制,隧道建設過程中會出現(xiàn)小凈距隧道,小凈距隧道距離接近,施工擾動大,對圍巖與襯砌結構的穩(wěn)定性會造成不利影響,偏壓小凈距隧道群施工引發(fā)的安全問題更為嚴重。

國內外學者已針對偏壓小凈距隧道施工安全問題展開研究。劉春等[1]從實際工程出發(fā)基于FLAC 3D 數(shù)值模擬軟件,研究了非對稱小凈距隧道不同施工方法對圍巖與襯砌結構力學響應的影響,通過分析不同工況條件下的拱頂沉降、邊墻收斂以及中間巖柱位移的分布規(guī)律,揭示開挖工法造成的偏壓效應特征。楊朝帥等[2]基于三維數(shù)值模擬復現(xiàn)了小凈距大斷面隧道頂推施工過程中地層變形規(guī)律,提出超淺埋小凈距大斷面頂管隧道群工程頂推施工的背土效應。杜德持等[3]分析了小凈距隧道群施工過程中的穩(wěn)定性影響因素及其關聯(lián)程度,以青島地鐵敦化路站為工程依托,采用FLAC 3D 軟件研究不同施工方法下圍巖變形的響應規(guī)律。李建林等[4]基于興延高速公路白羊溝隧道北口小凈距段施工工程,通過數(shù)值模擬研究臺階法和分部開挖法施工對圍巖和支護結構的變形及力學特性影響。李松濤等[5]基于七沖村一號特大斷面隧道工程,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等手段研究雙側壁導坑法和中隔壁法(CD 法)施工影響下圍巖與襯砌結構的變形和力學響應。王薇等[6]結合排頭隧道工程實例,基于ABAQUS 軟件建立三維彈塑性數(shù)值模型研究陡坡偏壓條件下不同施工順序對小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。王輝等[7]基于ABAQUS 軟件進行二次開發(fā),研究大斷面小凈距隧道扁平率以及隧道凈距優(yōu)化等關鍵工程問題。蔣坤等[8]以福州國際機場高速公路特大斷面小凈距隧道工程為依托,基于UDEC 軟件建立離散元數(shù)值模型,研究雙側壁導坑法等不同施工工法條件下節(jié)理巖體的變形響應規(guī)律與塑性區(qū)分布特征,據(jù)此優(yōu)化特大斷面小凈距隧道施工方案。騰俊洋等[9]推導出考慮施工工序及地形坡度的淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力計算公式,分析考慮不同地形坡度及同一坡度不同埋深的2 種工況下地形坡度及埋深對圍巖破裂范圍、水平側應力和拱頂壓力的影響規(guī)律,并基于UDEC 軟件建立離散元數(shù)值模型對相應規(guī)律進行驗證。

相關研究主要是對偏壓小凈距隧道施工引起的地層與襯砌力學響應進行研究,但對小凈距隧道群的研究尚不充分。隧道群施工相互影響更為復雜,圍巖變形規(guī)律仍不明確,因此有必要對其開展系統(tǒng)性研究?；谟嘁κ谐俏鞴I(yè)園區(qū)配套道路(一期)隧道段新建工程,通過ABAQUS 軟件建立數(shù)值模型,研究地層條件、隧道凈距與隧道埋深等因素對軟弱圍巖條件下偏壓小凈距隧道群施工的影響,分析施工誘發(fā)的圍巖變形規(guī)律及其受力特點。

1 工程背景

余姚市城西工業(yè)園區(qū)配套道路(一期)新建工程起點為余梁公路北延工程與蘭周公路交叉口,東接北環(huán)西路,向西設置隧道,穿越大山后終點與城西工業(yè)園通環(huán)路對接,西至馬渚互通,車輛可直接上下慈余高速公路。項目路線全長約為2.268 km,采用一級公路標準進行設計,設計速度為80 km/h,總投資約為6.72 億元,擬分段、分期實施該項目。本次擬實施項目范圍為隧道段,即K0 +500～K1 +690 段。余姚市城西工業(yè)園區(qū)配套道路(一期)隧道段新建工程設置四線短隧道1 座(機動車道右洞長為467 m,機動車道左洞長為468 m;非機動車道右洞長為480 m,非機動車道左洞長為477 m)。項目地理位置如圖1 所示,隧道分布如表1 所示,大山隧道平面如圖2 所示。

表1 隧道分布

隧道橫斷面采用錨噴支護復合模筑混凝土襯砌,內夾防排水層。路面采用單向橫坡,坡度根據(jù)平面線形及超高情況確定,正常段(無超高)為2%,路基中部設中心排水溝。橫斷面行車方向右側檢修道溝槽下設弱電纜槽,弱電纜槽深度和寬度都為60 cm;左側檢修道溝槽下設強電纜槽,強電纜槽深度和寬度都為60 cm,兩側電纜槽兼具排水功能。機動車道斷面如圖3 所示,非機動車道斷面如圖4 所示。

主洞左線地質縱斷面如圖5 所示,整體而言,隧道位于低山丘陵區(qū),植被茂盛,進出洞口處樹木較多,隧道最大埋深約為70 m。隧道進洞口段位于溝谷及山前斜地亞區(qū)Ⅰ3兩側,埋深小,表部殘坡積厚度為0～10 m,局部見基巖出露,其下為強～中風化凝灰?guī)r,基巖巖質較軟,節(jié)理裂隙發(fā)育密集,巖體較破碎,局部破碎。隧道洞身段幾近橫穿山脊、溝谷,地勢起伏較大。隧道出口段位于溝谷及山前斜地亞區(qū)兩側,表部殘坡積厚度為2.60～6.70 m。殘坡積厚度較薄,局部可見強～中風化基巖出露。根據(jù)工程地質調繪、高密度電法及鉆探成果,在洞身YK0 +890～ YK0 +950 段揭露斷層Fw3,產(chǎn)狀為15°～30°∠70°～80°,巖體破碎,節(jié)理發(fā)育,巖體完整性差。YK1 +040～YK1 +180 段揭露斷層Fw2,產(chǎn)狀為220°～250°∠50°～60°,巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體完整性差。

2 數(shù)值模型

本項目須重點關注軟弱破碎巖體中小凈距隧道施工安全問題,為研究小凈距隧道施工過程中圍巖變形規(guī)律、受力特點以及襯砌結構的力學響應規(guī)律,基于ABAQUS 軟件建立數(shù)值模型,如圖6 所示?？紤]邊界效應,模型尺寸為150 m ×55 m。假設圍巖為采用摩爾-庫倫本構模型的均值體,襯砌結構采用線彈性本構模型。此外采用CPE4 對圍巖與襯砌進行網(wǎng)格劃分,采用桿單元對錨桿進行單元劃分,圍巖與支護結構參數(shù)如表2 所示,錨桿單元物理力學參數(shù)如表3 所示。

表2 圍巖與支護結構參數(shù)

表3 錨桿單元物理力學參數(shù)

3 參數(shù)影響分析

基于數(shù)值模擬分別研究了地層參數(shù)、隧道埋深和隧道凈距等參數(shù)對小凈距隧道施工引起的圍巖與襯砌結構響應的影響。

3.1 地層參數(shù)變化的影響分析

為分析地層參數(shù)變化對小凈距隧道地層變形的影響,設計了3 種圍巖條件,工況設計如表4 所示。除圍巖條件外,不同工況設計中襯砌結構形式、施工方法以及模型尺寸均一致。

表4 工況設計

工況1-1 中圍巖變形如圖7 所示,工況1-2 中圍巖變形如圖8 所示,工況1-3 中圍巖變形如圖9所示,不同計算工況中的水平和豎直方向的位移云圖分布基本一致。

對豎向位移而言,由于開挖面積的差異,中間區(qū)域的機動車道開挖引起的地表沉降值遠大于兩側非機動車頂部的沉降值。機動車道上部沉降具有顯著的非對稱性,沉降值等值線具有向中部夾層傾斜的趨勢,說明兩側機動車隧道的開挖對中夾巖具有較強的疊加效應,中夾巖在兩側機動車隧道開挖的影響下產(chǎn)生較大沉降,兩側機動車隧道頂部沉降槽在中夾巖區(qū)域相互交疊影響。另外由于偏壓地層的影響,右側機動車隧道和非機動車隧道的頂部沉降值相對更大。對水平位移而言,中部夾巖的變形較小,左側機動車隧道的左上部區(qū)域和右側機動車隧道的右上部區(qū)域水平位移較大。在豎向位移和水平位移的疊加下,左右兩側機動車隧道頂部呈現(xiàn)更大范圍W 形沉降槽。

對比分析不同圍巖條件下圍巖的位移分布情況可知,不同工況中水平和豎向的分布情況基本一致,但隨著圍巖條件逐漸增強,變形值逐漸減小,這說明隨著圍巖條件逐漸增強,小凈距隧道的相互影響逐漸減弱,地層位移逐漸減小,受力也逐漸改善。

不同圍巖條件下圍巖最大主應力分布云圖如圖10 所示,地表附近存在較大范圍的張拉應力,尤其在右側機動車隧道襯砌和右側非機動車隧道之間,同時左右兩側機動車隧道之間的地表位置也存在相應張拉應力,這說明隧道施工引起圍巖變形導致地表產(chǎn)生較大范圍的張拉應力。機動車隧道附近也出現(xiàn)應力集中區(qū),分別從隧道拱肩沿45°方向向斜上方發(fā)展,最后逐漸接近地表。圍巖最大主應力的分布情況與塑性區(qū)分布類似,呈蝶狀分布。非機動車道由于開挖面積較小,對圍巖產(chǎn)生的應力集中區(qū)并不明顯。

不同工況中最大主應力的分布情況基本一致,地表區(qū)域易出現(xiàn)拉應力集中的現(xiàn)象,隨著圍巖條件逐漸增強,拉應力集中的范圍呈現(xiàn)減小趨勢,并且最大拉應力值也逐漸減小。這說明隨著圍巖條件逐漸增強,地表的受力狀態(tài)會得到改善,最大主應力由工況1-1 中的0.13 MPa 逐漸降低至工況1-3中的0.12 MPa?？梢妵鷰r條件越好,施工引起的圍巖變形越小,開挖引起地表張拉塑性區(qū)域的范圍也將明顯減小。

圍巖的力學性質直接影響襯砌結構的受力狀態(tài),左側機動車道襯砌結構最大主應力云圖如圖11所示。

不同計算工況中襯砌應力分布情況整體上類似,拱頂和仰拱內側以及拱腳外側是拉應力集中區(qū)域,由于隧道頂部覆土深度較小,襯砌結構拉應力小于混凝土抗拉強度。不同計算工況中襯砌結構的應力云圖呈顯著非對稱分布特征。以工況1-1為例,隧道右側埋深較大,導致右側拱腳內側的壓應力大于左側拱腳,而且壓應力范圍更大,拱腳外側和仰拱內側拉應力有類似分布規(guī)律,這與圍巖的變形規(guī)律和受力特點也相符。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是偏壓荷載作用導致結構變形呈現(xiàn)出顯著的非對稱性特點,偏壓較大的一側結構變形和受力相對嚴重。另外隨著圍巖條件的逐漸改善,襯砌結構受力也逐漸改善。襯砌不同位置的內外側應力均以壓應力為主,并且應力分布較為均勻,結構最大主應力也在逐漸減小。

3.2 隧道埋深變化的影響分析

為分析隧道埋深變化對小凈距隧道地層變形的影響,設計了3 種不同埋深條件:左側隧道拱頂埋深15 m(工況1-4),左側隧道拱頂埋深20 m(工況1-5),左側隧道拱頂埋深25 m(工況1-6)。

工況1-4 中圍巖變形如圖12 所示,工況1-5 中圍巖變形如圖13 所示,工況1-6 中圍巖變形如圖14 所示。不同工況中地層的豎向位移主要集中發(fā)生在機動車隧道中部地層,兩側機動車隧道頂部圍巖變形較小,顯著小于中間區(qū)域機動車隧道開挖引起的地表沉降。另外機動車隧道上部地層沉降具有顯著的非對稱性特點,沉降值等值線具有向中部夾層傾斜的趨勢,說明兩側機動車隧道的開挖對中夾巖具有較強的疊加效應,中夾巖在兩側機動車隧道開挖的影響下產(chǎn)生較大沉降。

通過對比不同計算工況中地層豎向變形情況,得出不同工況中水平和豎向的分布情況整體類似,但隨著隧道頂部埋深的逐漸增大,圍巖穩(wěn)定性逐漸增強。當隧道埋深較小時,淺埋地層中隧道施工引起地層變形更為顯著,左右兩側機動車隧道施工引起的地層變形均明顯發(fā)展至地表,形成2 個近乎獨立的沉降槽。隨著埋深的逐漸增大,施工對地表的影響逐漸減小,隧道頂部形成的土拱效應對地層變形具有顯著抵抗作用。

不同隧道埋深條件下圍巖最大主應力分布云圖如圖15 所示,地表附近及隧道周邊是最大主應力較為集中區(qū)域,尤其在地表位置最大主應力最大,說明洞室開挖引起的地層沉降導致地表出現(xiàn)較大范圍塑性區(qū)。在隧道周邊,最大主應力呈蝶狀分布,分別從隧道拱肩沿45°方向向斜上方發(fā)展,最后逐漸接近地表。由于偏壓地層造成的圍巖荷載的非對稱性,左右兩側隧道引起的最大主應力分布也呈現(xiàn)顯著非對稱性。此外,通過對比分析不同隧道埋深條件下圍巖最大主應力的分布情況,發(fā)現(xiàn)隧道隨著埋深的逐漸增大,最大主應力值逐漸減小,說明埋深的增大改善了圍巖受力條件,這有助于圍巖保持穩(wěn)定。當隧道埋深較小時,隧道周邊主應力沿著隧道拱肩45°方向向斜上方發(fā)展,逐漸接近地表,具有明顯連續(xù)性。隨著隧道埋深的逐漸增大,隧道周邊圍巖最大主應力顯著減小并且僅分布于洞周附近,隧道與地表連接區(qū)域的最大主應力顯著降低。

3.3 隧道凈距變化的影響分析

為分析隧道凈距變化對小凈距隧道地層變形的影響,設計了3 種不同隧道凈距條件:10 m(工況1-7),15 m(工況1-8)和25 m(工況1-9)。

工況1-7 中圍巖變形如圖16 所示,工況1-8 中圍巖變形如圖17 所示,工況1-9 中圍巖變形如圖18 所示。為研究隧道凈距變化對隧道群施工穩(wěn)定性的影響,提取不同計算工況中圍巖水平方向和豎向的變形情況。通過對照研究發(fā)現(xiàn),不同計算工況中水平和豎向變形模式基本類似,凈距不同的3 組工況中水平位移主要集中分布在機動車隧道周邊區(qū)域,而豎向位移主要集中分布在機動車隧道的夾層位置。這說明小凈距隧道施工中間夾層圍巖的穩(wěn)定性較差,易發(fā)生較大沉降,導致機動車隧道周邊地表產(chǎn)生較大水平位移。當凈距較小時,隧道施工影響較大,隧道頂部沉降斜向地表發(fā)展,形成W形地表沉降槽。隨著凈距的不斷增大,機動車隧道施工的相互影響顯著降低,地層沉降主要向地表發(fā)展。

圍巖的應力分布情況是施工擾動引起地層變形的內在反應,不同凈距條件下圍巖最大主應力分布如圖19 所示。當凈距較小時,兩側機動車隧道施工引起中夾巖的較大沉降,導致最大主應力分別沿著左側隧道左上45°和右側隧道右上45°的方向向地表發(fā)展,左側機動車隧道的左側地表和右側機動車隧道地表產(chǎn)生大范圍拉應力。由于偏壓地層作用,右側地表的拉應力更為顯著,說明該位置承受較大拉應力。隨著凈距的不斷增大,兩側隧道施工相互干擾逐漸減小。

4 結論

以實際工程為依托,基于ABAQUS 軟件建立數(shù)值模型,研究地層條件、隧道凈距與隧道埋深等因素對軟弱圍巖條件下偏壓小凈距隧道群施工的影響,分析施工誘發(fā)的圍巖變形規(guī)律及其受力特點,主要得出以下結論。

(1) 由于地層偏壓的影響,小凈距隧道施工引起的圍巖變形規(guī)律具有顯著的非對稱性特點,在豎向位移和水平位移疊加下,左右兩側機動車隧道頂部呈現(xiàn)更大范圍W 形沉降槽。

(2) 圍巖條件越差,隧道埋深越小、凈距越小,隧道施工誘發(fā)的圍巖變形越大。

(3) 圍巖的力學性質直接影響襯砌結構的受力狀態(tài),靠近中夾巖處的襯砌結構受力狀態(tài)更不利。