李曉軍， 楊正旭， 黃 鋒， 王程平， 劉星辰

(1.重慶中環(huán)建設(shè)有限公司， 重慶 401120； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

隨著中國交通建設(shè)行業(yè)快速發(fā)展與建造水平的不斷提高，公路隧道建設(shè)規(guī)模也隨之驟增，而小凈距隧道憑借其施工簡易、縮短工期、節(jié)約用地等優(yōu)點，近年來在中短隧道工程中廣泛運用[1-5]，但隧道間施工擾動程度也隨中夾巖厚度的減小而增大。此外，隧道斷面尺寸及埋設(shè)深度通常與規(guī)劃、設(shè)計、需求有關(guān)，倘若相鄰隧道同時具備埋深淺、中夾巖薄弱、大斷面等影響隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，隧道施工過程中極易誘發(fā)地表塌陷、隧道垮塌、管線變形等災(zāi)害[6-9]。因此，隧道開挖工法的選取與支護(hù)施工響應(yīng)規(guī)律的研究可有效保證施工安全。

圍繞著淺埋、小凈距、大斷面隧道的施工難點，眾多學(xué)者利用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等手段做了大量研究。騰俊洋等[10]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測手段對小凈距隧道圍巖壓力狀態(tài)及分布規(guī)律進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了相關(guān)理論推導(dǎo)。文云波等[11]則以南灣隧道為背景，對穿越斷層破碎帶的小凈距大斷面隧道臺階法施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實測結(jié)果進(jìn)行了對比。閆虎等[12]對小凈距隧道開挖過程進(jìn)行了模擬，研究先后行洞各工序施工錯開距離對先后行洞的圍巖穩(wěn)定性和襯砌的受力與變形規(guī)律的影響。李磊等[13]、Song等[14]、Jin等[15]、Wu等[16]采用理論分析、數(shù)值計算、現(xiàn)場監(jiān)測等手段對多類小凈距隧道圍巖變形規(guī)律、支護(hù)受力特征等進(jìn)行了研究。李軍[17]、羅貞焱等[18]、賈鋒[19]、衛(wèi)鵬華[20]針對小凈距隧的開挖方式進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化分析，指出了小凈距隧道合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)及開挖方式。以往現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬研究多單獨考慮隧道埋深、隧道凈距、隧道斷面對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，而綜合考慮三者共同影響下，隧道圍巖及支護(hù)的施工響應(yīng)規(guī)律研究較為少見，但其結(jié)論更具有代表性。

本文以重慶海天堡隧道為工程背景，針對砂質(zhì)泥巖地質(zhì)條件下淺埋大斷面小凈距隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖過程中襯砌背后圍巖壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了監(jiān)測，并且利用ABAQUS有限元模擬軟件對應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計算，通過監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)論的相互復(fù)核與補(bǔ)充，對淺埋大斷面小凈距隧道施工期間的圍巖壓力及支護(hù)受力響應(yīng)進(jìn)行了研究，其結(jié)論與建議可為相似隧道施工及工藝優(yōu)化提供參考與借鑒。

1 工程概況與現(xiàn)場實測

1.1 工程概況

海天堡隧道位于重慶市北碚區(qū)，屬于Z4路北延伸段二期道路工程關(guān)鍵控制性工程。隧道右線全長352 m(YK3+773-YK4+125)，左線全長377 m(ZK3+773-ZK4+150)，雙向八車道，建筑限界凈寬16.75 m，凈高5 m，開挖面積約213.7 m2，隧道埋深4.5～22.87 m，為典型的淺埋大斷面小凈距隧道。圖1為隧道縱向地質(zhì)剖面圖，可見隧道所處地層以砂質(zhì)泥巖為主，圍巖等級為Ⅳ～Ⅴ級，考慮到Z/YK3+840斷面埋深淺且上覆松散破碎巖土層較厚，地層穩(wěn)定性差，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)較大的地層松弛荷載，施工風(fēng)險較大。故擇取斷面1—1作為研究對象，如圖2所示。

圖1 隧道縱向地質(zhì)剖面圖

圖2 研究斷面1—1

1.2 現(xiàn)場實測

分別采用鋼筋計(型號：GR-GJ22B)、壓力盒(型號：GR-TY10B)、應(yīng)變計(型號：GR-MRD)對研究斷面1—1(ZK3+840)環(huán)向關(guān)鍵位置處的錨桿軸力、初支背后圍巖壓力、二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測，以全面獲取隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)真實的施工響應(yīng)?，F(xiàn)場左/右洞監(jiān)測點傳感器布置如圖3所示。

圖3 左(右)監(jiān)測點傳感器布置

2 數(shù)值模擬

結(jié)合海天堡隧道詳勘資料及施工流程，利用有限元軟件ABAQUS針對研究斷面1—1(Z/YK3+840)，建立了圖4所示二維數(shù)值計算模型，考慮到邊界效應(yīng)的影響，模型尺寸設(shè)定為180 m×80 m，共劃分11 618個單元，并在模型兩側(cè)及底部施加法向位移約束，上側(cè)保持自由。

為了近似模擬工程實體，計算模型中隧道圍巖與初期支護(hù)選用實體單元，而系統(tǒng)錨桿、臨時鋼支撐及二次襯砌結(jié)構(gòu)均選用梁單元，以獲取其內(nèi)力狀態(tài)。此外，分別選用線彈性本構(gòu)、Mohr-Coulomb本構(gòu)創(chuàng)建支護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道圍巖材料。其中，錨桿采用EMBEDDED功能進(jìn)行圍巖嵌入接觸，而圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間均采用TIE接觸(綁定)，具體模型材料參數(shù)見表1。

圖4 模擬斷面計算模型

表1 模型材料參數(shù)

淺埋大斷面小凈距隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖模擬步驟大致可分3部分：①對土體地應(yīng)力平衡；②對隧道開挖部分圍巖強(qiáng)度折減40%[21]，模擬地應(yīng)力釋放，并按雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工順序刪除開挖單元且對應(yīng)激活初期支護(hù)、臨時支撐結(jié)構(gòu)，全部開挖總共分為12部分，如圖2所示；③刪除開挖部分圍巖單元釋放剩余部分地應(yīng)力，隧道全斷面開挖完成后，除去臨時支撐并激活二襯結(jié)構(gòu)單元。

3 結(jié)果與分析

3.1 錨桿軸力

小凈距隧道拱頂及墻腳位置處系統(tǒng)錨桿錨固端實測軸力狀態(tài)及變化趨勢如圖5所示(注：監(jiān)測錨桿的植入日期及順序與相鄰隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖步序有關(guān)，故開始監(jiān)測日期不同)。右側(cè)隧道作為先行洞，研究斷面(YK3+840)處監(jiān)測錨桿植入圍巖后的18天內(nèi)，錨桿軸力皆呈下降趨勢，說明隧道上覆地層仍處于施工擾動后的應(yīng)力調(diào)整階段，因隧道埋深較淺，地層條件較差。當(dāng)左側(cè)隧道作為后行洞開挖至研究斷面(ZK3+840)時，拱頂位置錨桿軸力逐漸增大，直至后行洞中上部核心土開挖完成，拱頂位置錨桿軸力達(dá)到峰值，與左洞未開挖至研究斷面時相比增加了近1倍，隨著右側(cè)先行洞二襯的施作，拱頂錨桿軸力趨于穩(wěn)定。這表明淺埋隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在維持地層及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。相比之下，左側(cè)后行隧道拱頂位置錨桿埋設(shè)初期并未出現(xiàn)軸力下降趨勢，說明右側(cè)先行隧道系統(tǒng)錨桿加固圍巖的同時起到了地層壓力拱減跨的效果，提高了地層的承載力。此外，隧道墻腳處錨桿出現(xiàn)軸向受壓現(xiàn)象，這主要是因為隧道斷面大且近似橢圓形狀，在墻腳位置極易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。與外側(cè)墻腳處錨桿軸力相比，中夾巖處錨桿軸力較小，說明薄弱中夾巖對錨桿的約束效果差，施工過程中應(yīng)配合使用對拉錨桿對中夾巖進(jìn)行加固。

淺埋小凈距大斷面隧道開挖完成后，研究斷面(Z/YK3+840)處系統(tǒng)錨桿的應(yīng)力數(shù)值計算結(jié)果，如圖6所示。通過計算得到錨桿軸力，其分布情況同現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本一致，除外側(cè)墻腳及中夾巖錨桿軸向受壓以外，其余位置錨桿均軸向受拉，錨桿最大軸力值出現(xiàn)在右側(cè)隧道拱頂處錨桿錨固端?？紤]到篇幅有限，僅提取右側(cè)隧道拱頂處錨桿軸力計算值與現(xiàn)場實測值隨計算步/施工過程的響應(yīng)規(guī)律對比，如圖7所示，可見相同測點錨桿軸力的現(xiàn)場實測值較數(shù)值計算值小且有所波動，這可能是因為現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜且擾動頻繁，而數(shù)值模型中難以完全符合真實情況，但是兩者隨分析步/施工過程的趨勢基本一致，可以說明模擬結(jié)果是準(zhǔn)確的且基本與實際工程相符。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測錨桿軸力最大值與φ25錨桿的最大抗拉力153 kN計算得出安全系數(shù)為8.36，說明錨桿結(jié)構(gòu)受力處于安全范圍內(nèi)。

圖6 錨桿應(yīng)力云圖

圖7 系統(tǒng)錨桿實測及模擬軸力對比

3.2 圍巖壓力

隧道襯砌背后圍巖壓力現(xiàn)場實測結(jié)果如圖8所示。伴隨隧道施工，襯砌背后圍巖壓力在埋設(shè)之后均呈現(xiàn)增大-減小-平穩(wěn)的變化趨勢。此外，右側(cè)隧道作為先行洞，其襯砌背后圍巖壓力明顯小于左洞相同測點位置的圍巖壓力，可以說明后行隧道上覆地層的自主承載力較先行洞好。受左側(cè)后行隧道中上核心土開挖的影響，右側(cè)先行隧道拱頂處襯砌背后圍巖壓力減小，而墻腳處圍巖壓力有所增大，該現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是中間核心土的開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布造成的。伴隨右側(cè)及左側(cè)隧道二次襯砌閉合成環(huán)，襯砌背后圍巖壓力也逐漸趨于穩(wěn)定，左洞整體圍巖壓力明顯小于右洞圍巖壓力，中夾巖處壓力相差最明顯，這表明淺埋大斷面小凈距的圍巖壓力在先行洞支護(hù)完成后加固了上覆圍巖，從而降低了圍巖壓力。

現(xiàn)場實測結(jié)果顯示，右側(cè)隧道靠近中夾巖墻腳位置(YT-1)襯砌背后圍巖壓力最大，右洞拱頂位置(YT-2)受施工擾動產(chǎn)生明顯的波動，與現(xiàn)場實測對應(yīng)，從數(shù)值計算結(jié)果中提取右側(cè)隧道靠近中夾巖的墻腳位置(YT-1)及拱頂(YT-2)襯砌背后圍巖壓力值，同時根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊土建工程》(JTG 3370.1—2018)對該位置的最終圍巖壓力進(jìn)行計算，三者對比如圖9所示。可見，三者大小關(guān)系為：規(guī)范計算值>數(shù)值模擬值>現(xiàn)場監(jiān)測值，其原因主要是現(xiàn)場傳感器布置存在滯后性造成應(yīng)力損失，數(shù)值計算存在模型簡化引起的結(jié)果差異。雖然三者結(jié)果間存在差異，但在允許誤差范圍內(nèi)，而且數(shù)值計算結(jié)果曲線與現(xiàn)場實測結(jié)果曲線走勢也基本一致，說明數(shù)值計算的準(zhǔn)確性，可基本反映隧道開挖過程中圍巖壓力真實的變化情況。

圖8 襯砌背后圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果

圖9 襯砌背后圍巖壓力結(jié)果對比

3.3 圍巖應(yīng)力

對不同分析步圍巖最大主應(yīng)力云圖進(jìn)行提取，如圖10所示。從圖中可以看出隧道的開挖使隧道拱腰及仰拱處圍巖最大主應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，隧道周邊圍巖應(yīng)力隨開挖明顯增大，且先行隧道附近的圍巖最大應(yīng)力更大，最大值為155 kPa，當(dāng)兩洞施作二襯之后，最大值主要分布在隧道仰拱附近，但最大主應(yīng)力最大值減小至60.75 kPa，均遠(yuǎn)小于圍巖單軸抗壓強(qiáng)度。

圖10 圍巖應(yīng)力分布云圖

3.4 二襯內(nèi)力

通過埋入式應(yīng)變計測量襯砌內(nèi)側(cè)與外側(cè)的應(yīng)力，基于平截面假定原理計算出二襯彎矩與軸力，得到現(xiàn)場二襯結(jié)構(gòu)的彎矩與軸力情況?，F(xiàn)場監(jiān)測二襯彎矩與軸力最終值與模擬結(jié)果對比如圖11、圖12所示。

圖11 二襯彎矩分布對比

圖12 二襯軸力分布對比

為了便于描述規(guī)定二襯彎矩內(nèi)側(cè)受拉為正，二襯軸力受拉為正。由圖11、圖12可見：左右洞彎矩與軸力整體分布情況相似，需要注意的是右洞的右拱腰承受的是正彎矩，這表明此位置是外側(cè)受壓，這是由于地形導(dǎo)致隧道受到偏壓影響。但彎矩大小仍處于安全范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的問題。根據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范[21]計算現(xiàn)場監(jiān)測的二襯安全系數(shù)，結(jié)果如圖13所示，計算得最小安全系數(shù)出現(xiàn)在右洞墻腳處為5.51，大于規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)2.4，其他位置也遠(yuǎn)大于2.4，滿足襯砌結(jié)構(gòu)安全的要求。

圖13 二襯現(xiàn)場監(jiān)測計算安全系數(shù)

從現(xiàn)場檢測及模擬結(jié)果對比情況可以看出，二襯彎矩與軸力模擬最終值小于現(xiàn)場監(jiān)測最終值。這是由于實際工程環(huán)境較為復(fù)雜，模擬難以完全體現(xiàn)實際情況，但彎矩與軸力的分布規(guī)律大致是相同的，說明模型建立基本正確，能夠體現(xiàn)隧道二襯彎矩的分布情況。

4 結(jié)論

本文對海天堡淺埋大斷面小凈距隧道錨桿、圍巖壓力、二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測分析，并結(jié)合數(shù)值模擬相互對比驗證研究此隧道支護(hù)的施工響應(yīng)規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1)淺埋大斷面小凈距隧道中先行隧道支護(hù)可加固上覆圍巖，實現(xiàn)地層壓力拱減跨效果，利用后行隧道地層承載力，進(jìn)而減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)載。整體來看，相對于先行隧道，后行隧道錨桿軸力平均減少20.93%，圍巖壓力平均減少19.71%。且此效應(yīng)對后行隧道中夾巖處圍巖壓力減輕最為明顯。在施工中應(yīng)當(dāng)保證先行隧道支護(hù)效果與質(zhì)量，有助于減輕后行隧道的支護(hù)荷載。

2)小凈距隧道中夾巖薄弱破碎且經(jīng)歷多次隧道開挖擾動，圍巖壓力場分布復(fù)雜且多變，而此處錨桿則起到了加固與聯(lián)結(jié)中夾巖的重要作用。本工程錨桿受力處于安全范圍內(nèi)，但在設(shè)計及施工中應(yīng)當(dāng)充分考慮此位置的支護(hù)措施并且加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化施工，保證中夾巖的安全穩(wěn)定。

3)針對淺埋大斷面小凈距隧道開挖，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法可有效控制圍巖變形及壓力釋放程度，圍巖壓力大約45 d后穩(wěn)定，二襯結(jié)構(gòu)安全性也可以保證，整體施工安全穩(wěn)定，基于該開挖方法的隧道圍巖壓力及支護(hù)受力施工響應(yīng)規(guī)律可為優(yōu)化施工方案及組織方面的研究提供借鑒與參考。