趙海濤,胡 宇,劉丙宇,張彥龍,張小軍,高文學(xué)

(1.北京建工路橋集團(tuán)有限公司,北京 100123; 2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部,北京 100124)

0 引言

淺埋偏壓隧道圍巖地質(zhì)條件相對較差,隧道施工過程中極易引起圍巖較大范圍的擾動(dòng)。在不同施工階段,圍巖擾動(dòng)特征各不相同,并直接影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受荷載大小。因此,探索淺埋偏壓隧道施工過程中圍巖應(yīng)力變化規(guī)律,對指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工具有重要意義。

目前,眾多學(xué)者對隧道施工過程中圍巖應(yīng)力變化規(guī)律開展了大量研究。盧欽武等[1]通過引入滑移面偏移角,提出淺埋偏壓隧道圍巖應(yīng)力計(jì)算的修正模型;徐沖等[2]通過引入水平應(yīng)力占比系數(shù)、廣義水平側(cè)應(yīng)力系數(shù),建立了計(jì)算淺埋偏壓隧道圍巖壓力的統(tǒng)一模型;戴俊等[3]、羅彥斌等[4]、聶紅賓等[5]、杜建明等[6]、楊公標(biāo)等[7]建立了不同地質(zhì)條件下淺埋隧道圍巖應(yīng)力函數(shù)表達(dá)式。王士民等[8]、但路昭等[9]分析了不同應(yīng)力釋放率下淺埋隧道圍巖變形及地表沉降規(guī)律;郭瑞等[10]、賈月卿等[11]利用數(shù)值模擬分析了圍巖應(yīng)力變化與位移釋放的相互關(guān)系;李又云等[12]、武松等[13]利用模型試驗(yàn)研究了淺埋隧道的漸進(jìn)破壞趨勢;李化云等[14]采用相似模型試驗(yàn)研究了不同加固措施下的圍巖應(yīng)力與位移變化。

上述研究表明,目前鮮有針對淺埋偏壓隧道三臺階法施工過程圍巖擾動(dòng)特征的研究,這無疑增加了現(xiàn)場施工風(fēng)險(xiǎn)。本文以國道109新線高速公路齊家莊隧道為研究背景工程,結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析與數(shù)值模擬,分析隧道三臺階鉆爆法施工過程中圍巖應(yīng)力變化規(guī)律,為隧道設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

國道109新線高速公路工程齊家莊隧道設(shè)計(jì)起訖里程為A1K45+021—A1K45+315,全長294m,隧道凈空尺寸為14m×12m(寬×高),試驗(yàn)段拱頂埋深僅10m,地表橫向坡度23°,為典型的淺埋偏壓隧道,如圖1所示。隧道洞身圍巖為中風(fēng)化安山巖,節(jié)理、裂隙發(fā)育,切割巖體呈塊狀,基于JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》,綜合確定該圍巖等級為IV級。

圖1 齊家莊隧道洞口

齊家莊隧道采用三臺階鉆爆法施工,各臺階開挖循環(huán)進(jìn)尺為2m,施工步距為20m,利用錨桿、HW175型鋼拱架與C30噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)。隧道施工過程中,拱頂沉降變形最大,各臺階施工時(shí)“臨時(shí)拱腳”處應(yīng)力集中顯著,為研究隧道施工過程中圍巖應(yīng)力變化,在A1K45+040斷面處布設(shè)壓力盒,以期獲得三臺階法施工過程中圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。

2 監(jiān)測結(jié)果與分析

當(dāng)隧道上臺階施工至A1K45+040斷面時(shí),在測點(diǎn)P1,P2,P3處布設(shè)壓力盒,如圖2所示;當(dāng)上臺階施工20m后,中臺階開始施工,此時(shí)在測點(diǎn)P4,P5處布設(shè)壓力盒;待中臺階施工20m后,下臺階開始施工,在測點(diǎn)P6,P7處布設(shè)壓力盒。

圖2 隧道測點(diǎn)示意(單位:m)

隧道施工過程中各測點(diǎn)應(yīng)力變化規(guī)律如圖3所示,由圖可知,上臺階施工時(shí),測點(diǎn)P1,P2,P3應(yīng)力值均逐漸上升,表明隨著上臺階施工,隧道監(jiān)測斷面處沉降變形持續(xù)增大,圍巖應(yīng)力不斷增加。當(dāng)上臺階施工20m時(shí),測點(diǎn)P1,P2,P3處應(yīng)力值分別為242,478,635kPa,各測點(diǎn)圍巖應(yīng)力增長速率為P1

圖3 隧道施工過程中各測點(diǎn)應(yīng)力變化

當(dāng)上、中臺階同時(shí)施工(施工步距20m)時(shí),測點(diǎn)P1處應(yīng)力值增長趨勢逐漸放緩,并在上臺階施工30m時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值305kPa,表明隨著上臺階不斷施工,所監(jiān)測斷面處上臺階圍巖應(yīng)力逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)。中臺階施工時(shí),圍巖賦存狀態(tài)發(fā)生改變,測點(diǎn)P2,P3處圍巖夾制作用減弱,應(yīng)力值降低在中臺階施工達(dá)到14m時(shí)趨于穩(wěn)定值46,163kPa,而測點(diǎn)P4,P5圍巖應(yīng)力值逐漸增大,且增長速率P4

對比分析各測點(diǎn),P1,P6,P7測點(diǎn)處,圍巖應(yīng)力持續(xù)增加并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),其應(yīng)力發(fā)展變化趨勢幾乎相同;反觀P2,P3,P4,P5各測點(diǎn),圍巖應(yīng)力變化與施工過程、圍巖賦存狀態(tài)密切相關(guān),應(yīng)力從產(chǎn)生、集中到釋放過程,兩者表現(xiàn)不同的規(guī)律性。

3 隧道施工數(shù)值模擬分析

前述試驗(yàn)段監(jiān)測、分析了隧道埋深10m時(shí)三臺階法施工過程圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律。為了研究不同埋深對隧道施工過程中圍巖應(yīng)力變化的影響,建立齊家莊隧道施工數(shù)值模型(埋深10m),將該模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證數(shù)值模型參數(shù)可靠性;采用控制變量法,建立埋深為5,15,20,25m的施工模型,深入研究不同埋深下圍巖擾動(dòng)變化規(guī)律。

3.1 數(shù)值模型建立

本模型(埋深10m)中圍巖采用彈塑性本構(gòu),服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則;支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性模型,其中HW175型鋼拱架按式(1)進(jìn)行強(qiáng)度折算。模型頂部為自由面,四周添加水平法向約束,底部為豎向約束;隧道數(shù)值模型如圖4所示,參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

圖4 隧道模型示意

(1)

式中:E為折算后噴射混凝土彈性模量(GPa);Ec為噴射混凝土彈性模量(GPa),取24GPa;Ac為噴射混凝土截面積(m2),取0.15m2,Es為HW175型鋼拱架彈性模量(GPa),取208GPa;As為HW175型鋼拱架截面積(m2),取5.142×10-3m2。

3.2 監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

由于隧道施工是三維動(dòng)態(tài)施工過程,任一臺階施工均有可能對各測點(diǎn)圍巖應(yīng)力造成影響,因此需根據(jù)不同測點(diǎn)分別提取隧道施工過程中圍巖應(yīng)力云圖。而基于前述分析,測點(diǎn)P1,P6,P7應(yīng)力發(fā)展趨勢幾乎相同,測點(diǎn)P2,P3,P4,P5應(yīng)力變化規(guī)律幾乎一致,因此以測點(diǎn)P1,P3為代表,分別提取上臺階施工20,22,40,42,60m時(shí)圍巖應(yīng)力云圖,如圖5,6所示。

圖5 不同施工距離下測點(diǎn)P1處圍巖應(yīng)力

由圖5可知,隧道初始地應(yīng)力下與上臺階分別施工20,22,40,42,60m時(shí),測點(diǎn)P1處圍巖應(yīng)力分別為49,249,259,276,277,279kPa。這表明隧道埋深10m時(shí),拱頂圍巖應(yīng)力與隧道施工距離成正比,并在施工40m時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值276kPa,后續(xù)隧道施工對其影響較小。相比于監(jiān)測結(jié)果,兩者誤差較小,穩(wěn)定值相對誤差為8.9%。

隧道施工20m時(shí)測點(diǎn)P3處圍巖應(yīng)力云圖如圖6b所示,其夾制作用明顯,應(yīng)力集中顯著;中臺階開始施工時(shí)該處應(yīng)力云圖如圖6c所示,其應(yīng)力值由565kPa降至220kPa,降幅達(dá)61.1%,而后隨著隧道中臺階施工至22m時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值97kPa。相比于監(jiān)測結(jié)果,兩者應(yīng)力從產(chǎn)生、集中到釋放過程,變化規(guī)律相同,且峰值應(yīng)力、穩(wěn)定值相對誤差僅有14.4%,16.7%。

圖6 不同施工距離下測點(diǎn)P3處圍巖應(yīng)力

為更直觀評價(jià)數(shù)值模擬的可靠性,結(jié)合圖3、圖5、圖6,提取埋深10m時(shí)隧道施工過程中測點(diǎn)P1,P3處圍巖應(yīng)力的監(jiān)測值、模擬值如圖7所示,并進(jìn)行對比分析。

圖7 測點(diǎn)P1,P3處圍巖應(yīng)力

由圖7可知,測點(diǎn)P1,P3處圍巖應(yīng)力模擬值曲線光滑,而監(jiān)測值表現(xiàn)出一定波動(dòng)性,這是由于現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)圍巖地質(zhì)條件的變化,而數(shù)值模擬將巖體假定為均質(zhì)體,但兩者的變化規(guī)律基本一致,相對誤差為20.2%,表明該數(shù)值模型參數(shù)基本合理,采用該參數(shù)模擬不同埋深下圍巖應(yīng)力可靠。

3.3 不同埋深下數(shù)值模擬結(jié)果分析

提取不同埋深下隧道施工過程中測點(diǎn)P1,P3處圍巖應(yīng)力,如圖8所示。

圖8 不同埋深下測點(diǎn)P3處圍巖應(yīng)力

由圖8a可知,隧道埋深在5～25m范圍,隧道埋深越大,測點(diǎn)P1處圍巖應(yīng)力越大,不同埋深下該處應(yīng)力發(fā)展趨勢基本一致,均表現(xiàn)為隧道上臺階施工10m時(shí),應(yīng)力增長速率最快,隨后逐漸變緩;當(dāng)施工30m時(shí)(中臺階施工10m),圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

由圖8b可知,隧道埋深在5～25m范圍,測點(diǎn)P3處圍巖應(yīng)力變化與測點(diǎn)P1處有相同之處:圍巖應(yīng)力值與增長速率隨隧道埋深增加而增大;不同埋深下應(yīng)力發(fā)展趨勢基本一致。但由于測點(diǎn)P3處圍巖賦存狀態(tài)發(fā)生改變,其應(yīng)力發(fā)展趨勢有所不同。具體表現(xiàn)為測點(diǎn)P3處圍巖應(yīng)力在隧道上臺階施工6m時(shí)增長速率最大,當(dāng)施工14m時(shí),其應(yīng)力發(fā)展已趨于穩(wěn)定;當(dāng)施工20m(中臺階施工)時(shí),應(yīng)力降低,而后趨于穩(wěn)定。下臺階施工對測點(diǎn)P1,P3處圍巖應(yīng)力影響均較小。

圖9 不同埋深下k值變化

由圖9可知,一方面,在埋深5～25m范圍時(shí),k值先增大,后達(dá)到穩(wěn)定值7.6;另一方面,隨著隧道施工,k先增大后減小,并在隧道施工至11m后,k值<1;這表明在不同埋深下及隧道施工11m范圍內(nèi),測點(diǎn)P3處圍巖由于夾制效應(yīng),其應(yīng)力變化幅度大于測點(diǎn)P1。

4 結(jié)語

1)隧道施工過程中,圍巖應(yīng)力產(chǎn)生重分布,其應(yīng)力發(fā)展規(guī)律與圍巖賦存狀態(tài)有關(guān):拱頂應(yīng)力持續(xù)增大達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),而“臨時(shí)拱腳”處應(yīng)力先增大再減小,而后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2)偏壓作用下,深埋側(cè)圍巖應(yīng)力和其增長速率均大于淺埋側(cè),而“臨時(shí)拱腳”處圍巖應(yīng)力集中顯著,其應(yīng)力變化規(guī)律受隧道施工過程更加敏感,施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)該處圍巖應(yīng)力監(jiān)測及鎖腳錨桿的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。

3)隧道埋深在5～25m時(shí),隨著隧道施工,“臨時(shí)拱腳”與拱頂處應(yīng)力變化比值隨著隧道埋深增加而逐漸穩(wěn)定;且距離掌子面0～11m時(shí),“臨時(shí)拱腳”應(yīng)力變化幅度大于拱頂。