曾仲毅 楊 洪 春軍偉 陳 政 吳銘芳

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081; 2.西南交通大學土木工程學院 成都 610031)

近年來為滿足更高標準的公路、鐵路、航運等交通通行需求和城市地下綜合體、地下數(shù)據(jù)中心、水電機房、儲油洞庫等大容量空間的需要,隧道工程的開挖斷面規(guī)模逐漸增大,由幾十平方米逐步擴大到幾百平方米。

根據(jù)隧洞開挖凈空面積大小,可將隧洞劃分為標準斷面、大斷面、超大斷面[1]。國際隧道協(xié)會以100 m2以上為超大斷面,日本以120 m2以上為超大斷面。大批學者通過數(shù)值模擬手段對超大斷面隧道開挖圍巖穩(wěn)定性進行了研究。章慧健等[2]通過對大跨度四線鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性分析,得到開挖形成塑性區(qū)后,增加開挖跨度會大大增加圍巖塑性區(qū)半徑,影響圍巖穩(wěn)定。楊明哲等[3]通過對超大斷面隧道開挖工程數(shù)值分析,得出雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工拱頂沉降為變形主要來源,中導(dǎo)洞開挖是拱頂沉降最為發(fā)展階段。隨著隧道開挖斷面的增大,開挖對圍巖的擾動也急劇增大,斷面越大圍巖越不容易穩(wěn)定,特別對于軟弱圍巖的超大斷面隧道開挖施工,對隧道支護體系提出了更高的要求[4]。龔彥峰等[5]針對超大斷面富水軟弱圍巖隧道設(shè)計施工的控制措施。張俊儒等[6]研究了超大斷面隧道拆除支撐的安全性研究。但目前,單洞開挖面積在500 m2以上的隧洞工程案例仍然較少,可以借鑒參考的設(shè)計建造經(jīng)驗有限。

本文以清水江白市至分水溪通航隧洞為例,分析軟弱地層中單洞開挖面積達604.22 m2的隧洞圍巖穩(wěn)定性及支護體系受力特性研究,為類似超大斷面隧道設(shè)計和施工提供相應(yīng)理論依據(jù)。

1 依托工程概況

依托項目為貴州省清水江白市至分水溪航道建設(shè)工程上游引航道與主航道中間通航連接段的通航隧洞(見圖1),擬建隧洞位于清水江右岸,隧洞橫穿山脊,地形條件復(fù)雜,按IV級通航標準單線通航設(shè)計,隧洞全長590 m。

圖1 通航隧道衛(wèi)星圖像

區(qū)內(nèi)巖性為淺變質(zhì)巖,構(gòu)造及風化剝蝕作用強烈,地貌類型屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌。隧洞洞身穿越薄至中厚層狀粉砂質(zhì)板巖,縱斷面地質(zhì)圖見圖2,巖石為較軟巖,圍巖等級劃分為V級圍巖(200 m)、IV級(110 m)和III級(280 m)。隧洞最大埋深約115 m,最小埋深位于進口約7 m。

圖2 通航隧洞地質(zhì)縱斷面圖

隧洞內(nèi)輪廓采用受力性能較好的多心圓曲墻斷面,建筑限界凈寬21.00 m、凈高18.50 m;最大開挖寬度24.82 m,開挖高度28.36 m,初支最大開挖輪廓線面積604.22 m2。隧洞淺埋V級圍巖段橫斷面設(shè)計圖見圖3。為充分發(fā)揮隧洞圍巖的自身承載能力,采用長短錨桿結(jié)合加固隧洞周邊圍巖施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑+臨時橫撐工法開挖,主洞超前支護采用直徑×壁厚為76 mm×6 mm超前中管棚,長9 m,環(huán)向間距40 cm,縱向間距7 m。施工工序見圖4。本文以地質(zhì)情況較差,風險較大的淺埋段V級圍巖段開挖過程中圍巖和支護結(jié)構(gòu)受力變形特性展開研究分析。

圖3 通航隧洞V級圍巖段襯砌橫斷面設(shè)計圖(單位:cm)

圖4 通航隧洞施工步序圖(單位:m)

2 數(shù)值模擬試驗

2.1 數(shù)值模型建立

試驗以隧洞洞口段V圍巖開挖支護全過程為對象進行三維數(shù)值分析,洞口埋深淺,地形起伏大,為真實模擬隧道應(yīng)力狀態(tài),需根據(jù)實際地形情況建立模型。模型的左、右及下邊界距離取約4倍的隧道的開挖洞徑,即左、右邊界為100 m,下邊界為96 m,上邊界為地表,隧道軸線方向取100 m。計算模型的左、右、前、后邊界和下邊界均為法向約束,上邊界為自由邊界。分析采用FLAC3D有限元差分軟件,整體模型見圖5。

圖5 通航隧洞洞口軟巖段模型整體圖(單位:m)

2.2 計算參數(shù)選取

數(shù)值模擬計算中,圍巖和二襯均采用實體模型,圍巖本構(gòu)模型采用經(jīng)典的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型,二次襯砌采用彈性模型。錨桿采用桿單元模擬,超前支護采用梁單元模擬,為簡化計算,將初期支護和臨時支護內(nèi)鋼拱架和噴射混凝土通過截面剛度等效為均勻殼體,等效參數(shù)計算為

(1)

式中:E為等效后梁單元的彈性模量;Es為鋼拱架的彈性模量;Ec為噴射混凝土的彈性模量;I為等效支護結(jié)構(gòu)抗彎慣性矩;Is為原設(shè)計鋼拱架的抗彎慣性矩;Ic為原設(shè)計噴射混凝土抗彎慣性矩;A為等效支護結(jié)構(gòu)截面積;As為原設(shè)計鋼拱架的截面積;Ac為原設(shè)計噴射混凝土截面積,b為等效支護結(jié)構(gòu)寬(取1 m);h為等效支護結(jié)構(gòu)厚度。將支護參數(shù)代入式(1),求解得到等效后梁單元的計算參數(shù)(見表1),支護結(jié)構(gòu)單元計算模型見圖6,隧道圍巖物理力學計算參數(shù)見表2。

表1 等效的殼元計算參數(shù)

圖6 通航隧洞支護結(jié)構(gòu)單元圖

表2 圍巖和襯砌物理力學參數(shù)

2.3 隧洞開挖過程模擬

計算中首先施加重力荷載,地應(yīng)力計算平衡后,將初始位移歸零,然后進行開挖過程模擬。隧道施工模擬嚴格按照隧洞施工工法進行,每循環(huán)開挖支護計算收斂后,再進行下一步開挖,直至開挖全部結(jié)束,完成計算。

3 通航隧洞圍巖計算結(jié)果分析

3.1 隧洞圍巖應(yīng)力計算結(jié)果分析

為分析隧洞開挖對周邊圍巖體應(yīng)力的變化的影響情況,計算中監(jiān)測了距洞口50 m斷面AD線上、下洞周圍巖豎向應(yīng)力和BC線左、右洞周水平應(yīng)力的隨各開挖步施工的變化的情況,見圖7。圖7中各曲線分別代表圖4中1～10開挖步對應(yīng)的應(yīng)力水平。從圍巖壓力的釋放曲線可知,距拱頂>5 m后圍壓力釋放率小于58%,距拱頂>10 m圍巖壓力釋放率小于40%;距邊墻處>5 m后圍巖壓力釋放率小于22%,距仰拱底>5 m后,圍巖壓力釋放率小于50%。由此得出結(jié)論:①拱頂處圍巖應(yīng)力水平受隧洞開挖影響范圍較邊墻大,在0～10 m處應(yīng)力釋放較為顯著,因此拱頂系統(tǒng)錨桿可采用10 m長錨桿穿過顯著變形區(qū)域取到懸吊控制圍巖變形作用,同時可在長錨桿間隙打設(shè)5 m短錨桿進一步加固洞周圍巖體,控制松動圈范圍擴展;②邊墻處應(yīng)力釋放變化集中在0～5 m范圍,因此,邊墻系統(tǒng)錨桿加固深度范圍可適當優(yōu)化減小。

圖7 距洞口50 m隧洞四周圍巖應(yīng)力分布示意圖

圍巖破壞形式一般為剪切破壞,破壞準則參考摩爾-庫侖理論,見式(2)。剪切破壞不僅受圍巖的c、φ值影響,還與截面正應(yīng)力大小有關(guān),剪應(yīng)力大的區(qū)域不一定發(fā)生破壞,但可通過計算得到最大剪應(yīng)力的分布情況,了解圍巖最危險的區(qū)域,從而有針對性地采取加固措施。

τ=σtanφ+c

(2)

式中,τ為剪應(yīng)力;φ為內(nèi)摩擦角;c為黏聚力;σ為正應(yīng)力。

圖8為通航隧洞①號掌子面開挖至50 m處洞周圍巖最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變增量分布圖。圖8中最大剪應(yīng)力值主要分布在隧洞邊墻中下部,顯著影響范圍為5 m左右,但圍巖均未發(fā)生剪切破壞。一方面由于圍巖自身參數(shù)較高,另一方面設(shè)計采用的多導(dǎo)洞分部開挖方法和有效的圍巖加固措施,極大地減小圍巖的擾動。

圖8 開挖50 m后隧道圍巖應(yīng)力和應(yīng)變增量分布云圖

由式(2)可知,剪切應(yīng)變增量大小可以從側(cè)面反映圍巖松動圈的發(fā)展情況,圖8中剪應(yīng)變增量變化主要集中于隧洞周邊一定范圍內(nèi),特別在拱頂和仰拱底部增量范圍較大,因此結(jié)論與上節(jié)基本一致。

3.2 隧洞圍巖應(yīng)力計算結(jié)果分析

圖9為距洞口100 m處隧洞開挖后豎向位移、水平位移分布云圖。如圖9豎向位移等值線在拱頂和仰拱呈現(xiàn)花瓣形,最大沉降位于拱頂,約14 mm,仰拱隆起最大值約28 mm;隧洞豎向位移顯著變形的區(qū)域主要集中在隧洞頂、底上下1倍洞徑范圍內(nèi)(25 m左右)。水平位移主要分布于隧道邊墻和拱腳位置,最大值為14 mm,位于下邊墻處。水平位移顯著變形的區(qū)域主要集中在隧洞兩側(cè)40%洞徑范圍內(nèi)(10 m左右)。

圖9 距洞口100 m隧道圍巖位移云圖(單位:cm)

分析圖9可知,隧洞開挖后,隧洞拱部圍巖顯著變形區(qū)域范圍較大,圖10為隧洞開挖過程中縱向剖面圍巖沉降云圖,可見拱頂沉降在7步開挖步后顯著增加,二襯施作完成后逐漸穩(wěn)定。圖11為距洞口50 m斷面,隧洞拱頂上方10 m水平線處圍巖沉降隨施工步的變化曲線,該斷面最終沉降最大值約6.5 mm,位于隧道拱頂中部。圍巖沉降在距離隧道中線約1倍洞徑(26 m處)出現(xiàn)反彎點。隧洞開挖對拱頂上方10 m處圍巖產(chǎn)生的沉降槽影響范圍約為中心線兩側(cè)52 m。

圖10 開挖50 m后隧洞豎向位移剖面云圖

圖11 距洞口50 m隧洞拱頂上方10 m沉降隨施工步變化

4 通航隧道支護結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分析

4.1 初期支護計算結(jié)果分析

隧洞初期支護采用雙側(cè)壁多導(dǎo)坑開挖,二襯澆注前需拆除開挖過程中增加的臨時支撐,在臨時支撐拆除前后,臨時支撐和初期支護處于受力最為復(fù)雜、結(jié)構(gòu)風險最大的時期。圖12為通航隧洞主洞初期支護在拆除臨時支撐前后的彎矩和軸力圖,其中彎矩圖以結(jié)構(gòu)外側(cè)受壓為正,彎矩繪制于結(jié)構(gòu)受壓一側(cè)。

圖12 距離洞口50 m處初期支護受力圖

如圖12所示,拆撐前鋼架正彎矩主要分布在拱頂和仰拱處,最大值為144 kN·m,負彎矩主要分布在拱腳位置,最小值為-95 kN·m。邊墻處彎矩相對較小,但軸力較拱頂和仰拱處要大,最大軸力為4 585 kN(受壓)。拆除臨時支撐后,拱腰和拱腳處負彎矩驟增,負彎矩范圍擴大,最小值為-155 kN·m,同時,邊墻處的軸力驟增,最大值軸力值為5 842 kN(受壓)。在拆除臨時支撐后初期支護彎矩軸力均達到了極值,該段隧洞初期支護受力結(jié)構(gòu)采用30 cm厚C25混凝土+HW200×200型鋼,間距50 cm,參考JTG/T D70-2010 《公路隧道設(shè)計細則》10.4.39進行驗算,初期支護受到彎矩由鋼架承擔,初期支護受到軸力由噴射混凝土和鋼拱架根據(jù)抗壓剛度加權(quán)平均,根據(jù)計算鋼架承受約30%的軸力和100%的彎矩,而噴射混凝土承受70%的軸力。經(jīng)驗算,初期支護噴射混凝土和鋼架均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

圖13為拆除支撐前隧道豎撐和橫撐的彎矩軸力圖。圖中臨時支撐所受最大軸力較主拱架小40%左右,特別是橫向支撐,軸力較小,但彎矩值卻與主洞襯砌彎矩值水平相當,特別在拱架節(jié)點連接部位,彎矩值常出突變,出現(xiàn)極值。最大值位于豎向支撐下臺階位置,為140 kN·m。隧洞臨時支護受力結(jié)構(gòu)采用26 cm厚C25混凝土+I22b型鋼,布置間距50 cm,采用與主洞同樣的方法驗算,臨時支撐噴射混凝土處于安全狀態(tài),但鋼架在豎向支撐下臺階位置局部出現(xiàn)屈服現(xiàn)象?？紤]到模擬計算中臨時支撐本構(gòu)模型采用彈性模型,在支撐與主洞連接的鋼節(jié)點位置會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中,彎矩值突變較大,而實際情況鋼結(jié)構(gòu)為彈塑性體,同時,螺栓連接的鋼架節(jié)點也并非完全剛結(jié),可以有小角度轉(zhuǎn)動,鋼架局部屈服后塑性應(yīng)力重分布也可以改善應(yīng)力集中的受力現(xiàn)象。因此,設(shè)計中可適當提高豎向臨時支撐最下段的結(jié)構(gòu)抗彎能力,加強鋼架節(jié)點處施工質(zhì)量,提高抗變形能力。

圖13 距離洞口50 m初期支護臨時支撐受力圖

4.2 超前支護及系統(tǒng)錨桿計算結(jié)果分析

圖14為隧道超前支護受力計算結(jié)果,由圖可知,主洞超前中管棚在中導(dǎo)洞上導(dǎo)開挖時所承受的荷載最大,其最大彎矩值為120 N·m,其余位置管棚受力較小。側(cè)導(dǎo)坑超前小導(dǎo)管較主洞小很多,最大值為24.9 N·m。因此,在中導(dǎo)洞上臺階開挖時,施工中確保主洞超前中管棚有效施作,對減小圍巖變形,避免塌方具有重要意義。

圖14 主洞及導(dǎo)坑超前小導(dǎo)管彎矩圖(單位:N·m)

圖15為距洞口50 m同一位置處主洞9 m長自進式錨桿和主洞4.5 m長中空注漿錨桿軸力圖,圖中顯示系統(tǒng)錨桿以受拉為主,拱部范圍內(nèi)系統(tǒng)錨桿較其余部位軸力值要大,特別拱部的長系統(tǒng)錨桿,最大軸力值為234 kN,比拱部短系統(tǒng)錨桿最大軸力值162 kN,高44%。邊墻處系統(tǒng)錨桿軸力均較低,且長錨桿與短錨桿的軸力對比不明顯,進一步論證了3.1節(jié)結(jié)論,即大斷面隧道拱部長錨桿效果是明顯有效的,而邊墻處長錨桿效果不明顯,可適當優(yōu)化。

圖15 距洞口50 m處錨桿軸力圖(單位:N)

圖16為隧道二次襯砌受力計算結(jié)果,最大拉應(yīng)力為3.1 MPa,位于隧道進口仰拱位置,最大壓應(yīng)力為4.9 MPa,位于拱腳。二次襯砌最大拉應(yīng)力極值局部超過C40混凝土軸心抗拉強度,但該段二襯為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)能滿足安全性能要求。

圖16 距洞口50 m處二襯主應(yīng)力圖(單位:Pa)

5 結(jié)論

1) 隧洞開挖后,拱頂圍巖應(yīng)力的變化和形變位移具有比邊墻處圍巖影響范圍更廣、影響程度更大的特點,但隧洞最大剪切應(yīng)力主要分布于隧洞邊墻兩側(cè)0～5 m范圍內(nèi)。拱頂沉降顯著影響范圍約為1倍洞徑(25 m),邊墻位置水平位移顯著影響范圍約為40%洞徑(10 m)。拱頂處沉降在中導(dǎo)坑開挖后加速增長,至仰拱施作完成后趨于穩(wěn)定。

2) 隧洞臨時支撐拆除前,臨時支撐結(jié)構(gòu)受力達到峰值,特別在豎撐下導(dǎo)坑位置,彎矩、軸力均達到極值,對豎撐下部結(jié)構(gòu)抗彎性能進行加強,同時還需加強鋼架節(jié)點連接,提高抗變形能力。臨時支撐拆除后,主洞初期支護結(jié)構(gòu)受力達到峰值,拱部和仰拱以受彎為主,邊墻以受壓為主,拱腳處為受力最不利位置。

3) 隧道拱頂處圍巖在中導(dǎo)洞開挖后,變形加劇,通過設(shè)置中導(dǎo)坑拱部的超前中管棚預(yù)加固措施,能有效減小沉降,避免拱部塌方,同時,由于隧洞頂部圍巖形變范圍大,采用高性能長錨桿,受力效果好,能深層錨固于圍巖中,起到懸吊加固松動圍巖,約束拱部變形的效果,而邊墻處圍巖形變范圍小,剪切應(yīng)力大,宜采用注漿型短錨桿,黏結(jié)加固破碎巖體,提高圍巖自身承載能力。