□□ 劉學(xué)軍,張連鑫

(1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046;2.新疆建筑科學(xué)研究院(有限責(zé)任公司),新疆 烏魯木齊 830002)

引言

近年來,伴隨國家西部大開發(fā)以及眾多城市群一體化的發(fā)展新脈絡(luò),城郊與城際間互聯(lián)互通的需求快速增長。隧道因其穿山越嶺的優(yōu)勢在公路建設(shè)中迅速發(fā)展。而隧道工程受限于復(fù)雜地質(zhì)、地形、地貌及工況等因素影響,使得大斷面、小凈距、小埋深和連拱等特殊隧道結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn)[1]。

目前,關(guān)于圍巖力學(xué)性能與淺埋隧道施工變形已有不少學(xué)者做了研究。楊輝等[2]針對軟巖地層中淺埋大斷面隧道進(jìn)洞施工下穿運(yùn)營公路極易造成地表沉降超限、塌方與威脅行車安全這一難題,以貴州省某隧道為例提出洞內(nèi)外綜合加固方案,有效控制了復(fù)雜地形隧道洞口的沉降值和超挖,防止了塌方、冒頂及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。萬小明[3]以麒麟山隧道為研究背景,采用數(shù)值模擬方法針對大斷面圍巖跨度大、軟弱巖體和小埋深等不良影響因素研究得到了大斷面淺埋軟弱圍巖的變形規(guī)律。徐前衛(wèi)等[4]結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬探究圍巖的破壞構(gòu)造力學(xué),發(fā)現(xiàn)淺埋偏壓隧道深埋側(cè)拱腳和淺埋側(cè)拱肩處圍巖更易發(fā)生剪切破壞。McQueen L B等[5]通過對澳大利亞布里斯班隧道的巖體進(jìn)行強(qiáng)度變形機(jī)理研究,針對巖體不連續(xù)性的控制探究出一種新的巖體強(qiáng)度預(yù)測方法。彭學(xué)軍等[6]以鵝嶺隧道為工程背景,采用FLAC3D建模并引入單元安全系數(shù)法,分析了隧道圍巖潛在的破壞形式,確定了三臺階法合理的開挖參數(shù)。謝云鵬等[7]結(jié)合謝家烋圍巖壓力計算理論,改進(jìn)日本山本法支護(hù)結(jié)構(gòu)計算模型,提出一種山嶺淺埋隧道三心圓支護(hù)結(jié)構(gòu)計算模型,為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計算提供一種新方法。張文接等[8]采用有限元數(shù)值對比分析了“管棚與地表注漿”綜合加固與未加固工況下穿施工過程中圍巖的位移及管棚的受力,結(jié)果表明圍巖變形量:拱頂>拱底>拱腰。徐前衛(wèi)等[9]通過力學(xué)模型試驗對滇中典型紅層軟弱隧道圍巖的變性破壞模式及應(yīng)力擾動特征進(jìn)行了詳細(xì)研究。傅立磊[10]依托廈門某超淺埋軟巖大斷面隧道工程利用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試等手段,對隧道下穿路基施工過程的路基與洞室變形機(jī)理及影響因素進(jìn)行分析,并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的控制措施和控制標(biāo)準(zhǔn)。

綜合現(xiàn)有學(xué)者研究來看,在淺埋隧道圍巖破壞形式及變形控制方面的研究成果眾多。而隧道在穿越?jīng)_溝地形時,通常埋深更小甚至達(dá)到超淺埋隧道界限。此類淺埋隧道施工時通常會表現(xiàn)出明顯的縱向效應(yīng)特征,圍巖在形變和應(yīng)力上也會表現(xiàn)出明顯的差異性[11]。擬依托貴州某高速隧道工程,采用有限差分法對隧道在穿越?jīng)_溝地段時圍巖變形情況作出預(yù)測,并探究支護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

1 工程概況

大堡隧道隸屬貴州省黔東南州境內(nèi)雷榕高速第六分部隧道群,隧道起點(diǎn)為大堡村,終點(diǎn)至平永鎮(zhèn)歐灣大橋。隧道右線樁號K48+284-K49+796,長為1 512 m;左線隧道樁號L2K48+296-L2K49+799,長為1 503 m;隧道左右線凈距為6.6～22.4 m。隧道主洞建筑限界為:雙車道凈寬為10.25 m,行車道凈高為5 m,檢修道凈高為2.5 m。隧道為大斷面分離式小凈距長隧道,其中右線隧道里程樁號K48+607-K48+617區(qū)段由JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》[12]取為超淺埋隧道,除此外整體均取為淺埋隧道。

隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山地貌,最高點(diǎn)位于隧道(右洞)中后部,最大高程為656.01 m,最小高程為457.03 m,高差約200 m。隧道進(jìn)出洞口地形為斜坡,斜坡地表植被主要以喬木與灌木結(jié)合。隧道洞身范圍內(nèi)無稍大型斷裂構(gòu)造,巖層呈單斜狀產(chǎn)出,巖層產(chǎn)狀:145°～148°∠45°～54°。大堡隧道淺埋段上覆第四系殘坡積(Q4e1+d1)粉質(zhì)黏土和碎石土,下伏元古界上板溪群清水江組第一段-第二段(Ptbnbq1-2)變余凝灰?guī)r,隧道主要地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。隧道區(qū)地下水類型主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水兩種類型,呈點(diǎn)滴狀和線狀滲出為主。巖體裂隙發(fā)育,呈碎裂狀結(jié)構(gòu),圍巖等級區(qū)分為V級一般,[BQ]=192.93,主要工程地質(zhì)問題為圍巖的穩(wěn)定性。

隧道施工采用上下臺階法開挖,在開挖前采用小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù),待穩(wěn)定后進(jìn)行施工。淺埋段處開挖進(jìn)尺為2 m·d-1,現(xiàn)場開挖后采用“錨噴初支與二次模筑混凝土配合超前支護(hù)”的復(fù)合式襯砌設(shè)計,具體支護(hù)參數(shù)設(shè)計見表1。

表1 Va級圍巖支護(hù)參數(shù)設(shè)計

2 數(shù)值模型建立

依據(jù)JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[13]相關(guān)規(guī)定,隧道先行洞與后行洞錯開100 m施工,故對右洞開挖穿越?jīng)_溝段時可看成單線隧道,忽略左洞施工影響。

利用Flac3D對隧道右線里程K48+585-K48+635進(jìn)行建模,其中里程K48+597-K48+622段地表進(jìn)行錨噴注漿加固,平均加固深度為10 m。由圣維南原理可知[14],隧洞開挖后僅在周圍洞徑3～5倍范圍內(nèi)發(fā)生應(yīng)力重分布。故取隧道橫向長度為80 m,豎向最大尺寸為66.25 m,溝底高為44 m,根據(jù)現(xiàn)場取沖溝坡面傾角45°。隧道斷面最大開挖寬度為12.25 m,凈空高度為9.5 m,采取隧洞周圍局部網(wǎng)格密集,其余地方稀疏將網(wǎng)格劃分,最終隧道模型如圖2所示,共計生成網(wǎng)格71 792個,節(jié)點(diǎn)數(shù)為53 392個。

圖2 隧道網(wǎng)格模型

模型邊界在水平方向上,左右邊界約束水平位移,隧道徑深方向約束前后邊界位移,垂直方向僅約束底部邊界位移,上部邊界設(shè)為自由變形。因埋深較淺忽略圍巖構(gòu)造應(yīng)力,初始應(yīng)力場僅考慮地層自重。分別以軟件內(nèi)置cable、beam和shell單元來模擬隧道錨桿、鋼拱架、初支結(jié)構(gòu)。地表加固區(qū)與超前支護(hù)作等效加固處理,鋼筋網(wǎng)作為結(jié)構(gòu)長期安全儲備,不予考慮。在模型計算中粉質(zhì)黏土與變余凝灰?guī)r均以M-C屈服準(zhǔn)則處理分析。依據(jù)勘察資料及相關(guān)規(guī)范,確定隧道地質(zhì)條件及支護(hù)材料參數(shù),具體見表2。

表2 模型材料參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 豎直沉降分析

取沖溝下隧道斷面K48+612進(jìn)行監(jiān)測,對斷面各點(diǎn)進(jìn)行豎直沉降模擬分析。因模型對稱分布,對斷面各點(diǎn)僅取一側(cè)進(jìn)行分析,分別研究拱頂、拱肩和拱腰三處隨開挖步的沉降變化,繪制各點(diǎn)沉降隨開挖步序變化曲線如圖3所示。

圖3 K48+612斷面各點(diǎn)沉降時程圖

由曲線可知,斷面各點(diǎn)均隨著開挖施工其變形速率由快變緩,大體可分為急速沉降、緩慢沉降和趨于穩(wěn)定三個階段。隧道開挖后圍巖初始暴露期內(nèi),圍巖變形快速發(fā)展,在第14步時距離掌子面1 m處隧道拱頂沉降達(dá)到3.43 mm;后續(xù)變形發(fā)展逐漸減緩,在第19步距離掌子面11 m進(jìn)行下臺階開挖,此時沉降值達(dá)到6.87 mm,開挖即進(jìn)行仰拱支護(hù),此時下臺階隆起值迅速降到1.80 mm;在第21步進(jìn)行斷面二襯支護(hù),此時斷面拱頂沉降達(dá)到7.38 mm,可見兩端鎖腳錨桿以及仰拱噴漿支護(hù)對上拱沉降具有很好的抑制作用;在二襯后圍巖變形開始緩慢逐漸穩(wěn)定,開挖完成最終拱頂沉降為8.25 mm,拱肩和拱腰處分別為7.38 mm和5.29 mm,均未超過規(guī)范允許值。

后續(xù)在施工現(xiàn)場通過全站儀實施監(jiān)測驗證發(fā)現(xiàn)隧道最大拱頂沉降為8.72 mm,與模擬誤差不大,證明模型結(jié)果相對可靠。

3.2 水平位移分析

對沖溝K48+612斷面分別取拱頂和兩側(cè)拱腰、拱腳進(jìn)行模擬,繪制曲線如圖4所示。由圖可知,斷面的收斂范圍主要在拱肩以下位置,在拱頂處幾乎無水平位移,水平方向上各點(diǎn)呈對稱分布。隧道在未開挖到?jīng)_溝斷面時,前方施工引起沖溝斷面各點(diǎn)水平方向上輕微位移;沖溝處剛開挖后發(fā)生后圍巖向水平兩端快速位移,最大的位移值在拱腳處,達(dá)到1.98 mm;到下臺階開挖即仰拱支護(hù)時,水平位移基本穩(wěn)定在4.60 mm,直到施作二襯仰拱基本未有變形,表證二襯支護(hù)對圍巖位移的約束作用;最終穩(wěn)定時,收斂值降至3.67 mm,說明圍巖在水平方向上發(fā)生了往復(fù)運(yùn)動。主要是因為在第18～19步時下臺階開挖,圍巖水平迅速向斷面圓心內(nèi)位移;同時在E30步時下臺階未開挖,對兩端有撐開效應(yīng),隨后E31下臺階開挖,拱腳處在上部圍巖的約束下也快速向內(nèi)遷移。拱腰和拱腳處最終水平位移值為2.20 mm和3.67 mm。

3.3 圍巖塑性區(qū)分析

沖溝從中心斷面開挖后圍巖在不同時期的塑性區(qū)變化如圖5所示?？傮w可以看出,隧洞四周圍巖以受拉伸屈服為主,幾乎不發(fā)生剪切屈服。塑性區(qū)云圖中tension-n表示現(xiàn)在正在屈服,tension-p表示過去處于屈服狀態(tài),現(xiàn)已恢復(fù)為彈性狀態(tài)。對圍巖可能造成破壞的只有tension-n位置,而剪切屈服只發(fā)生在模型兩側(cè)地層的個別位置。

圖5 沖溝斷面塑性區(qū)變化

圖5(a)為圍巖初始暴露期,很明顯在拱肩與拱頂位置發(fā)生拉伸屈服狀態(tài),此時圍巖以受到拉應(yīng)力為主;圖5(b)表示隨著圍巖上部變形變緩,此時已不再受到拉伸屈服,而下臺階受到上拱反作用和拱架抑制等影響,開始向上隆起,臺階中間部分表現(xiàn)為拉伸屈服狀態(tài);圖5(c)顯示在之后兩端拱腳處應(yīng)力集中作用明顯,仰拱兩端表現(xiàn)出拉壓屈服;圖5(d)則說明在后續(xù)開挖中,圍巖擾動仍在拱部上下位置出現(xiàn)一些屈服。另外,在地表處也發(fā)生明顯的拉壓屈服狀態(tài),說明地表隨圍巖共同發(fā)生了部分沉降,且屈服狀態(tài)幾乎都集中在加固區(qū)外,表示地表錨噴注漿提高了地層的剛度,加固效果良好。

3.4 支護(hù)受力特征分析

不同支護(hù)在隧道開挖完成后最終受力或位移情況如圖6所示。由圖6(a)和(b)可以看出,初支襯砌應(yīng)力沿著隧道軸線方向?qū)ΨQ分布。拱頂和拱肩主要承受拉應(yīng)力,仰拱處主要承受壓應(yīng)力。最大拉應(yīng)力在拱頂位置,最小拉應(yīng)力在兩端拱肩處,在兩端拱腳及仰拱兩端壓應(yīng)力較大。最大主應(yīng)力在拱頂位置,為2.997 MPa,最小主應(yīng)力為6.468 MPa。由圖6(c)可知,鋼拱架受力在拱頂周圍以及仰拱處受拉,其余地方受壓。最大拉力在拱頂處,為187.32 kN,最大壓力為525.38 kN。在兩端拱腳處和仰拱腳處應(yīng)力集中區(qū)域連通,鋼拱彎矩也極為明顯,在隧道施工時應(yīng)對底部支護(hù)重點(diǎn)監(jiān)測。由圖6(d)可知,錨桿水平方向上最大位移發(fā)生在兩端拱腳處,且越往拱部上端位移越小,這與圍巖水平收斂值規(guī)律一致;說明圍巖與錨桿支護(hù)結(jié)合良好,錨桿抗拔力得到充分發(fā)揮,錨桿最大水平位移為3.61 mm。

圖6 支護(hù)結(jié)果受力云圖

3.5 地表沉降分析

為探究隧道開挖對地表變形的影響,在地表分別布置測點(diǎn)。其中一組在沖溝溝底位置取任意一側(cè),分別距離軸線處0、5 m、10 m、15 m和20 m處布置測點(diǎn);另一組測點(diǎn)在沿隧道軸線上分別距隧道起點(diǎn)5 m、15 m、25 m、35 m和45 m處布置測點(diǎn)。繪制兩組地表沉降變化曲線如圖7所示。

圖7 地表各點(diǎn)沉降時程變化曲線

由圖可知,在沖溝溝底處地面各點(diǎn)的沉降速率隨著隧道開挖向沖溝靠近,沉降速率越來越快,當(dāng)隧道逐漸遠(yuǎn)離沖溝后,各點(diǎn)沉降速率越來越慢,隨后逐漸穩(wěn)定;各點(diǎn)遠(yuǎn)離隧道中心沉降越來越小,且各點(diǎn)沉降值不隨距離的線性變化而改變。若囊括對稱軸另一邊各點(diǎn)沉降,將會呈現(xiàn)沉降凹槽分布。在隧道軸線方向上,位于沖溝兩端坡面各點(diǎn)沉降并不呈現(xiàn)對稱分布。將沖溝坡面與隧道掘進(jìn)方向相同時稱為“正坡”,相反則稱為“負(fù)坡”?！罢隆本蜻M(jìn)時地表各點(diǎn)沉降速率較快,隨著沖溝逐漸逼近再到遠(yuǎn)離,速率逐漸變緩;但“負(fù)坡”各點(diǎn)沉降速率表現(xiàn)先慢后快,越來越快。這表明隨著隧道開挖整體地層向隧道臨空面的運(yùn)動趨勢大于向坡體臨空面的運(yùn)動趨勢,圍巖的掘空對地表具有一定牽引性,但沖溝能在一定程度上阻止“負(fù)坡”地表的牽引力。

4 結(jié)論

4.1 經(jīng)模型模擬分析可知,開挖完成時,隧道最大拱頂沉降為8.25 mm,拱肩和拱腰處分別為7.38 mm和5.29 mm;最大水平位移為4.60 mm,最終水平位移為3.67 mm,均未超過規(guī)范允許值。可見支護(hù)系統(tǒng)運(yùn)作良好,對圍巖支護(hù)具有一定可靠性。

4.2 隧洞四周圍巖以受拉伸屈服為主,幾乎不發(fā)生剪切屈服。圍巖屈服區(qū)主要集中在拱頂、拱肩與仰拱處。圍巖-支護(hù)系統(tǒng)整體在仰拱兩端存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,施工時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。地表上屈服區(qū)只發(fā)生在加固區(qū)外,說明地表注漿加固效果良好。

4.3 隧道開挖時溝底各點(diǎn)隨隧道臨近沖溝沉降速率逐漸加快,而軸線上“正坡”和“負(fù)坡”各點(diǎn)由于沖溝對二者牽引程度不同導(dǎo)致沉降速率存在縱向差異性。