賈 鋒 杜永強 楊文波 聶金誠 寇 昊 肖龍鴿

(1.中國建設基礎設施有限公司, 北京 100044; 2.中建隧道建設有限公司, 重慶 401320; 3.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 成都 610031; 4.中國建筑股份有限公司, 北京 100037)

我國西部地區(qū)構造運動活躍、地形復雜,軟弱圍巖一直是隧道工程面臨的一大難題。小凈距隧道因其占地面積小、造價較低等優(yōu)點在雙線隧道中廣泛應用,同時其自身存在變形情況復雜等問題,因此研究小凈距隧道變形規(guī)律具有工程意義。

許多學者對小凈距隧道做了不少相關研究。張志強等對非對稱小凈距隧道展開不同掘進順序的數(shù)值模擬,指出小斷面隧道作為先行隧道掘進時的圍巖整體變形量較小。[1]王小林等基于西安地鐵隧道進行有限元模擬,發(fā)現(xiàn)隧道左、右隧道掘進順序不是影響拱頂沉降和地表變形的決定性因素,但先掘進小斷面利于降低支護結構受力變形。[2]劉春等采用數(shù)值模擬并依托重慶軌道實際工程,對于優(yōu)先掘進小斷面的觀點提出不同看法,指出大斷面作為先行隧道掘進時中巖柱受力更為均勻,整體結構變形量小。[3]胡展基于排頭隧道實際工程探究不同施工工序下圍巖的變形規(guī)律,發(fā)現(xiàn)同時掘進隧道雙隧道對中巖柱產(chǎn)生的變形擾動較小。[4]李偉聰對小凈距隧道受力變形進行了二維數(shù)值模擬,指出隧道全斷面掘進時的變形量大于分部掘進。[5]江帆結合文林山隧道工程研究大斷面淺埋小凈距隧道變形規(guī)律,得出全斷面掘進下隧道先行隧道變形量大于后行隧道。[6]侯福金等將數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結合,指出超大斷面小凈距雙隧道在掘進過程中會互相擾動,且后行隧道掘進產(chǎn)生的影響更大。[7]王更峰等依托魁岐大跨小凈距隧道工程研究不同掘進工法下隧道變形規(guī)律,發(fā)現(xiàn)V級圍巖條件下采用交叉中隔墻法(CRD法)對控制變形有較大優(yōu)勢。[8]陳平結合鄭家塔隧道指出:采用三臺階臨時仰拱法替代施工周期較長的CRD法在隧道變形方面仍能保障安全。[9]林從謀等依托大帽山擴建隧道工程,研究分析中隔墻法(CD法)掘進下隧道隧道身變形規(guī)律。[10]Wu等采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結合的方法研究凈距對隧道變形的影響,指出隧道變形隨凈距的增大而減小,當凈距大于2.5倍隧道徑時變形受凈距的影響較小。[11]

目前對于淺埋小凈距隧道的變形規(guī)律已經(jīng)進行了大量研究,但對于深埋軟巖地質(zhì)環(huán)境下的小凈距隧道變形規(guī)律的研究尚不完善。因此,將依托華麗高速東馬場1號隧道工程,采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的方法,研究左、右隧道不同掘進工法和掌子面間距對隧道變形的影響規(guī)律,以期得到軟巖中深埋小凈距隧道適宜的掘進施工方案。

1 工程概況

華麗高速東馬場1號隧道位于云南省麗江市永勝縣境內(nèi),與程海湖相鄰。該隧道擬建路線里程段地形起伏較大,設計為左、右分離式雙隧道隧道形式,隧道進口如圖1所示。左隧道起點里程ZK70+180,止點里程ZK75+278,隧道全長為5.097 km,最大埋深為621.5 m;右隧道起點里程K70+130,止點里程K75+330,全長為5 210 m,最大埋深為619.6 m。隧道區(qū)海拔高程為1 869.951～2 512.482 m,相對高差為642.531 m,地形崎嶇且多基巖出露,地表植被覆蓋率一般。隧道軟巖占比較大,其中Ⅳ級圍巖厚為3 359 m(占比32.6%),Ⅴ級圍巖厚為3 740 m(占比36.3%)。

圖1 東馬場1號隧道進口

東馬場1號隧道寬度為11.0 m,兩隧道凈距為24 m。根據(jù)JTG D70—2004《公路隧道設計規(guī)范》的規(guī)定(表1)[12],該隧道為小凈距隧道。

表1 分離式獨立雙隧道的最小凈距

2 現(xiàn)場監(jiān)測的軟巖中深埋小凈距隧道變形規(guī)律

2.1 掘進工法和支護方案

華麗高速東馬場1號隧道現(xiàn)場主要采用的掘進工法有:兩臺階掘進、三臺階掘進、左隧道三臺階右隧道兩臺階掘進。

隧道支護結構如圖2所示。超前支護采用φ42×4的熱軋無縫鋼管的超前小導管形式,長為4.5 m,環(huán)向間距為30 cm,布設范圍為拱部120°。初期支護采用φ25中空注漿錨桿,長為300 cm,間距100 cm×80 cm;噴射25 cm厚C25混凝土,鋼拱架采用I18,間距為80 cm。二次襯砌采用50 cm厚C30鋼筋混凝土,預留變形量12 cm。仰拱采用C15混凝土回填。

2.2 隧道變形監(jiān)測結果和大變形等級分析

東馬場1號隧道施工過程中受到軟弱圍巖等不良地質(zhì)條件的影響,隧道結構發(fā)生大變形破壞,產(chǎn)生初支掉塊剝落、鋼拱架扭曲折疊、二襯變形開裂等一系列工程問題,如圖3所示。

為保障施工安全與工程進度,減輕工程病害,隧道在掘進過程中同步進行變形監(jiān)測。在隧道周標記測點并使用全站儀進行監(jiān)測,測量精度為0.1 mm。監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)不同掘進工法下隧道變形差異較大。

選取典型監(jiān)測斷面(表2),對其進行左、右隧道不同掘進工法和掌子面間距的變形規(guī)律分析,其中水平收斂監(jiān)測位置為隧道拱腰處。所選取斷面位于隧道進口處,圍巖巖性基本一致,隨里程號的增大隧道掘進工法逐漸由三臺階轉變?yōu)樽笏淼廊_階右隧道兩臺階,最終左、右雙隧道均采用兩臺階掘進。圖4為左、右隧道均為兩臺階掘進,典型監(jiān)測斷面為K71+414和K71+485;圖5為左、右隧道均為三臺階掘進,典型監(jiān)測斷面為K71+303與K71+372;圖6為左隧道三臺階、右隧道兩臺階掘進,典型監(jiān)測斷面為K71+316和K71+389。每組監(jiān)測斷面中左、右兩隧道均同時掘進,其中左隧道斷面里程號較大,可視為左隧道先行掘進。不同監(jiān)測段落的監(jiān)測時長差異較大,而各工況變形量在第35天后基本穩(wěn)定。為較好地體現(xiàn)不同掘進工法對變形規(guī)律的差異影響,選取前35 d監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。

表2 監(jiān)測斷面

a—拱頂沉降; b—沉降速率; c—水平收斂; d—收斂速率。

a—拱頂沉降; b—沉降速率; c—水平收斂; d—收斂速率。

a—拱頂沉降; b—沉降速率; c—水平收斂; d—收斂速率。

a—拱頂沉降; b—沉降速率; c—水平收斂; d—收斂速率。

對于不同掘進工法下的隧道變形,兩臺階掘進變形最大,左隧道三臺階右隧道兩臺階掘進次之,三臺階掘進最小。兩臺階掘進和三臺階掘進中隧道左隧道變形始終大于右隧道,而左隧道三臺階、右隧道兩臺階掘進的左隧道最終變形量小于右隧道。左、右隧道變形差異隨掘進推進呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,掘進過程中,兩臺階掘進在第10天時變形差異最大,拱頂沉降最大相差156.1 mm,水平收斂最大相差58.2 mm;左隧道三臺階、右隧道兩臺階掘進在第11天時變形差異最大,拱頂沉降最大相差164.7 mm,水平收斂最大相差118.4 mm;三臺階掘進在第10天時變形差異最大,拱頂沉降最大相差49.5 mm,水平收斂最大相差42 mm;對比分析隧道最終變形,三種工況最終拱頂沉降分別為552.0,426.0,328.4 mm,最終水平收斂分別為386.0,331.5,306.1 mm。整體變形以拱頂沉降為主,拱頂沉降相較水平收斂大7.3%～43.0%,這是由于采用臺階法分布掘進造成的。

對于不同掘進工法下隧道的變形速率,兩臺階掘進,三臺階掘進,左隧道三臺階、右隧道兩臺階掘進工法對應的拱頂沉降速率分別在第17、23、27天降至10 mm/d。

隧道變形速率總體呈波動下降趨勢,左隧道在掘進前期相較右隧道的變形速率更快,但隧道右隧道在第15天之后變形速率超過左隧道。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)隧道掌子面間距也對變形存在一定影響。如圖8所示:選取左、右隧道均為兩臺階掘進段落,掌子面間距分別為71,94 m,典型監(jiān)測斷面為K71+323～K71+417和K71+414～K71+485。監(jiān)測結果表明:掌子面間距為71 m時的最終拱頂沉降比間距為94 m時大2.37%,其最終水平收斂大2.58%,兩者最終變形量差距較小。兩種工況拱頂峰值沉降速率均出現(xiàn)在第4天,掌子面間距為71 m的拱頂峰值沉降速率為78 mm/d,掌子面間距為94 m的拱頂峰值沉降速率為47.4 mm/d。掌子面間距為71,94 m的拱頂沉降速率分別在第17天、28天降至10 mm/d,掌子面間距較小的工況前期變形速率更快,變形穩(wěn)定時間更短。

圖8 軟巖小凈距隧道幾何模型 m

研究區(qū)段隧道圍巖分級劃分為Ⅴ級,圍巖為泥質(zhì)砂巖,風化程度較高,受構造影響,裂隙發(fā)育,巖體破碎。研究區(qū)段隧道埋深為215.972～248.568 m,屬于深埋隧道。[13]結合隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和隧址區(qū)地應力場測試結果(表3),根據(jù)軟巖隧道大變形分級標準[14-17](表4),該區(qū)段可能發(fā)生Ⅰ～Ⅱ級大變形。

表3 隧址區(qū)地應力場

表4 大變形分級標準[14-17]

3 不同掘進工法下軟巖中深埋小凈距隧道變形規(guī)律的數(shù)值模擬

3.1 計算模型及參數(shù)

為更加深入分析軟巖中深埋小凈距隧道掘進工法和掌子面間距對隧道變形的影響,選取K71+288泥巖斷面,采用FLAC3D軟件建立計算模型,尺寸為140 m×75 m×100 m,如圖8所示。模型底部和前、后均施加固定約束,上部施加圍巖自重應力8.56 MPa,左、右施加水平構造應力12.86 MPa。圍巖采用軟件自帶的摩爾-庫侖模型,初期支護和二次襯砌采用彈性本構。圍巖和初期支護、二次襯砌采用實體單元,超前小導管和錨桿采用cable單元。圍巖與支護的物理力學參數(shù)見表5、表6。

表5 圍巖物理力學參數(shù)

表6 支護物理力學參數(shù)

3.2 計算工況

為研究不同掘進工法對深埋軟巖小凈距隧道變形的影響,基于現(xiàn)場實測結果設計了的三種相應掘進工法,如圖9所示。在隧道模擬掘進過程中,將實體單元用空模型取代以表示掘進。各工法下隧道均以左隧道先行掘進,掘進進尺為1 m/步,掘進時同步施加支護。三臺階掘進中,上臺階高為2.75 m,中臺階高為2.5 m,下臺階高為3.3 m;兩臺階掘進中,上臺階高為5.25 m,下臺階高為3.3 m。同時為探究兩隧道掌子面間距(圖10)對變形的影響,考慮0,25,50,75 m四種不同掘進掌子面間距的情況,共計12種工況進行掘進模擬,如表7所示。兩臺階、三臺階掘進的關鍵掘進步以及對應工況如表8、表9所示。采用FLAC3D對隧道掘進進行數(shù)值模擬的流程如圖11所示。

表7 掘進方法和掘進間距數(shù)值計算工況

表8 兩臺階掘進的關鍵掘進步對應的工況

表9 三臺階掘進關鍵掘進步對應工況

a—兩臺階掘進; b—三臺階掘進; c—左隧道三臺階、右隧道兩臺階掘進。

圖10 模型掌子面間距示意

圖11 數(shù)值模擬流程

3.3 不同掘進工法的計算結果和分析

為便于分析隧道周圈的變形規(guī)律,如圖12所示布置監(jiān)測點,對隧道左、右兩隧道拱頂沉降、拱肩和拱腰的水平收斂進行監(jiān)測。

圖12 隧道斷面監(jiān)測點布置

3.3.1兩臺階掘進

兩臺階掘進時隧道各監(jiān)測點位移情況如圖13所示。左隧道拱頂沉降大于右隧道,拱頂最終沉降與左隧道水平收斂受掌子面間距影響小,變形穩(wěn)定時間隨掌子面間距增大而增長,模擬結果與現(xiàn)場實測結論基本吻合。隧道掌子面間距分別為0,25,50,75 m的工況,所對應右隧道水平收斂為595.620,572.701,536.178,529.871 m。右隧道水平收斂隨著掌子面間距的增大而減小,當間距達到50 m后減小幅度變緩。

a—左隧道測點(工況1); b—右隧道測點(工況1); c—左隧道測點(工況2); d—右隧道測點(工況2); e—左隧道測點(工況3); f—右隧道測點(工況3); g—左隧道測點(工況4); h—右隧道測點(工況4)。

左、右隧道在掘進約25 m后變形開始大幅增大,拱肩、拱腰位移分別在掘進后約40,50 m處停止高速增長,此后左隧道左側位移隨著掘進進尺的增大而逐漸增大,同時右側位移逐漸減小,且變形量大致相等,這表示隨著掘進的進行,左隧道保持整體形狀基本不變并向左發(fā)生位移,分析可知是右隧道掘進對左隧道的擾動影響。而右隧道變形在達到峰值后基本不再發(fā)生變化。當左、右隧道掌子面間距非零時,右隧道在掘進前會產(chǎn)生向右位移。綜合分析可知:左、右兩隧道掘進都使另一側隧道產(chǎn)生朝兩者相互遠離方向的位移。

3.3.2三臺階掘進

三臺階掘進時隧道各監(jiān)測點位移情況如圖14所

a—左隧道測點(工況9); b—右隧道測點(工況9); c—左隧道測點(工況10); d—右隧道測點(工況10); e—左隧道測點(工況11); f—右隧道測點(工況11); g—左隧道測點(工況12); h—右隧道測點(工況12)。

示。比較分析圖13、圖14,兩種工況隧道變形趨勢大致相同,但在數(shù)值上存在差異。相較兩臺階掘進的施工工法,以三臺階掘進時的變形量普遍要小6%～13%。

在模擬計算中,兩臺階掘進時上臺階高度高,一次掘進形成的斷面過大,導致對圍巖產(chǎn)生強烈擾動,從而影響整體穩(wěn)定性。[18]而三臺階掘進時一次掘進斷面小,對圍巖擾動小,隧道變形量小于兩臺階掘進。此外,兩臺階掘進支護施加時機較晚,圍巖塑性區(qū)面積較大,隧道變形量大。

3.3.3左隧道三臺階、右隧道兩臺階掘進

三臺階掘進工法在控制隧道變形方面要優(yōu)于兩臺階,但其也存在不足之處。三臺階掘進的施工技術復雜,循環(huán)作業(yè)時間長,施工效率較低。此外,三臺階掘進的工序作業(yè)時間短,使得施工作業(yè)人員交接班頻繁,施工成本更高。

由于兩臺階和三臺階掘進工法下左隧道位移均大于右隧道,因此為在控制隧道變形的條件下,盡量縮短施工工期并降低成本,將兩臺階掘進工法中的左隧道隧道以三臺階法進行掘進,該工法下隧道各監(jiān)測點位移情況如圖15所示。

a—左隧道測點(工況9); b—右隧道測點(工況9); c—左隧道測點(工況10); d—右隧道測點(工況10); e—左隧道測點(工況11); f—右隧道測點(工況11); g—左隧道測點(工況12); h—右隧道測點(工況12)。

對比分析圖13～圖15,左隧道三臺階、右隧道兩臺階掘進工法相較兩臺階掘進工法的左隧道變形要小8%～12%,右隧道變形要大0.4%～1.6%;相較三臺階掘進工法的左隧道變形要小0.1%～0.6%,右隧道變形要大9%～13%。該工法相較兩臺階掘進工法減小了原先較大的左隧道變形,從而保障隧道整體結構穩(wěn)定性;相較三臺階掘進工法,雖然在變形量上有所增大,但主要增大的是原先變形較小的右隧道的變形,因此兩種工法左右隧道中最大水平收斂僅相差5%。且該工法在縮短工期、降低成本方面明顯優(yōu)于三臺階掘進。綜上所述,左隧道三臺階、右隧道兩臺階掘進工法在軟巖中深埋小凈距隧道掘進中優(yōu)于三臺階掘進和兩臺階掘進。

模擬結果顯示掌子面間距對隧道拱頂沉降影響較小,而水平收斂受掌子面間距影響較為明顯。該工法下選用不同掌子面間距時隧道左、右隧道水平收斂如表10所示?？芍?左隧道水平收斂小于右隧道,且兩者在數(shù)值上較為接近。水平收斂隨掌子面間距的增大而減小,且在掌子面間距達到50 m后減小幅度緩慢。為控制隧道變形,建議采用掌子面間距50 m以上的掘進工法。

表10 不同掌子面間距下水平收斂值統(tǒng)計

4 結束語

依托華麗高速東馬場1號隧道工程,通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析及數(shù)值模擬,對比研究了軟巖條件下深埋小凈距隧道左、右隧道不同掘進工法和掌子面間距時隧道的變形規(guī)律,得到的主要結論如下:

1)現(xiàn)場變形監(jiān)測結果表明:隧道以拱頂沉降為主,小凈距隧道左、右隧道的掘進工法對隧道變形影響較大;掌子面間距較小的工況前期變形速率更快,變形穩(wěn)定時間更短。隧道變形量從大到小的掘進工法依次為兩臺階,左隧道三臺階、右隧道兩臺階,三臺階掘進。

2)數(shù)值模擬結果表明:軟巖中深埋小凈距隧道在掘進時存在左、右隧道相互擾動的現(xiàn)象,左隧道(先行隧道)變形明顯大于右隧道(后行隧道)。左、右隧道均采用三臺階掘進較均采用兩臺階掘進的變形量減小了6%～13%;左隧道三臺階、右隧道兩臺階掘進中的左隧道(先行隧道)變形量相較雙隧道均采用兩臺階掘進減小了8%～12%,與雙隧道均采用三臺階掘進的變形相近。左、右隧道掌子面間距對拱頂沉降影響較小,而對隧道水平收斂影響較大,隨掌子面間距的增大,水平位移逐漸減小,且在間距達到50 m后變形減小幅度變緩。

3)通過現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬結果對比,兩者均表現(xiàn)為先行隧道變形大于后行隧道,兩臺階掘進變形大于三臺階掘進,隧道拱頂沉降受掌子面間距的影響較小。綜合考慮隧道施工工期、建設成本以及隧道變形控制效果,建議軟巖中深埋小凈距隧道采用先行隧道采用三臺階、后行隧道采用兩臺階的掘進工法,并將掌子面間距控制在50 m以上。