張永忠,劉 東,韓健勇,*,王慶海,張榮珍,崔中全

(1.甘肅省武威公路事業(yè)發(fā)展中心,武威 733000;2.山東建筑大學 土木工程學院,濟南 250101;3.濟南中央商務區(qū)投資建設集團有限公司,濟南 250101)

隨著我國地下交通運輸業(yè)的快速發(fā)展,早期建造的隧道已無法滿足當下運力需求,亟需新建或對既有隧道進行改擴建。但新建隧道往往周期比較長且造價較高,而將一些老舊落后的既有隧道進行改造升級更加經濟、快速,備受國內外專家學者的關注。既有隧道原位擴建是在建成并運營多年的隧道中再進行擴建,需拆除原隧道結構,再擴挖形成大斷面隧道[1]。

在對既有隧道改擴建施工過程中,將不可避免地會對未拆除隧道既有結構以及圍巖產生擾動或破壞,如何選擇合適的開挖和支護方案,直接影響隧道施工的安全。學者們[2-4]研究了在施工中保持交通完全暢通情況下擴建隧道的施工及支護方法。趙文團隊[5-7]分析擴挖方法和循環(huán)進尺對擴建穩(wěn)定性的影響,通過圍巖環(huán)向應力演化特征的現場實測,驗證了應力變化量計算式的準確性,并研究了單側擴建、雙側擴建型式下圍巖變形及應力隨開挖過程的變化規(guī)律。屈希峰等[8]以金雞嶺隧道擴建項目為依托,利用數值模擬方法得出偏壓隧道不同工況下隧道結構力學響應結果。朱釗釗[9]以黃山洞隧道擴建項目為依托,運用Midas GTS NX有限元軟件分析了圍巖不同因素對塑性區(qū)的分布大小、形狀輪廓的影響。鄭強[10]以大帽山公路隧道為工程依托,對不同開挖面積、施工順序及循環(huán)進尺等條件下的CD工法進行模擬,分析了擴建隧道施工過程中的圍巖和支護結構受力特性。

錨桿支護作為一種有效的初期支護技術,在隧道初期支護中已經廣泛使用。錨桿支護參數是決定隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定的重要因素,值得深入研究。王洪濤等[11]為研究不同錨固長度對巷道圍巖的控制效果,從理論方面推導了錨桿應力分布規(guī)律,建立了不同錨固長度下巷道圍巖力學分析模型,給出了巷道錨桿支護設計的工程建議措施。李鵬飛等[12]基于33座隧道68個監(jiān)測斷面的282根錨桿軸力的統(tǒng)計數據,探討了錨桿軸力的整體分布特征及圍巖級別對其的影響規(guī)律,討論了隧道錨桿軸力的時程變化特征及空間分布規(guī)律。趙東平等[13]對近40年以來國內外公開發(fā)表的隧道錨桿研究論文進行統(tǒng)計和分析,闡述隧道系統(tǒng)錨桿國內外研究現狀,揭示隧道系統(tǒng)錨桿研究的薄弱環(huán)節(jié)。于遠祥等[14]通過將隧道圍巖簡化為理想彈塑性介質,基于錨桿與圍巖的協調變形原理,建立了錨桿與圍巖相互作用的力學模型。趙亞軍等[15]用FLAC 3D軟件對錨桿的長度、間距、預應力值等不同支護參數進行了模擬研究。時常悅等[16]利用數值分析軟件模擬研究了不同錨桿加固范圍對圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律,通過對各錨桿加固范圍下不同結果指標進行參數對比分析,總結其在不受其他因素影響下的變化規(guī)律,給出了錨桿合理的加固范圍。

鑒于此,本文依托既有山嶺隧道擴建工程建立數值模型,通過現場監(jiān)測數據對模型進行驗證,然后基于數值模型研究分析既有山嶺隧道擴建過程中循環(huán)進尺對周圍環(huán)境的影響,錨桿參數對圍巖變形的影響,研究結果可以為今后既有隧道擴建工程提供參考。

1 工程概況

既有山嶺隧道于1924年始建,位于遼寧北票市上園鎮(zhèn)、大板鎮(zhèn)交界處,起訖里程K85+696.5-K86+883.6,全長1187.10 m。既有隧道為淺埋拱形隧道,埋深約23.5 m,輪廓類馬蹄形,襯砌為直墻拱形襯砌,拱部材料采用條石,邊墻采用的混凝土強度等級為C20。原隧道高跨比為1.47,斷面面積為41.3 m2。擴挖后隧道寬度為7.15 m,高度為9.25 m,高跨比為1.29,斷面面積為64.9 m2。隧道線路所在地區(qū)地質構造運動較為顯著,間歇性隆起為主要運動特征,該既有隧道線路所揭露地層為表覆第四系全新統(tǒng)殘地層(Q4el+dl)粗角礫土,下伏侏羅系上統(tǒng)(J3)泥質砂巖。既有隧道入口如圖1所示。

圖1 既有隧道入口

2 數值模型建立及驗證

2.1 計算模型建立

依托V級圍巖埋深最大段工程建立三維有限元數值模型,隧道埋深為22 m,計算模型如圖2所示,隧道位于模型中部,上至地表、側壁和拱底到模型邊界距離均為5倍洞徑。從上至下地層依次為粗角礫土、全風化泥質砂巖、強風化泥質砂巖和弱風化泥質砂巖。土體采用摩爾-庫倫本構模型,既有隧道襯砌、初期支護、二襯及錨桿采用彈性本構,共計72 072個單元,75 081個節(jié)點。模型采取的約束為:上部自由面,下部設置豎向位移約束,左右兩側設置水平位移約束。計算模型地層參數見表1。

表1 計算地層模型參數

圖2 計算模型

2.2 計算模型驗證

既有隧道擴建施工期間采用全站儀對拱頂沉降進行監(jiān)測,施工周期為16 d,提取拱頂沉降模擬值,與現場監(jiān)測值進行對比,結果如圖3所示。由圖3可知,拱頂沉降模擬值與監(jiān)測值在施工過程中的變化規(guī)律相似,拱頂沉降數值模擬最大值為5.1 mm,現場實測最大值為4.8 mm,相差在6%以內。由此可見本文建立的數值模型具有一定的準確性,且計算結果偏于安全。

3 擴建施工關鍵參數分析

基于已驗證的數值模型,分析既有隧道擴建過程中循環(huán)進尺對圍巖變形和地表沉降的影響,錨桿長度以及錨桿縱向間距對圍巖變形的影響,選擇合適的隧道擴建施工方案。

3.1 不同循環(huán)進尺影響分析

既有隧道擴挖時,不同的循環(huán)進尺對地表沉降及圍巖位移影響較大,基于全斷面法,對3種不同循環(huán)進尺(1.0,2.0,3.0 m)進行研究。圖4為不同循環(huán)進尺對應的隧道拱頂豎向位移及地表沉降曲線。最大豎向位移均位于隧道口位置處,隨著距隧道口距離的增大,拱頂豎向位移逐漸減小,在隧道掌子面處位移產生突變。隨著循環(huán)進尺的增大,隧道地表沉降及拱頂沉降均出現逐漸增大的趨勢。循環(huán)進尺過大時,不利于圍巖的穩(wěn)定性,因此隧道開挖時,應控制循環(huán)進尺不能過大,否則容易導致圍巖的失穩(wěn)。

圖5為不同循環(huán)進尺的圍巖水平位移變化曲線,循環(huán)進尺為1.0 m時,最大水平位移為8.22 mm;循環(huán)進尺為2.0 m時,最大水平位移為9.38 mm,較循環(huán)進尺為1.0 m時增大14%;循環(huán)進尺為3.0 m時,最大水平位移為11.77 mm,較循環(huán)進尺為2.0 m時增大25%。隨著隧道開挖循環(huán)進尺的增加,圍巖水平方向位移逐漸增大,且增長速率逐漸變大。循環(huán)進尺的確定還應結合實際施工,循環(huán)進尺太小則會導致施工過程過于繁瑣,因此建議依托既有隧道擴建采用2.0 m循環(huán)進尺。

3.2 錨桿長度對圍巖變形的影響

錨桿長度的確定對于隧道穩(wěn)定性起到了十分重要的作用。錨桿長度太短,起不到支護的作用,錨桿長度太長,則容易造成材料的浪費。針對擴建既有隧道初期支護中的錨桿長度進行參數優(yōu)化研究,錨桿長度分別為2.0,2.5,3.0,3.5和4.0 m,縱向間距為1.0 m。

提取拱頂最大下沉位移、圍巖最大水平位移和掌子面擠出位移隨錨桿長度的變化結果,見圖6。由圖6(a)可以看出,當錨桿長度為2.0 m時,拱頂下沉位移最大,為11.43 mm。隨著錨桿長度的增加,拱頂最大下沉位移逐漸減小,且曲線逐漸趨于平緩,當錨桿長度為4.0 m時,拱頂下沉位移最小,為10.08 mm。當錨桿長度由2.0 m增大到3.0 m時,位移減小速率較大,拱頂最大下沉位移減小約9%。錨桿長度由3.0 m增大到4.0 m時,位移減小速率較小,拱頂最大下沉位移僅減小約3%。由此可以看出,錨桿長度的增加有利于減小圍巖拱頂下沉位移,錨桿長度增大到一定程度,拱頂下沉位移減小不再明顯。由圖6(b)可以看出,當錨桿長度為2.0 m時,圍巖最大水平位移最大,為13.34 mm。隨著錨桿長度的增加,圍巖最大水平位移逐漸減小,且曲線逐漸趨于穩(wěn)定。當錨桿長度超過3.0 m時,位移減小不明顯。當錨桿長度為4.0 m時,圍巖最大水平位移最小,為10.84 mm。當錨桿長度由2.0 m增大到3.0 m時,位移減小速率較大,圍巖最大水平位移減小約16%。錨桿長度由3.0 m增大到4.0 m時,位移減小速率較小,圍巖最大水平位移僅減小約3%?？梢?錨桿長度的適當增加有利于減小圍巖水平位移,當錨桿長度達到一定值時,錨桿長度的增加對圍巖的穩(wěn)定性影響不大。由圖6(c)可以看出,掌子面擠出位移隨錨桿長度增長的變化規(guī)律與水平和豎向位移變化規(guī)律相似,均為在錨桿長度小于3.0 m時,位移減小速率較大,錨桿長度大于3.0 m時,位移減小不再明顯。因此,可以得出,當錨桿長度大于3.0 m時,圍巖的整體變形較小。

圖6 圍巖位移隨錨桿長度變化

3.3 錨桿縱向間距對圍巖變形的影響

在錨桿長度優(yōu)化的結果上,對錨桿縱向間距進行參數優(yōu)化研究,將錨桿縱向間距設為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0 m,分析支護參數對圍巖變形的影響。

提取拱頂最大下沉位移、圍巖最大水平位移和掌子面擠出位移隨錨桿縱向間距的變化結果,見圖7。由圖7(a)可以看出,當錨桿縱向間距為0.5 m時,拱頂最大下沉位移最小,為9.86 mm。隨著錨桿縱向間距的增加,拱頂最大下沉位移逐漸增大,且增長速率呈現先增大后減小的趨勢,錨桿間距為1.0～2.0 m時增長速率較大,當錨桿縱向間距為3.0 m時,拱頂下沉位移最大,為10.90 mm。由此可以看出,錨桿縱向間距的增加會導致圍巖拱頂下沉位移的增加。當錨桿間距較小時,相鄰錨桿之間加固范圍會產生一定的重疊部分,形成加固拱,加固拱能夠有效抵抗圍巖變形,因此圍巖位移較小。隨著錨桿間距的增大,加固拱逐漸消失,因此抵抗變形的能力大大減小。當錨桿間距較大時,錨桿只能起到加固周圍巖體的作用,此時錨桿間距的增加對圍巖變形的影響程度較小。由圖7(b)可以看出,當錨桿縱向間距為0.5 m時,圍巖最大水平位移最小,為9.07 mm。隨著錨桿縱向間距的增加,圍巖最大水平位移逐漸增大,且增長速率在錨桿縱向間距為1.0～1.5 m時最大。當錨桿縱向間距為3.0 m時,圍巖最大水平位移最大,為15.11 mm。當錨桿縱向間距由0.5 m增大到1.0 m時,圍巖最大水平位移增大約9%。錨桿縱向間距由1.0 m增大到1.5 m時,圍巖最大水平位移增大約24%?？梢?錨桿縱向間距超過1.0 m時,圍巖水平位移將會迅速增大。由圖7(c)可以看出,掌子面擠出位移隨錨桿縱向間距增長逐漸增大,掌子面擠出位移最大值約2.0 mm。當錨桿間距小于2.5 m時,增長速率呈現先增大后減小的趨勢,在錨桿間距為3.0 m時出現位移的突變。因此,綜合考慮經濟以及施工效率,錨桿縱向間距建議取1.0 m,此時圍巖各項位移參數雖不為最優(yōu),但在錨桿縱向間距小于1.0 m范圍內圍巖位移變化速率較小,仍可有效限制圍巖變形。

圖7 圍巖位移隨錨桿縱向間距變化

4 結論

本文依托某既有山嶺隧道擴建工程,研究了循環(huán)進尺對擴建穩(wěn)定性的影響,從錨桿長度和錨桿縱向間距方面對錨桿支護參數進行了優(yōu)化研究,得出以下結論:

1) 隨著循環(huán)進尺的增加,圍巖變形逐漸增大,圍巖變形增長的速率顯著增大。循環(huán)進尺的確定還應結合實際施工情況,循環(huán)進尺太小會導致施工過程過于繁瑣。既有隧道擴建工程循環(huán)進尺建議采用2.0 m。

2) 錨桿長度與圍巖變形呈現負相關,隨著錨桿長度的增加,圍巖變形減小速率逐漸減弱,當錨桿長度超過3.0 m時,變形減小不再明顯。

3) 錨桿縱向間距與圍巖變形呈現正相關,隨著錨桿縱向間距的增加,圍巖變形的增長速率逐漸變大。當錨桿縱向間距超過1.0 m時,變形顯著增大。

因此,針對本文工況,既有隧道擴建工程建議采用長度3.0 m、縱向間距1.0 m的錨桿進行支護,循環(huán)進尺為2.0 m進行施工。