徐淑亮
(中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司,濟(jì)南 250399)
隧道位移是開挖過程中安全性判斷的重要參考之一。在圍巖條件差,開挖段有承壓水的情況下,需要控制隧道位移在最終位移以內(nèi)才能進(jìn)行后續(xù)的開挖工作。在隧道位移變形方面,文獻(xiàn)[1-3]研究了不同圍巖條件、不同開挖支護(hù)方式以及不同施工階段下的隧道最終位移。文獻(xiàn)[4-8]采用彈塑性理論、隨機(jī)介質(zhì)法、Peck 法等理論,對(duì)多種隧道的位移變化規(guī)律進(jìn)行分析,修正并推導(dǎo)出了隧道位移變形的實(shí)用計(jì)算方法。文獻(xiàn)[9-11]采用數(shù)值模擬或模型實(shí)驗(yàn)的方法,以現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)量為依托,對(duì)不同條件下隧道的位移模式進(jìn)行了研究。
上述研究并未將地下水壓條件考慮在內(nèi),當(dāng)隧道經(jīng)過富水地層時(shí),容易發(fā)生突水、突泥事故,給工程施工帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[12-14]基于流固耦合理論,對(duì)不同形式的隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),研究了隧道圍巖的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[15-17]結(jié)合工程量測(cè)數(shù)據(jù),采用數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)的方法,研究了隧道的位移變形、應(yīng)力及滲透壓力的變化規(guī)律。
此外,根據(jù)不同的地質(zhì)條件,需要選擇合適的開挖支護(hù)方法,以保證隧道開挖的安全性和高效性[18]。文獻(xiàn)[19-20]采用數(shù)值模擬方法,研究了不同隧道開挖方式對(duì)隧道圍巖變形和穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[21-24]研究了不同的隧道開挖方式對(duì)隧道周邊建筑土體的影響,包括臨近隧道、周圍地層和地表建筑等。上述研究對(duì)各種開挖方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估,對(duì)隧道工程施工具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。
本文考慮地層水壓力的變化,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程量測(cè),研究初期支護(hù)條件下隧道圍巖位移的變化規(guī)律,分析含水層水壓、隧道埋深、側(cè)壓力系數(shù)和開挖方式等影響因素對(duì)隧道斷面最終位移和穩(wěn)定性的影響。
對(duì)香爐山隧洞2#洞DL I BK0+740~DL IBK0+840 段進(jìn)行數(shù)值模擬分析。DL I BK0+740~DL I BK0+788 施工段為Ⅳ級(jí)圍巖條件,DL I BK0+788~DL I BK0+840 施工段經(jīng)過活動(dòng)斷裂帶,傾角15°,為Ⅴ級(jí)圍巖條件。經(jīng)過調(diào)查,在DL I BK0+816~DL I BK0+840 施工段上方存在承壓含水層,隧道側(cè)壁滲水嚴(yán)重,存在高外水壓力問題和突水突泥風(fēng)險(xiǎn)。
依據(jù)施工設(shè)計(jì)資料,采用FLAC3D 建立隧道開挖支護(hù)模型如圖1 所示。模型縱向長(zhǎng)100 m,橫向長(zhǎng)度70 m,垂直長(zhǎng)度70 m,活動(dòng)斷裂帶傾角15°,隧道埋深375 m,開挖形狀為圓形,直徑10 m,后方開挖周邊位置存在24 m 長(zhǎng)含水層,水壓1.5 MPa。隧道初期支護(hù)的注漿錨桿和鋼拱架采用FLAC3D 內(nèi)置的Cable 單元進(jìn)行模擬,圍巖物理參數(shù)見表1。
表1 圍巖物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of surrounding rock
圖1 隧道開挖和初期支護(hù)模型Fig.1 Tunnel excavation and initial support models
隧道開挖前,約束模型底部x,y和z方向的位移及側(cè)部法方向的位移,頂部為應(yīng)力邊界,依據(jù)隧道埋深在模型頂部施加豎直方向應(yīng)力,以巖石自重和上覆巖層重量形成初始應(yīng)力場(chǎng)。在進(jìn)行流固耦合計(jì)算時(shí),設(shè)置模型縱向0~76 m 范圍內(nèi)圍巖為不透水條件,76~100 m 范圍內(nèi)含水圍巖為飽和透水條件。透水模型頂部和底部為透水邊界,孔隙水壓力為固定值,模型側(cè)面為不透水邊界,初始模型水壓力根據(jù)水力梯度與埋深線性增加。
參考實(shí)際工程初期支護(hù)布設(shè)形式,在Ⅳ級(jí)圍巖施工段,設(shè)置注漿錨桿長(zhǎng)度5.5 m,間距1.25 m;鋼拱架間距0.6 m,噴混凝土厚度0.2 m;在Ⅴ級(jí)圍巖施工段,設(shè)置注漿錨桿長(zhǎng)度8 m,間距1.25 m;鋼拱架截面積35 cm2,間距0.5 m,噴混凝土厚度0.25 m,支護(hù)物理參數(shù)見表2。
表2 支護(hù)物理參數(shù)表Table 2 Support physical parameters table
模型初始地應(yīng)力平衡計(jì)算完成后執(zhí)行隧道開挖操作。隧道開挖方式為上下兩臺(tái)階開挖,開挖進(jìn)尺2 m,開挖步驟如下:第1 步平衡地應(yīng)力計(jì)算;第2 步上臺(tái)階開挖;為減少模擬時(shí)間,第3步上臺(tái)階初期支護(hù)和下臺(tái)階開挖同時(shí)執(zhí)行;第4步下臺(tái)階初期支護(hù)與后方上臺(tái)階開挖同時(shí)執(zhí)行。之后循環(huán)第3 步和第4 步直至開挖結(jié)束,每步結(jié)束模擬計(jì)算一次。
隧道模型斷面縱向每隔3 m 設(shè)置一組監(jiān)測(cè)點(diǎn),其設(shè)置位置如圖2(a)所示。各斷面位置的拱頂沉降與1-5 測(cè)線、2-4 測(cè)線的最終位移如圖2(b)所示。
圖2 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置和圍巖最終位移曲線Fig.2 Tunnel monitoring points layout and final surrounding rock displacement curve
由圖2(b)可知,隧道從Ⅳ級(jí)圍巖施工段開挖至Ⅴ級(jí)圍巖含水地段,隧道各測(cè)線的最終位移逐漸增加。取各區(qū)段圍巖最終收斂位移的平均值,在Ⅳ級(jí)圍巖地段,隧道拱頂沉降最終位移為24.21 mm,2-4 測(cè)線最終位移為10.53 mm 左右,1-5 測(cè)線最終位移為18.58 mm 左右;在Ⅴ級(jí)圍巖地段,隧道拱頂沉降最終位移為30.00 mm 左右,2-4 測(cè)線最終位移為15.66 mm 左右,1-5 測(cè)線最終位移為23.74 mm 左右;在Ⅴ級(jí)圍巖含水地段,隧道拱頂沉降最終位移為38.72 mm 左右,2-4 測(cè)線最終位移為21.45 mm 左右,1-5 測(cè)線最終位移為33.00 mm 左右。
在香爐山隧洞2#洞DL I BK0+740~DL I BK0+840 段布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),位置如圖2(a)所示,獲取新開挖段的拱頂沉降和側(cè)邊收斂數(shù)據(jù)。每隔10 m布置一個(gè)監(jiān)控?cái)嗝?。選取樁號(hào)DL I BK0+750,DL I BK0+770,DL I BK0+790,DL I BK0+810,DL I BK0+820,DL I BK+830 上的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)位移隨時(shí)間變化曲線如圖3 所示。
圖3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)位移隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Field monitoring displacement change curves with time
由圖3 可知,隧道拱頂沉降和側(cè)邊收斂位移隨開挖時(shí)間的變化規(guī)律呈現(xiàn)出相似性,均是在開挖后10~15 d 內(nèi)迅速增加,之后隨著后方隧道的開挖擾動(dòng),位移緩慢增加,最終在一個(gè)月左右之后收斂位移不再明顯變化,隧道達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。斷面的三條測(cè)線中,拱頂沉降最終位移最大,1-5測(cè)線收斂最終位移次之,2-4 測(cè)線收斂最終位移最小。隧道DL I BK0+750,DL I BK0+770 經(jīng)過Ⅳ級(jí)圍巖地段,DL I BK0+790,DL I BK0+810段經(jīng)過Ⅴ級(jí)圍巖地段,DL I BK0+820,DL I BK0+830 段經(jīng)過Ⅴ級(jí)圍巖含水地段,隨著圍巖地質(zhì)環(huán)境條件逐漸變差,隧道拱頂沉降和側(cè)邊收斂的最終位移逐漸增加。以各監(jiān)測(cè)部位后10 d 的收斂平均值作為監(jiān)測(cè)部位收斂的最終位移,則拱頂沉降最終位移變化范圍為15.46~24.29 mm,1-5測(cè)線最終位移變化范圍為11.57~19.58 mm,2-4測(cè)線最終位移變化范圍為8.93~13.80 mm。
數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)取得的斷面最終位移隨空間的變化規(guī)律具有相似性:兩種方法下隨著隧道周邊地質(zhì)環(huán)境條件變差,隧道各測(cè)線的最終位移逐漸增加。同一斷面拱頂沉降最終位移最大,1-5 測(cè)線最終位移次之,2-4 測(cè)線收斂位移最小。隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)與開挖模擬的最終位移數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。
表3 不同地質(zhì)條件下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬的最終位移Table 3 Final displacement of field monitoring and numerical simulation under different geological conditions
表3 中,占比一欄為實(shí)際量測(cè)最終位移的平均值占開挖模擬最終位移的百分比。由表3 可知,同一監(jiān)測(cè)部位,數(shù)值模擬得到的最終收斂位移均大于現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果,原因在于隧道開挖時(shí)存在先行位移[25],其隨著掌子面的推進(jìn)而產(chǎn)生,占總位移值的20%~30%,而監(jiān)測(cè)點(diǎn)在初期支護(hù)完成后才能進(jìn)行布置,因此監(jiān)控量測(cè)所得最終位移值小于隧道巖體實(shí)際位移,僅占巖體實(shí)際位移的60%~70%。由表2 可知,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)最終收斂位移數(shù)值多數(shù)滿足前述要求,僅Ⅳ級(jí)圍巖2-4測(cè)線現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)位移占開挖模擬的85.1%,在前述范圍值外,推測(cè)可能該處監(jiān)測(cè)點(diǎn)未布置在標(biāo)準(zhǔn)位置。以上數(shù)據(jù)對(duì)比表明了本次數(shù)值模擬結(jié)果的正確性和合理性。
接下來,本文采用數(shù)值模擬的方式研究含水層水壓、隧道埋深、側(cè)壓力系數(shù)和開挖方式等條件對(duì)隧道斷面最終位移和穩(wěn)定性的影響。
假設(shè)開挖隧道周圍水壓力均勻分布,研究Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖在初期支護(hù)條件下水壓力對(duì)隧道最終收斂位移的影響。由于1-5 測(cè)線和2-4 測(cè)線位移均是隧道不同位置的水平收斂位移,為方便起見,后續(xù)只對(duì)隧道拱頂沉降和1-5 測(cè)線位移,即隧道豎向位移和水平位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圍巖及支護(hù)狀態(tài)下拱頂沉降和1-5 測(cè)線的最終位移隨含水層的壓力變化如圖4 所示。
圖4 隧道水壓與圍巖位移變化關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of tunnel water pressure and surrounding rock displacement
由圖4 可知,不同圍巖支護(hù)狀態(tài)下隧道的最終收斂位移隨水壓力變化的規(guī)律具有相似性。在含水段水壓力較小時(shí),隧道拱頂沉降和水平收斂的最終位移隨著水壓力的增長(zhǎng)呈線性增加。當(dāng)水壓力增長(zhǎng)到一定程度后,隧道拱頂沉降和水平收斂最終位移的增長(zhǎng)速率變大,最終模型計(jì)算不收斂。由此推斷水壓力較大時(shí),隧道周圍巖體發(fā)生破壞,支護(hù)作用接近極限,圍巖變形顯著增加;當(dāng)水壓力繼續(xù)增加,超出隧道周圍巖體和支護(hù)所能承受的范圍,可能發(fā)生隧道坍塌、開挖面突水等事故。
在相同水壓狀態(tài)下,Ⅴ級(jí)圍巖條件隧道的最終收斂位移大于Ⅳ級(jí)圍巖條件隧道的最終收斂位移。Ⅴ級(jí)圍巖隧道模型最終位移計(jì)算不收斂的臨界水壓力為4 MPa,Ⅳ級(jí)圍巖隧道模型最終位移計(jì)算不收斂的臨界水壓力為6.2 MPa。臨界水壓力狀態(tài)下Ⅳ級(jí)圍巖隧道最終位移略高于Ⅴ級(jí)圍巖條件隧道的最終位移。由此可知,在隧道開挖時(shí),較好的圍巖條件能夠承受更大的水壓力。
研究結(jié)果與以往學(xué)者得到的滲水壓力對(duì)隧道位移的滲透規(guī)律相似[14,17],隨著水壓力的增長(zhǎng),開挖變形加劇。本文通過觀察不同水壓作用下塑性區(qū)的變化,進(jìn)一步分析水壓對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。圖5 表示Ⅴ級(jí)圍巖不同水壓p條件下隧道開挖并進(jìn)行初期支護(hù)后塑性區(qū)的分布情況,由圖5可知,當(dāng)水壓為0 MPa 時(shí),隧道洞室周圍4~8 m內(nèi)圍巖發(fā)生剪切塑性破壞。隨著水壓的增大,塑性區(qū)范圍逐漸增加,呈X 狀向圍巖內(nèi)部延伸。當(dāng)水壓為6.2 MPa 時(shí),隧道周圍的塑性區(qū)擴(kuò)展延伸至模型邊界,局部出現(xiàn)拉伸破壞,隧道開挖進(jìn)深8 m 后,模型計(jì)算不再收斂,此時(shí)可以認(rèn)為襯砌及錨桿支護(hù)能力失效,隧道失穩(wěn)。
圖5 不同水壓下隧道周圍塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone around tunnel under different water pressure
設(shè)置開挖隧道模型為Ⅳ級(jí)圍巖和支護(hù)條件,研究隧道埋深、圍巖側(cè)壓系數(shù)對(duì)于隧道開挖最終位移的影響,當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ 為1 時(shí),隧道埋深對(duì)隧道開挖的最終位移影響如圖6 所示。埋深H為375 m 時(shí),圍巖側(cè)壓力系數(shù)對(duì)隧道開挖的最終位移影響如圖7 所示。
圖6 隧道埋深與圍巖位移變化關(guān)系曲線(λ=1)Fig.6 Relation curve of tunnel buried depth and surrounding rock displacement (λ=1)
圖7 側(cè)壓力系數(shù)與圍巖位移變化關(guān)系曲線(H=375 m)Fig.7 Relation curve of side pressure coefficient and surrounding rock displacement (H=375 m)
由圖6 可知,隨著開挖隧道埋深的增加,隧道拱頂沉降和水平收斂的最終位移呈線性增長(zhǎng),其原因在于隧道埋深的增加會(huì)使得開挖隧道周邊的圍巖應(yīng)力隨之增加,進(jìn)而增大開挖隧道整體的變形。結(jié)果與張藝騰等[3]模擬計(jì)算所得埋深對(duì)隧道最終位移影響規(guī)律具有一致性。
由圖7 可知,隨著圍巖側(cè)壓系數(shù)的增加,隧道水平收斂的最終位移呈線性增長(zhǎng);隧道拱頂沉降受側(cè)壓系數(shù)影響較小,拱頂沉降的最終位移隨著圍巖側(cè)壓系數(shù)的增大而略微減小,最終沉降距離在10 mm 左右。其原因在于隨著圍巖側(cè)壓系數(shù)的增加,圍巖水平應(yīng)力也會(huì)隨著增大,使得隧道水平方向上的變形增加。另一方面,盡管圍巖垂直應(yīng)力不受側(cè)壓力系數(shù)改變的影響,但隧道水平方向應(yīng)力變形的增加限制了隧道垂直方向變形的發(fā)展,使得隧道垂直方向的變形略有減小。
不同的開挖方式對(duì)圍巖的擾動(dòng)不同,導(dǎo)致隧道圍巖的應(yīng)力重分布情況也存在較大的差異[19],研究臺(tái)階法、中隔壁墻法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法3 種開挖方式對(duì)隧道位移的影響,3 種開挖模型如圖8 所示,模擬實(shí)現(xiàn)方法如下。
圖8 隧道不同開挖方式模型Fig.8 Model of different excavation methods of tunnel
臺(tái)階法是隧道開挖施工的基本方法之一,將隧道整個(gè)開挖面分為豎直方向上的幾層,由上向下進(jìn)行分層開挖。臺(tái)階法隧道開挖模型如圖8(a)所示:將隧道開挖面豎直方向分為兩層,第一步開挖上臺(tái)階Ⅰ并進(jìn)行初期支護(hù),第二步開挖下臺(tái)階Ⅱ并進(jìn)行初期支護(hù),每開挖一步進(jìn)模擬計(jì)算一次,之后依次循環(huán)開挖新的斷面。
中隔壁墻法又稱CD 法(center diaphragm method),常用于軟弱圍巖大跨度隧道中,將隧道分為左右兩部分,首先開挖隧道一側(cè),并在設(shè)計(jì)中間部位施作中隔壁墻,然后再開挖另一側(cè)。中隔壁墻法開挖模型如圖8(b)所示:將隧道開挖面劃分為4 個(gè)小斷面,從左向右依次分步開挖Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ 4 個(gè)斷面并進(jìn)行初期支護(hù),最后拆除中隔壁墻,每開挖一步進(jìn)模擬計(jì)算一次,之后依次循環(huán)開挖新的斷面。
環(huán)形開挖預(yù)留核心土法,適用于一般土質(zhì)或易坍塌的軟弱圍巖、斷面較大的隧道施工。一般情況下將斷面分成環(huán)形拱部、上部核心土、下部臺(tái)階等部分進(jìn)行開挖。環(huán)形開挖預(yù)留核心土法隧道開挖模型如圖8(c)所示:將隧道分為圖中5 個(gè)部分,依次分步開挖Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ 5 個(gè)斷面并進(jìn)行初期支護(hù),每開挖一步進(jìn)模擬計(jì)算一次,之后依次循環(huán)開挖新的斷面。
3種開挖方式在Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖富水條件下隧道圍巖的最終收斂位移見表4。
表4 不同開挖方式下隧道圍巖的最終位移Table 4 The final displacement of tunnel surrounding rock under different excavation methods
由表4 可知,在不同圍巖地質(zhì)條件下,3 種開挖方式所得隧道開挖最終位移大小具有共同的特征。對(duì)比3 種開挖方法的拱頂沉降最終位移,臺(tái)階法位移>環(huán)形開挖預(yù)留核心土法位移>中隔壁墻法位移。對(duì)比3 種開挖方法水平收斂最終位移,中隔壁墻法位移>臺(tái)階法位移>環(huán)形開挖預(yù)留核心土法位移,該結(jié)論與徐東強(qiáng)等[2]研究所得開挖方式對(duì)隧道最終位移的影響規(guī)律相似。但管新邦[20]研究中得到開挖預(yù)留核心土法與臺(tái)階法兩種開挖方式對(duì)于隧道位移影響差異較小,原因在于本文研究隧道處于深埋條件下,而管新邦[20]研究中隧道處于淺埋條件,開挖方式對(duì)隧道位移影響程度不明顯。
3種方法中,中隔壁墻法對(duì)隧道拱頂沉降的控制效果最好,環(huán)形開挖預(yù)留核心土法對(duì)于隧道位移收斂的整體控制效果最好,兩種方法的劣勢(shì)在于開挖步驟較多,施工周期長(zhǎng),不利于機(jī)械化作業(yè)。臺(tái)階法對(duì)于隧道最終位移的控制效果較差,其優(yōu)點(diǎn)在于施工工序較少,靈活性較強(qiáng),適用范圍廣。
本文根據(jù)香爐山隧道實(shí)際圍巖支護(hù)和含水條件建立了隧道開挖支護(hù)模型,對(duì)模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得的隧道最終位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。兩種方式所得隧道的最終位移數(shù)值接近,在不同圍巖地質(zhì)條件下具有相同的變化規(guī)律,驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。通過與前人所得隧道位移影響因素和規(guī)律進(jìn)行比較分析,獲得結(jié)論如下。
隧道開挖時(shí),較好的圍巖條件能夠承受更大的水壓力,不同圍巖支護(hù)狀態(tài)下隧道的最終收斂位移隨水壓力變化的規(guī)律具有相似性。在含水段水壓力較小時(shí),隧道拱頂沉降和水平收斂的最終位移隨著水壓力的增長(zhǎng)呈線性增加。當(dāng)水壓力增長(zhǎng)到一定程度后,隧道拱頂沉降和水平收斂最終位移的增長(zhǎng)速率變大,圍巖剪切塑性區(qū)呈X 狀延伸至模型邊界,隧道發(fā)生失穩(wěn)破壞。
隨著開挖隧道埋深的增加,隧道拱頂沉降和水平收斂的最終位移呈線性增長(zhǎng);隨著圍巖側(cè)壓系數(shù)的增加,隧道水平收斂的最終位移呈線性增長(zhǎng),拱頂沉降的最終位移略微減小,原因在于隧道水平方向應(yīng)力變形的增加限制了隧道垂直方向變形的發(fā)展,使得隧道垂直方向的變形略有減小。
中隔壁墻法和環(huán)形開挖預(yù)留核心土法對(duì)于隧道的位移收斂具有較好的控制效果,缺點(diǎn)在于開挖步驟較多,不利于機(jī)械化作業(yè)。臺(tái)階法對(duì)于隧道最終位移的控制效果較差,其優(yōu)點(diǎn)在于施工工序較少,靈活性比較強(qiáng)??筛鶕?jù)不同地質(zhì)條件和安全要求采用不同的開挖方案。