大斷面小凈距隧道施工力學響應研究

羅玉虎,汪 波

(1.重慶交通大學土木建筑學院,重慶 400074;2.西南交通大學地下工程系,成都 610031)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展、交通的迫切需求,三車道及其以上的大斷面公路隧道不斷涌現。由于受地形、地質條件限制以及隧道分建帶來的展線困難與占地多等因素的影響,大斷面小凈距隧道方興未艾[1]。

三車道大斷面小凈距隧道在國內外并不多見,其支護結構的受力特征與圍巖的穩定性均較為復雜,并與施工方法的選擇、施工過程的選用息息相關[2-4]。截至目前,國內并無成熟的經驗可供借鑒,基于此,以軟弱圍巖(Ⅴ級圍巖)條件下大斷面小凈距隧道為研究對象,深入分析不同施工方案及步驟條件下的圍巖力學行為特征將具有工程指導意義。

1 模型建立及參數選取

根據鄭家山隧道的具體情況,計算選取Ⅴ級圍巖。埋深 30 m,隧道凈距 14 m。對于模型邊界條件,在隧道橫斷面方向取 3～5倍洞徑,垂直方向在拱底以下取5倍洞徑[5],頂部取實際埋深,其計算模型見圖1。

計算模型中,初期支護噴混凝土采用梁單元予以模擬,初期支護中錨桿對圍巖的錨固作用采取提高其黏聚力的方式予以考慮[6]。模型中預設錨桿加固區,計算中采取改變材料參數方式來實現錨桿的對圍巖的錨固作用。二次襯砌及圍巖采用平面單元予以模擬,具體力學參數見表1。

圖1 隧道有限元模型

計算采用平面應變彈塑性本構模型、D r u k e r-P r a g e r屈服準則和相關聯流動法則。通過設置不同開挖步模擬隧道開挖階段,并對各開挖步在不同荷載增量步加設錨噴支護或襯砌結構來模擬支護施作時機的影響,由此達到對隧道開挖施工過程的模擬[7]。

表1 圍巖與襯砌結構的物理力學參數

2 施工方案的擬定

從目前的施工技術水平出發,適應大斷面的開挖方法有以下幾種:上半斷面超前短臺階法、C D(中壁)法、C R D法、雙側壁導坑法、全斷面法。本文選取臺階法、C D法、雙側壁導坑法等 3種施工方案進行數值模擬對比分析,以確定該條件下大斷面小凈距隧道最優化施工方法,詳細列示如圖2。

圖2 施工方案示意

另針對雙側壁導坑法,選擇了幾不同的施工步驟,以確定最優化施工步驟。為便于比較,均采用先左洞、后右洞的施工順序。

方案 C每洞均為從內側而外側施作。方案 D為每洞均為由外側而內側施作,方案 E為先左洞內側,后左洞外側,爾后施作右洞內側、外側,最后施作中間部分。

3 結果分析

3.1 不同施工方案下的圍巖變形

對不同施工方案的不同開挖步下拱頂及拱底的位移進行監測,得到不同施工方案的特征點位移變化曲線,見圖3。

圖3 各施工方案特征點圍巖變形曲線

從特征點的位移變化可見,隨開挖、支護的進行,拱頂、拱底均出現指向洞內的位移,拱頂產生沉降,拱底產生隆起,終在隧道修建完成后穩定。

三種工法中,臺階法對于拱頂及拱底變形的控制最為不利,由于對拱頂、拱底的約束和支撐不足,從而使拱頂、拱底最大位移早早產生,分別為 8.04 mm和8.95 mm。C D法由于對于拱頂、拱底的豎向變形加以限制,從而使最值出現較晚,量值也小于臺階法,分別為 6.08 mm和 8.02 mm。雙側壁導坑法對于拱頂、拱底的支撐較強,故對其變形的控制較好,最大值的發生明顯晚于前兩種工法。其拱頂位移也明顯小于臺階法與 C D法 ,為 5.12 mm。

3.2 不同施工方案下的圍巖受力分析

大斷面小凈距隧道的中巖柱由于開挖產生應力疊加,常處于較為不利的狀態,故選取 5個特征點(如圖4所示),觀察其在不同施工方案下圍巖最大、最小主應力的變化,詳示于表2。

圖4 圍巖應力特征點示意

從表2可見,三種工法的圍巖應力較大值均出現在 D點,其中臺階法的結果最甚,中巖柱最小主應力最大為 1.37 MPa,C D法為 1.22 MPa,雙側壁導坑法為1.12 MPa,可見,采用臺階法施工時,圍巖應力集中最為嚴重。

表2 各方案下特征點主應力

3.3 不同施工方案下的地表沉降

施工方法不同,對地表的影響也不同[8]。從各工法施工得到的地表沉降曲線(圖5)可見,三種工法中,采用雙側壁導坑法開挖引起的地表沉降值最小,為1.95 mm,C D法次之,為 2.77 mm,臺階法較差,為4.79 mm。

大斷面小凈距隧道的開挖,將引起左、右洞地表沉降槽的疊加,凈距愈小,疊加效應愈明顯。如圖6所示,以臺階法為例詳析之。當左洞開挖、支護完成時,地表沉降的最大值出現在左洞上方,為 1.42 mm,而隨著右洞開挖,位移發生疊加,峰值位移逐漸向右洞偏移,最終至隧道修建完成達最大值。

圖5 各方案地表沉降曲線

3.4 不同施工方案下圍巖穩定性分析

在進行隧道開挖與支護時,各工法在右洞施工時,左洞的塑性區均受到影響,產生的塑性區范圍也隨之擴大。從中巖柱的塑性區大小來看(見圖7),臺階法屈服區范圍較大,臺階法的最大塑性應變達 4.3‰。C D法和雙側壁導坑法的最大塑性應變分別為 1.6‰和 1.0‰,僅為臺階法的 37.2%和 23.3%。

圖6 地表沉降發展變化曲線

圖7 三種施工方案塑性區分布

臺階法開挖時,由于開挖斷面較大,圍巖約束解除的比較快,不利于控制圍巖的變形。而雙側壁法和 C D法先開挖兩側導洞,同時采用中隔墻支護,有效地減小了隧道開挖跨度,加強了對圍巖的約束,所以圍巖相對不易屈服。

3.5 不同施工過程的結果分析

采用不同的開挖步驟進行施工,同樣會帶來隧道力學行為的改變。鑒于此,針對較復雜的雙側壁導坑法,對方案 C、D、E進行比較分析。

1)圍巖變形分析 對比方案 C、D、E拱頂、拱底最大變形(見表3)可知,不同施工過程對圍巖變形有一定的影響。在地層條件相同的情況下,同為先施作左洞,其兩側孰先孰后影響并不大。而左右洞開挖順序的變化對控制圍巖變形是有效的,從方案 E拱頂的變形明顯減小可見一斑。

2)圍巖受力分析對于不同施工過程圍巖受力的考察,仍采用圖4所示的 5個特征點,詳見表4。由特征點最小主應力可見,三種方案由于施工過程不同,導致應力分布的改變。采用方案 D施工時,中巖柱最小主應力最大值為 0.84 MPa,方案 E為 0.93 MPa,方案C為 1.12 MPa,三者相差不大。

表3 拱頂、拱底最大變形 mm

表4 方案 C、D、E最小主應力 MP a

3)圍巖穩定性分析 從圖8可見,方案 E對于控制中巖柱塑性變形的發展效果最好,其塑性區范圍最小,而方案 D次之,方案 C(見圖7)較差。

圖8 不同施工步驟下塑性區分布

方案 C、D均為先開挖左洞,支護完成后開挖右洞。盡管支護及時,圍巖塑性區仍會有較大的發展,方案 E為先開挖兩洞的兩側導洞,保留了中部核心土對洞室的支持,有效抑制了圍巖塑性區的伸展。故在采用雙側壁導坑法時,應有效利用中部核心土對洞室的支持,從而限制塑性區的發展。

4 結論與建議

本文以大斷面小凈距公路隧道施工為例,研究了在不同施工方案、不同施工步驟下,隧道圍巖變形、地表沉降、中間巖柱應力、圍巖穩定性等的變化,得出以下幾點有益結論:

1)雙側壁導坑法在限制圍巖變形、控制圍巖應力集中、控制地面沉降、限制圍巖塑性區發展等方面作用顯著,C D法次之,臺階法較差。

2)對于施工程序較復雜的雙側壁導坑法,不同的施工過程,將導致圍巖變形、受力的差異,影響圍巖塑性區的發展,從而影響圍巖的穩定性。施工時應盡可能利用中部核心土對洞室的支持,從而限制圍巖變形及塑性區的發展。

3)對于大斷面小凈距隧道,控制圍巖變形及中巖柱塑性區的發展尤為重要。應合理選擇工法、施工步驟,以確保隧道施工及長期的安全性。

[1]黃拔洲,陳少華,秦峰.小凈距隧道在京福高速公路上的實踐[J].重慶大學學報,2003,26(10):19-22.

[2]李云鵬,王芝銀,韓常領,等.不同圍巖類別小間距隧道施工過程模擬研究[J].巖土力學,2006,27(1):11-16.

[3]秦峰,吳存興.小凈距隧道開挖方法淺論[J].現代隧道技術,2003,40(6):39-43.

[4]劉艷青,鐘世航,盧汝綏,等.小凈距并行隧道力學狀態試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2000,19(5):590-594.

[5]孫鈞,侯學淵.地下工程[M].北京:科學出版社,1984.

[6]中華人民共和國交通部.J T GD 70—2004公路隧道設計規范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[7]朱合華,丁文其.地下結構施工過程的動態仿真模擬分析[J].巖石力學與工程學報,1999,18(5):558-562.

[8]李春明,唐雨春,金美海.小間距隧道應力場和周邊位移與施工方法的關系[J].鐵道建筑,2006(12):45-48.