淺埋大斷面隧道核心土數(shù)值模擬與分析

余 熠

(中南大學(xué)湘雅醫(yī)院，湖南長(zhǎng)沙410008)

隨著我國(guó)大城市地鐵建設(shè)的興起，淺埋大斷面隧道大量涌現(xiàn)。城市地鐵地質(zhì)復(fù)雜，圍巖較為軟弱，且地表控制要求高，故當(dāng)遇到淺埋大斷面隧道時(shí)一般采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工［1－2］。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，核心土的留設(shè)對(duì)隧道的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。然而由于核心土的處理與施工相互矛盾:一方面，要進(jìn)行核心土加固處理，必然給施工進(jìn)展帶來(lái)麻煩;另一方面，若不按照設(shè)計(jì)要求施工，常常會(huì)造成諸多困難，甚至發(fā)生事故。因此，對(duì)核心土力學(xué)特性的研究十分有必要，為正確預(yù)防和處治事故、保證施工安全具有積極意義。李志剛等［3］依托廣州龍頭山公路隧道，對(duì)預(yù)留核心土厚度的區(qū)別和開(kāi)挖方式的不同進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了核心土的合理厚度及較為合理的開(kāi)挖方式;黃甫明等［4］通過(guò)有限元法分析了臺(tái)階長(zhǎng)度和核心土長(zhǎng)度對(duì)隧道地層沉降和應(yīng)力分布的影響;謝東武［5］對(duì)龍頭山隧道核心土臨時(shí)支護(hù)出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題進(jìn)行研究，推導(dǎo)出核心土臨時(shí)支護(hù)穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則。研究者大多致力于核心土的預(yù)留方式及對(duì)隧道穩(wěn)定性影響的研究，而對(duì)隧道預(yù)留核心土的力學(xué)響應(yīng)變化研究成果較少。本文針對(duì)北碚站地鐵施工過(guò)程中出現(xiàn)的塌方事故，依據(jù)三維有限差分法，模擬分析了塌方前后核心土留設(shè)對(duì)淺埋大斷面隧道塑性區(qū)變化和應(yīng)力變化，得出的結(jié)論可為類似隧道設(shè)計(jì)和施工參考。

1 隧道工程概況

北碚車站位于重慶市北碚區(qū)政府對(duì)面、北碚嘉陵風(fēng)情街下。車站內(nèi)部采用單拱雙層島式，主體采用曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面，頂部覆土21.4 m，最大開(kāi)挖斷面寬 23.16 m，高18.34 m，隧道起訖樁號(hào)為 DK55+955.302～DK56+134.302，總長(zhǎng)179 m。車站兩端為復(fù)合式TBM區(qū)間，主體采用掘進(jìn)通過(guò)，在車站大里程端設(shè)置復(fù)合式TBM接受導(dǎo)洞。車站屬于特大斷面暗挖隧道，IV級(jí)圍巖，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

自車站施工進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)以來(lái)，由于施工時(shí)支護(hù)不及時(shí)，不按照設(shè)計(jì)要求的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及縱向施工步序進(jìn)行施工，未留設(shè)核心土等原因發(fā)生坍塌事故，車站左線DK55+985～DK55+962段側(cè)壁導(dǎo)坑發(fā)生冒頂，長(zhǎng)度約23 m。

2 有限差分模型

采用FLAC3D軟件模擬分析核心土留設(shè)對(duì)淺埋大斷面隧道圍巖的影響特性，數(shù)值分析范圍取圍巖尺寸大于隧道三倍洞徑，跨度橫向160 m，豎向80 m。約束條件取:左右邊界設(shè)置為水平約束，底部為豎向約束，頂部為自由表面。結(jié)合工程實(shí)際，取隧道埋深21 m，塌方后添加核心柱的寬2 m，高約8.1 m，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用殼體結(jié)構(gòu)單元(shell)進(jìn)行模擬，左、右導(dǎo)坑拱腰處分別布置測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報(bào)告，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1計(jì)算參數(shù)取值Tab.1 Calculation parameter selection

3 隧道開(kāi)挖模擬與分析

根據(jù)上臺(tái)階施工開(kāi)挖步序，以下從三種計(jì)算情況進(jìn)行模擬分析:第一步左、右導(dǎo)坑開(kāi)挖;第二步核心土開(kāi)挖;第三步初支支護(hù)并增加混凝土核心柱。

3.1 開(kāi)挖第一步

該情況是指隧道斷面上臺(tái)階左、右導(dǎo)坑開(kāi)挖，中間核心土未拆除。從圖2可以看出:塑性區(qū)主要分布在隧道拱頂和拱肩處，隧道拱腳、邊墻有少量塑性產(chǎn)生;隧道拱頂和拱肩處塑性區(qū)變化較大，隧道拱腳、邊墻處塑性區(qū)略小;這說(shuō)明隧道留有核心土對(duì)拱腳、邊墻處穩(wěn)定性效果顯著。開(kāi)挖后結(jié)果顯示隧道圍巖上同時(shí)分布著拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū);圍壓與核心土交界處拉應(yīng)力較大，Z向和X向應(yīng)力分別為－3.0×106Pa、6×105Pa;隨著施工面的前進(jìn)，拉應(yīng)力呈增加趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定;拱腳及核心土底部圍巖壓應(yīng)力比較集中，拱肩處較小。

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，由于左、右導(dǎo)洞是依次進(jìn)行開(kāi)挖(右導(dǎo)洞的開(kāi)挖要比左導(dǎo)洞超前)，初期，右線開(kāi)挖過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)1的變化量逐漸增大，但對(duì)左線的影響較小，測(cè)點(diǎn)2的沉降值幾乎沒(méi)有改變;隨后，左線進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，測(cè)點(diǎn)1的變化量突然增加;拱頂沉降值隨著開(kāi)挖工作面距離的增加而增加，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的拱頂沉降值分別為－5.28 mm、－7 mm，變化速率由較大逐漸減小直至趨于穩(wěn)定。這是由于隧道在開(kāi)挖后，應(yīng)力得到釋放，破壞了原有平衡;隨著支護(hù)逐漸發(fā)揮作用，應(yīng)力得到重新分布，使圍巖再次趨于平衡。

3.2 開(kāi)挖第二步

該情況是指隧道斷面上臺(tái)階左、右導(dǎo)坑開(kāi)挖完成后，中間核心土隨之拆除直至左線發(fā)生嚴(yán)重塌方的階段。從圖3可以看出:核心土去除后，在圍巖拱腳和邊墻附近應(yīng)力比較松弛;而且左、右兩側(cè)塑性區(qū)的范圍不相同:左線拱腳及邊墻處塑性區(qū)較大，擴(kuò)展范圍較深;而右線拱腳和邊墻處的塑性區(qū)較小，擴(kuò)展范圍較淺。核心土開(kāi)挖過(guò)后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了很大的變化:隧道拱頂?shù)街眽敳繀^(qū)域受壓，直墻下半部分和底部出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象;拱頂和拱肩部位圍巖受壓應(yīng)力影響最大，Z向應(yīng)力和X向應(yīng)力分別為5.95×106 Pa和1.2×106 Pa。

核心土去除后，豎向位移在開(kāi)挖范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大范圍的增加，測(cè)點(diǎn)1、2拱頂沉降的變化值出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)，分別為 －16.26 mm、－24.82 mm;左、右導(dǎo)坑變化趨勢(shì)基本一致，但左側(cè)導(dǎo)坑拱頂沉降明顯大于右側(cè)拱頂變化量;這與實(shí)際工程狀況相吻合，也說(shuō)明了核心土對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性起著重要作用。

3.3 開(kāi)挖第三步

該情況是指事故發(fā)生后，施工單位采取的應(yīng)急處治階段，一方面采用護(hù)拱法進(jìn)行初期支護(hù)，另一方面以混凝土核心柱對(duì)圍巖進(jìn)行臨時(shí)加固;圖4為圍巖塑性區(qū)分布圖，可以看出，經(jīng)過(guò)處治后，塑性區(qū)明顯變小，基本又重新分布到隧道拱頂和拱肩處，但塑性區(qū)范圍和擴(kuò)展程度逐漸減小。圖5為第三步圍巖支護(hù)Z向應(yīng)力云圖，該圖顯示幾乎整個(gè)隧道圍巖處于受壓狀態(tài)，核心土底部圍巖應(yīng)力比較集中，拱頂和拱腰處的圍巖應(yīng)力明顯減小，Z向和X向的應(yīng)力分別為－3.52×105 Pa和2.5×105 Pa;隧道拱頂?shù)街眽敳繀^(qū)域受壓，直墻下半部分和底部出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象;可見(jiàn)，拱頂和拱肩部位圍巖受壓應(yīng)力影響最大。

第三步模擬結(jié)果反映了治理過(guò)程中，初期支護(hù)及增加混凝土核心柱后拱頂沉降變化量逐漸減小，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的拱頂沉降值分別為－17.84 mm、－34.32 mm，拱頂沉降變化量逐漸減小，隨著時(shí)間的推移趨于穩(wěn)定;這也說(shuō)明了留設(shè)核心土可有效地減小工作面拱頂測(cè)點(diǎn)的下沉，可增強(qiáng)隧道圍巖的穩(wěn)定性。

4 核心土留舍兩者的比較

對(duì)測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2進(jìn)行豎向位移的分析，各計(jì)算步序?qū)?yīng)的拱頂沉降值見(jiàn)表2，為了研究隧道施工中拱頂沉降的變化規(guī)律，將三個(gè)不同情況的拱頂沉降曲線圖放在同一坐標(biāo)中進(jìn)行研究，其變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6所示。

表2各計(jì)算步序?qū)?yīng)的拱頂沉降值Tab.2 Vault subsidence displacements of the corresponding calculation steps

根據(jù)以上圖表可知，隧道在第一步開(kāi)挖工程中，拱頂沉降值逐漸增加，特別是左側(cè)導(dǎo)坑要比右側(cè)變化速率快，當(dāng)左側(cè)導(dǎo)坑拱頂沉降量大于5 mm時(shí)圍巖趨于穩(wěn)定。但在第二步核心土開(kāi)挖后，拱頂圍巖在沒(méi)有核心土約束的情況下，測(cè)點(diǎn)發(fā)生明顯突變現(xiàn)象，而且急劇增加，直至左側(cè)沉降達(dá)到20 mm左右，發(fā)生塌方。在第三步塌方治理過(guò)程中，初期支護(hù)并增加砼核心柱臨時(shí)支護(hù)，圍巖拱頂變化從增長(zhǎng)趨勢(shì)又逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶猓瑖鷰r再次處于穩(wěn)定狀態(tài)。可見(jiàn)，留設(shè)核心土能顯著改善隧道工作面的穩(wěn)定性:⑴ 能使工作面前方土體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，有效降低工作面土體的松弛范圍;⑵抑止隧道圍巖的垂直位移，使拱頂沉降量明顯減小。

5 結(jié)論

1)第一步左、右導(dǎo)洞開(kāi)挖后，塑性區(qū)主要分布在隧道拱腳、邊墻中部，由于留設(shè)了合理的核心土，沉降速率的變化趨勢(shì)逐漸減小。

2)第二步核心土開(kāi)挖后，左線拱腳及邊墻處塑性區(qū)較大，擴(kuò)展范圍較深;拱頂和拱肩部位圍巖受壓應(yīng)力影響最大，核心土的開(kāi)挖導(dǎo)致拱頂沉降突然增加。

3)第三步處治階段進(jìn)行初期支護(hù)和增加砼核心柱，左、右兩側(cè)出現(xiàn)不同塑性區(qū);拱頂和拱腰處的圍巖應(yīng)力明顯減小;拱頂沉降變化量逐漸減小，隨著時(shí)間的推移趨于穩(wěn)定。說(shuō)明護(hù)拱法和臨時(shí)回填對(duì)治理隧道塌方效果良好。

4)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，需對(duì)隧道拱部圍巖進(jìn)行加固，邊墻、核心土臨時(shí)鋼拱架和橫向支撐需要適當(dāng)加強(qiáng)。對(duì)大斷面淺埋隧道施工而言，能否合理留設(shè)核心土，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響甚為重要。

［1］關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］陳秋南.隧道工程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:［3］李志剛，丁文其，楊重存，等.扁平特大斷面公路隧道核心土模擬與分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007(4):627－632.

［4］皇甫明，孔恒，王夢(mèng)恕，等.核心土留設(shè)對(duì)隧道工作面穩(wěn)定性的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005(3):521－525.

［5］謝東武，丁文其，李志剛.大跨隧道核心土臨時(shí)支護(hù)穩(wěn)定性研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010(4):701－706.

［6］陳秋南，趙明華，周國(guó)華，等.復(fù)雜層狀巖層隧道塌方原因分析與加固后信息化施工技術(shù)［J］.巖土力學(xué)，2009，30(3):650–653.