淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道施工力學(xué)效應(yīng)研究

鐘 原，劉夢瑩，王 嬋

(1. 山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院;2. 長安大學(xué)公路學(xué)院;3. 山東省物化探勘查院)

0 引 言

圍巖壓力是指在隧道開挖以后，巖體由于變形或者松動等原因，在洞室的周邊圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的壓力。巖體是由地質(zhì)作用天然形成的一種或多種礦物的集合體，所以圍巖壓力的確定特別復(fù)雜。在很多情況下很難準(zhǔn)確計(jì)算，因此在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工開挖過程中造成失誤，影響結(jié)構(gòu)安全。深入了解圍巖壓力在施工過程中的變化特征是保證隧道穩(wěn)定的關(guān)鍵。

由于理論分析具有局限性，實(shí)際情況中隧道圍巖是非均質(zhì)、各向異性體，且理論分析匯總沒有考慮施工步驟對隧道圍巖的影響，因此，為了能反應(yīng)實(shí)際隧道受力情況，需要借助有限元軟件進(jìn)行分析。

1 隧道施工過程基本理論

隧道開挖過程中改變了巖體初始應(yīng)力場，圍巖在地應(yīng)力作用下應(yīng)力重分布，形成新的平衡。開挖之前，在開挖邊界上的質(zhì)點(diǎn)都處于一定的初始應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力重分布一般都是通過卸載過程實(shí)現(xiàn)的。所以正確的模擬卸載過程是處理地下工程數(shù)值模擬的一個重要方面。

隧道開挖后，圍巖從變形到最后破壞有一個時間過程，包括開挖面不斷往前推進(jìn)時圍巖壓力釋放的時間效應(yīng)及圍巖介質(zhì)的流變作用。在開挖時，如果適時地施工初期支護(hù)，使圍巖和支護(hù)共同作用形成一個整體，就能達(dá)到整個結(jié)構(gòu)體系的平衡穩(wěn)定。

地層開挖前的初始應(yīng)力為{σ0}，隧洞開挖后，洞周初始應(yīng)力被解除，即洞周產(chǎn)緣卸荷效應(yīng)——“釋放荷載”，由釋放荷載而引起地層中的應(yīng)力{σ'}、位移{δ'}，則開挖后洞周地層的總應(yīng)力{σ}={σ0}+{σ'}、位移{δ}={δ'}。隧洞開挖的計(jì)算過程如圖1 所示。

圖1 隧道開挖計(jì)算過程

2 工程背景

2.1 工程概況

福建省漳浦縣朝陽隧道(一期)工程，全線分為左線、右線。左線設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號為ZK0 +000，終點(diǎn)樁號為ZK3 +255，左線路線全長3.255 km，Ⅴ級圍巖淺埋偏壓的長度為76 m;右線設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號為YK0 +000，終點(diǎn)樁號為YK3 +260，右線路線全長3.260 km，Ⅴ級圍巖淺埋偏壓的長度為72 m。隧道設(shè)計(jì)凈寬為10.95 m，斷面的開挖高度為9.0 m。隧道兩洞之間的設(shè)計(jì)凈距為15 m，小于3.5 倍洞徑，屬于小凈距隧道。

2.2 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方法

朝陽隧道設(shè)計(jì)為雙向四車道一級公路隧道，洞口設(shè)計(jì)為三心圓。因?yàn)闇\埋段圍巖壓力較差，隧道要開挖后立刻打錨桿。并且初級支護(hù)要做鋼拱架、噴射混凝土和開挖仰拱。Ⅴ級淺埋偏壓段隧道結(jié)構(gòu)初期支護(hù)參數(shù)如下。

φ25 早強(qiáng)中空注漿錨桿，L－4.0 m，間距為2 m 的弧長;

φ8 鋼筋網(wǎng)，10 ×10 cm;

I20a 型鋼拱架，縱向間距50 cm;

C25早強(qiáng)噴射混凝土25 cm。

該隧道左右線采用鉆爆發(fā)與機(jī)械開挖相結(jié)合的方式，采用臺階法進(jìn)行開挖，左洞先開挖。在進(jìn)出洞圍巖情況較差段采用地表預(yù)加固，超前管棚，洞內(nèi)超前支護(hù)等輔助施工手段。

3 隧道開挖施工力學(xué)效應(yīng)數(shù)值模型

3.1 基本假定

采用有限元軟件建立計(jì)算模型，分析施工階段，以此模擬不同條件下隧道開挖及初期支護(hù)后圍巖、支護(hù)的力學(xué)特性。為簡化分析，模型做如下假定。

(1)假定圍巖及土體為各向同性、均質(zhì)、連續(xù)介質(zhì)。

(2)彈塑性本構(gòu)模型采用摩爾－庫倫屈服準(zhǔn)則。

(3)考慮實(shí)際情況下的隧道開挖順序，即先開挖左洞后開挖右洞，且開挖后立刻施加初期支護(hù)。

(4)模型為平面應(yīng)變問題，不考慮地下水的影響。

(5)由于為淺埋隧道，地層初應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力。

(6)考慮實(shí)際情況下的隧道施工方法，臺階法，且開挖仰拱。

3.2 模型參數(shù)

隧道周圍的巖體分兩層，最上層為土層，土層下面為全風(fēng)化巖，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，此隧道為Ⅴ級圍巖。因隧道二次襯砌通常作為隧道的安全儲備，所以本文分析不考慮隧道二次襯砌對圍巖的力學(xué)效應(yīng)，只分析初期支護(hù)所產(chǎn)生的支護(hù)作用。隧道初期支護(hù)主要由噴射混凝土、錨桿和鋼拱架組成，由于隧道圍巖較差，所以在初期支護(hù)上加了仰拱。依據(jù)工程設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)定仰拱半徑為16 m，弧度為18°。同時在仰拱上也做鋼拱架和噴射混凝土。

支護(hù)噴射混凝土設(shè)定用C25，鋼拱架為H 型鋼，因?yàn)榇怂淼罏槠珘核淼?，地面不是水平，所以各初始?yīng)力系數(shù)K0由有限元法判定，公式為各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)具體見表1。

表1 隧道圍巖及初級支護(hù)的計(jì)算參數(shù)

3.3 網(wǎng)格劃分

對于數(shù)值分析模擬來說，為了節(jié)約程序計(jì)算時間在計(jì)算中既要減少單元數(shù)量，又要保證計(jì)算有足夠的精度，網(wǎng)格劃分非常重要。由于隧道施工工序較多，應(yīng)力變化較為復(fù)雜，為更好地模擬其動態(tài)施工過程，對其有限元網(wǎng)格進(jìn)行了優(yōu)化，開挖影響較大的地方，如對錨桿周圍和開挖洞周圍圍巖，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，而對開挖影響比較小的地方粗化網(wǎng)格。具體的網(wǎng)格劃分圖如圖2 所示。

圖2 雙側(cè)偏壓小凈距隧道網(wǎng)格劃分示意

3.4 邊界條件

建立的隧道數(shù)值模型中，采用的邊界條件為:對側(cè)面和底部施加位移約束，其余為自由約束面;左右洞高程相差較小，視左右洞在同一高程。所建數(shù)值模型為雙側(cè)對稱偏壓，且左右側(cè)地表坡度變化均較小，故地表變化角度取30°，左、右洞埋深相同為20 m，凈距為15 m，隧道單洞開挖寬度為11 m，開挖高度為9 m。模型左右邊界取至5 倍洞徑，而上下邊界取為4 倍洞徑。

3.5 邊界條件

由于雙側(cè)偏壓作用的存在和左右洞施工的順序性，各施工階段的隧道圍巖壓力分布并不對稱，為了能具體的反應(yīng)隧道圍巖壓力的應(yīng)力和變形情況，且與實(shí)際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，選取隧道左右洞相關(guān)部位進(jìn)行分析，控制點(diǎn)位置布置如圖3 所示，圖中，控制點(diǎn)1 和點(diǎn)6 為左、右洞拱頂，點(diǎn)2 和點(diǎn)8 為左、右洞外側(cè)拱腰，點(diǎn)4 和點(diǎn)10 為左、右洞外側(cè)邊墻，點(diǎn)3 和點(diǎn)7 為左、右洞內(nèi)側(cè)拱腰，點(diǎn)5 和點(diǎn)9 為左、右洞內(nèi)側(cè)邊墻。

圖3 控制點(diǎn)位置

3.6 隧道施工步驟的定義

隧道數(shù)值模擬的施工過程見表2。

為了使模擬的施工過程更加貼近現(xiàn)場實(shí)際施工情況，在做完初期支護(hù)到下一個階段開挖之前要注意噴射混凝土的硬化過程，這個過程在有限元里面表現(xiàn)為邊界條件的變化過程。因此，在數(shù)值分析中我們不考慮混凝土硬化這一施工過程，而取其他相鄰施工過程進(jìn)行分析。

4 隧道施工力學(xué)效應(yīng)數(shù)值分析

在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)數(shù)值分析中，研究的關(guān)鍵和核心問題是圍巖在隧道施工前、施工過程中及施工后應(yīng)力場變化過程。

4.1 圍巖壓力特征分析

分別取控制點(diǎn)1#～10#的水平、豎向和平面剪應(yīng)力，進(jìn)行整理，將隧道同一高程控制點(diǎn)相應(yīng)應(yīng)力數(shù)據(jù)的比值(記為圍巖應(yīng)力比)進(jìn)行比較，重點(diǎn)討論偏壓特點(diǎn)，以此來反應(yīng)和描述偏壓程度。為了得到施工過程中圍巖應(yīng)力比的變化規(guī)律，繪制變化曲線圖，如圖4～圖6 所示。

圖4 水平方向圍巖應(yīng)力比變化曲線

圖5 豎直方向圍巖應(yīng)力比變化曲線

綜合圖4～圖6 中圍巖應(yīng)力比可得:

水平方向圍巖應(yīng)力比和豎直方向圍巖應(yīng)力比變化較大點(diǎn)主要發(fā)生在施工階段2 和施工階段7，在兩洞上臺階開挖階段之后的施工階段，圍巖應(yīng)力比變化趨近于水平，說明在后續(xù)開挖階段隨著初期支護(hù)的閉合、仰拱開挖和隧道整體受力合理使得應(yīng)力重新分布，偏壓效應(yīng)有所減弱。

圖6 平面剪應(yīng)力方向圍巖應(yīng)力比變化曲線

從平面剪應(yīng)力比變化曲線可以看出，左洞2#/3#和4#/5#變化較大，而右洞7#/8#和9#/10#變化接近直線，最后絕對值趨近于1，說明各施工階段中左洞所受偏壓效應(yīng)比右洞明顯。

在最終施工階段，左洞拱腰處應(yīng)力比2#/3#值絕對值均大于1，說明左洞拱腰處外側(cè)圍巖壓力值大于相應(yīng)內(nèi)側(cè)位置的圍巖壓力值，而右洞拱腰處應(yīng)力比7#/8#值絕對值均小于1，但這同樣說明了右洞拱腰處外側(cè)圍巖壓力值大于相應(yīng)內(nèi)側(cè)位置的圍巖壓力值;同樣的，左洞邊墻處應(yīng)力比4#/5#值絕對值均小于1，說明左洞邊墻處外側(cè)圍巖壓力值小于相應(yīng)內(nèi)側(cè)位置的圍巖壓力值，而右洞邊墻處應(yīng)力比9#/10#值絕對值均大于1，但這同樣說明了右洞邊墻處外側(cè)圍巖壓力值小于相應(yīng)內(nèi)側(cè)位置的圍巖壓力值。

4.2 位移特征分析

為了能更清晰明顯的反應(yīng)此類隧道在施工過程中位移的位移變化特點(diǎn)，對關(guān)鍵數(shù)據(jù)控制點(diǎn)的位移進(jìn)行提取，分析豎直方向位移時提取拱頂和仰拱底部控制點(diǎn)，而分析水平方向位移時則取拱腰控制點(diǎn)和邊墻控制點(diǎn)，關(guān)鍵控制點(diǎn)位移變化如圖7～圖10 所示。圖中符號規(guī)定為:豎直方向位移向洞內(nèi)位移為正，水平位移向右位移為正。

圖7 拱頂豎直方向位移

由圖7 可知:左右洞的拱頂豎直方向位移主要表現(xiàn)為拱頂?shù)某两?，拱頂出現(xiàn)明顯沉降在左右洞上臺階開挖階段，最大位移沉降值分別為左洞拱頂U(kuò)1#=1.95 cm，右洞拱頂U(kuò)6#=1.27 cm，由于左洞先于右洞開挖，在左洞施工過程中，右洞拱頂處位置位移有微小上升，之后隨著右洞上臺階開挖，拱頂迅速沉降。左洞拱頂最終沉降值U1#=1.70 cm，右洞拱頂最終沉降值U6#=1.11 cm。

由圖8 可知:左右洞的仰拱豎直方向位移主要表現(xiàn)為仰拱底鼓，明顯的仰拱底鼓出現(xiàn)在左右洞上臺階開挖階段，隨著隧道施工的進(jìn)行，仰拱豎直方向位移逐漸趨于穩(wěn)定，由于左洞先于右洞開挖，在左洞施工過程中，右洞仰拱處位置位移幾乎不變。左洞仰拱最終位移值U左=3.29 cm，右洞仰拱最終位移值U右=2.98 cm，相比于拱頂沉降位移值，仰拱底鼓位移值要大于拱頂沉降位移值，表明此類隧道的仰拱底鼓現(xiàn)象比較明顯。

由圖9 可知:左洞拱腰控制點(diǎn)2#和3#，水平方向位移為負(fù)值，即點(diǎn)2#和3#向左移動，且位移曲線變化趨勢大致相同;而右洞拱腰控制點(diǎn)7#和8#，水平方向位移為正值，即點(diǎn)7#和8#向右移動，且右洞開挖過程中8#拱腰處水平位移顯著增加;從右洞開始開挖至施工結(jié)束階段，隧道拱腰外側(cè)點(diǎn)2#和8#的水平位移曲線將拱腰內(nèi)側(cè)點(diǎn)3#和7#的水平位移曲線包絡(luò)在內(nèi)，說明外側(cè)拱腰的水平位移值大于同水平內(nèi)側(cè)的拱腰水平位移值;左洞拱腰水平收斂值為U左=－0.29－(－0.92)=0.63 cm，右洞拱腰水平收斂值為U右=(1.01－0.41)－(0.71－0.49)=0.38 cm。

圖8 仰拱豎直方向位移

圖9 拱腰水平方向位移

由圖10 可知:最終施工階段左洞邊墻控制點(diǎn)4#水平位移值為負(fù)，5#水平位移值為正，表明左洞邊墻向巖體方向移動，而右洞邊墻控制點(diǎn)9#和10#水平位移值為正，表明右洞邊墻向右移動，兩洞位移方向不同主要由左右洞的埋深和地表坡度變化造成的;從右洞開始開挖至施工結(jié)束階段，隧道邊墻外側(cè)點(diǎn)4#和10#的水平位移曲線將邊墻內(nèi)側(cè)點(diǎn)5#和9#的水平位移曲線包絡(luò)在內(nèi)，說明外側(cè)邊墻點(diǎn)的水平位移值要大于內(nèi)側(cè)邊墻點(diǎn)的水平位移值;左洞邊墻水平收斂值U左=0.64－(－1.49)=2.13 cm，右洞邊墻點(diǎn)水平收斂值U右=(1.34－0.41)－(0.11－0.59)=1.41 cm;相比于拱腰收斂值，邊墻水平位移值要大于拱腰水平位移值，表明邊墻收斂更為明顯。

圖10 邊墻水平方向位移

5 結(jié) 語

結(jié)合某隧道工程為背景，利用數(shù)值模擬手段，對淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道圍巖壓力及施工力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了研究，得到主要結(jié)論如下:

(1)隨著隧道施工的進(jìn)行，在后續(xù)開挖階段隨著初期支護(hù)的閉合、仰拱開挖和隧道整體受力合理使得應(yīng)力重新分布，偏壓效應(yīng)有所減弱，各施工階段中先行洞所受偏壓效應(yīng)比后行洞更顯著，因此，在設(shè)計(jì)隧道時，宜對先行洞進(jìn)行合理分析計(jì)算，確定安全的支護(hù)。

(2)水平方向圍巖應(yīng)力比和豎直方向圍巖應(yīng)力比變化較大點(diǎn)主要發(fā)生在兩洞上臺階開挖階段，由于雙側(cè)偏壓的影響，隧道洞口拱腰處外側(cè)圍巖壓力值大于相應(yīng)內(nèi)側(cè)位置的圍巖壓力值，而邊墻處外側(cè)圍巖壓力值則小于相應(yīng)內(nèi)側(cè)位置的圍巖壓力值。

(3)相比于拱頂沉降位移值，仰拱底鼓位移值要大于拱頂沉降位移值，表明此類隧道的仰拱底鼓現(xiàn)象比較明顯;外側(cè)拱腰及邊墻處的水平位移值大于同水平內(nèi)側(cè)的拱腰和邊墻處水平位移值，且邊墻收斂較拱腰更明顯。

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