山嶺隧道不同臺(tái)階法下支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究

陳 亮，曾永軍

（廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心，廣東 揭陽(yáng) 515325）

1 工程概況

揭惠高速A1合同段小北山1號(hào)隧道穿過(guò)低緩山嶺地貌區(qū)，為高速公路雙向4車道，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h，隧道最大埋深約280m。ZK16+428～ZK16+518段設(shè)計(jì)為V級(jí)圍巖，設(shè)計(jì)表述該段圍巖主要由微風(fēng)化花崗巖、輝長(zhǎng)巖、斷層角礫巖組成，巖質(zhì)較硬～堅(jiān)硬，F(xiàn)3斷層在ZK16+550處與隧道大角度相交，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎～破碎，應(yīng)預(yù)防掉塊、坍塌問(wèn)題，并采取加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)（JQ-Va）。

2 建立數(shù)值模型

對(duì)于隧道斷層富水段的計(jì)算，采用FLAC3D有限元法計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。本模型采用的長(zhǎng)度為60m，模型的邊界取為沿隧道中線向外取110m，縱向長(zhǎng)度取60m，模型下部取中心線以下73m，水頭高度為170m（見(jiàn)圖1）。圍巖、加固圈和襯砌均采用實(shí)體單元模擬，圍巖和加固圈均采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則及彈塑性增量本構(gòu)關(guān)系，襯砌單元采用彈性本構(gòu)，模型底部、四周采用自由場(chǎng)邊界。V級(jí)圍巖狀況下，采用斷層處的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行模擬。

圖1 隧道計(jì)算模型

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.1 不同臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)初支結(jié)構(gòu)的影響

選取五種不同臺(tái)階長(zhǎng)度（2m、4m、6m、8m、10m）的情況進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)。選取第一和第三主應(yīng)力分布圖，為了盡量減小邊界效應(yīng)，選取30m處的平面來(lái)對(duì)比（見(jiàn)圖2～圖11）。

圖2 2m臺(tái)階初支第一主應(yīng)力

圖3 2m臺(tái)階初支第三主應(yīng)力

圖4 4m臺(tái)階初支第一主應(yīng)力

圖5 4m臺(tái)階初支第三主應(yīng)力

由圖2～圖11可以看出，隧道的最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱肩初支的內(nèi)側(cè)，而隧道的最大壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱頂初支的內(nèi)側(cè)位置和仰拱處初支的內(nèi)側(cè)，而且隨著臺(tái)階的不同應(yīng)力值略有差異。為了更好地體現(xiàn)數(shù)據(jù)的差異，制作不同臺(tái)階長(zhǎng)度施作隧道初支主應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)表（見(jiàn)表1）。

圖6 6m臺(tái)階初支第一主應(yīng)力

圖7 6m臺(tái)階初支第三主應(yīng)力

圖8 8m臺(tái)階初支第一主應(yīng)力

圖9 8m臺(tái)階初支第三主應(yīng)力

圖10 10m臺(tái)階初支第一主應(yīng)力

圖11 10m臺(tái)階初支第三主應(yīng)力

表1 不同臺(tái)階長(zhǎng)度主應(yīng)力值

由表1可以看出，不同臺(tái)階長(zhǎng)度開(kāi)挖時(shí)，隧道初支受力差異很小，對(duì)于初支受力的趨勢(shì)，其中第一主應(yīng)力變化幅度比較小，且基本呈線性關(guān)系，而第三主應(yīng)力相對(duì)第一主應(yīng)力變化幅度大一些，但是總體來(lái)說(shuō)變化還是很小。由于第三主應(yīng)力基本為19～20MPa，因此重點(diǎn)還是需要注意初支的抗拉強(qiáng)度。

3.2 不同臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)隧道位移的影響

開(kāi)挖后，洞周圍巖產(chǎn)生向隧道內(nèi)部的位移，即洞周收斂。洞室的豎向位移相對(duì)較大，在計(jì)算分析中，洞周收斂變形主要是對(duì)拱頂沉降、仰拱隆起的位移收斂情況進(jìn)行分析，下面就這些方面展開(kāi)研究。

對(duì)于這5種工況，位移各不相同，為了盡量減小邊界效應(yīng)，選取30m處的平面來(lái)對(duì)比（見(jiàn)圖12～圖21）。

根據(jù)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)提取的數(shù)據(jù)，可以列出不同臺(tái)階長(zhǎng)度開(kāi)挖狀態(tài)下各點(diǎn)豎向位移（見(jiàn)表2、表3）。

由表2、表3可以看出：（1）隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的變化，掌子面全斷面初期支護(hù)閉合時(shí)間對(duì)應(yīng)延長(zhǎng)，掌子面的拱頂沉降增加不大，掌子面底部隆起同樣增量不大，從而說(shuō)明隧道臺(tái)階開(kāi)挖長(zhǎng)度相對(duì)掌子面處的拱頂沉降和底部隆起影響微弱。（2）拱頂沉降的最大變化值發(fā)生在隧道斷面上臺(tái)階開(kāi)挖階段，而下臺(tái)階的開(kāi)挖對(duì)其產(chǎn)生的作用相對(duì)較小；仰拱位移在上臺(tái)階開(kāi)挖有較大隆起位移，產(chǎn)生的沉降值也較大；下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)段亦有較大隆起位移，但開(kāi)挖完成后隆起值趨于穩(wěn)定，后期無(wú)明顯變化。

表2 不同臺(tái)階長(zhǎng)度豎向位移

表3 掌子面位移 單位：cm

圖12 2m臺(tái)階隧道橫向位移

圖13 2m臺(tái)階隧道豎向位移

圖14 4m臺(tái)階隧道橫向位移

圖15 4m臺(tái)階隧道豎向位移

圖16 6m臺(tái)階隧道橫向位移

圖17 6m臺(tái)階隧道豎向位移

圖18 8m臺(tái)階隧道橫向位移

圖19 8m臺(tái)階隧道豎向位移

圖20 10m臺(tái)階隧道橫向位移

圖21 10m臺(tái)階隧道豎向位移

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)小北山1號(hào)隧道斷層帶所處地質(zhì)條件下，隧道上下臺(tái)階法施工過(guò)程中不同臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：隧道采用上下臺(tái)階法施工時(shí)，隧道拱頂沉降、底部隆起的差距不明顯；隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的增加，拱腳的相對(duì)位移最大值不斷增加，主要是上臺(tái)階增加，而拱頂沉降增幅不大；初期支護(hù)最大拉應(yīng)力先變大后變小，臺(tái)階長(zhǎng)度在5m左右的砼拉應(yīng)力最大，下臺(tái)階開(kāi)挖長(zhǎng)度對(duì)掌子面擠出位移約束效果明顯。

綜合各方面因素，建議選擇8～10m臺(tái)階長(zhǎng)度的范圍，可以使隧道的變形和受力處在一個(gè)可控水平。上述所得臺(tái)階長(zhǎng)度既保證了掌子面擠出位移約束效果最佳，同時(shí)保證及時(shí)的初期支護(hù)封閉呈環(huán)，有利于掌子面穩(wěn)定。