大斷面連拱隧道側導洞擴挖影響分析

2022-10-11 04:55:10李然王圣濤陳平申志軍潘紅桂侯志強

鐵道建筑 2022年9期

李然王圣濤陳平申志軍潘紅桂侯志強

1.中鐵四局集團有限公司，合肥 230023；2.北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室，北京100044

隨著我國交通建設的快速發展，雙向六車道大跨連拱隧道越來越多地出現在實際工程中，因其施工步序繁多，力學轉換復雜，圍巖穩定性和支護安全性的控制難度極高，給設計施工帶來了嚴峻挑戰［1］。

側導洞開挖是大跨連拱隧道施工過程中的關鍵步序，影響到整體施工進度及安全，因此研究側導洞開挖對圍巖的影響具有重要學術價值及工程意義。孫長軍等［2］借助數值模擬與現場實測手段，研究了北京地鐵14號線車站擴挖的施工力學行為，得出導洞擴挖與初期支護扣拱階段產生的地表沉降為沉降終值的85%，表明導洞擴挖是車站施工的關鍵控制環節。李宇等［3］通過現場實測并結合數值計算，揭示了相鄰隧道擴挖施工的力學影響機理，發現導洞開挖前后存在明顯的群洞效應。孫成偉等［4］依托廣州地鐵東山口站站臺隧道擴挖工程，介紹了工程難點及關鍵技術，驗證了隧道大規模擴挖的可行性。黃明利等［5］基于北京地鐵北新橋站工程實踐，對比分析了不同PBA（Pile-Beam-Arch）工法擴挖連拱車站的地層穩定性，得出三連拱擴挖方案顯著優于雙連拱擴挖方案。吳張中等［6］針對深圳橫龍山隧道超大異形斷面側向擴挖工程，通過理論計算和數值分析，闡明了單次擴挖寬度變化對超大隧道圍巖應力及變形的影響機制，得出最優擴挖寬度為4 m。林叢謀等［7］結合大帽山原位二擴四隧道工程，分析了CD（Center Diaphragm）工法下不同圍巖的地表位移、拱頂沉降、洞周收斂等現場監測結果，提出了軟弱圍巖穩定性控制方法。此外，張頂立等［8-10］探討了大斷面隧道改擴建及多洞分部開挖對圍巖支護工程響應的影響規律，為研究導洞擴挖的力學影響提供寶貴參考。目前關于連拱隧道圍巖力學行為的研究主要集中在施工完成后的最終狀態，而對導洞擴挖引起階段性的圍巖力學響應研究較少。

本文依托嶂背大斷面連拱隧道擴挖工程，首先基于現場實測，分析連拱隧道施工力學響應；而后建立三維數值模型，揭示導洞擴挖對圍巖-支護相互作用的影響規律，提出重點關注部位和支護措施建議；最后基于數值分析，評估側導洞擴挖的安全風險，為現場施工決策提供科學依據。

1 工程背景

1.1 工程概況

深圳嶂背隧道段位于深圳龍崗區，采用大斷面連拱隧道。嶂背隧道為采用鉆爆法開挖的雙向6車道的城市Ⅰ級主干路，全長361 m，安全紅線40 m。同時，地層易因側導洞擴挖而產生劇烈擾動，引起地表不均勻沉降，危及周邊結構。為最大程度削弱對周邊環境的不利影響，必須針對擴挖前后圍巖支護的階段性工程響應進行系統分析和安全評價。

隧址區主要處于全~強風化粉砂巖，圍巖級別為V級，上覆5~8 m粉質黏土，不考慮地下水。隧道主體埋深介于20~30 m，開挖高度11.5 m，總跨度達到30.9 m（圖1），屬于特大跨隧道［11］。隧道采用復合式襯砌，初期支護厚0.32 m，初期支護包括C25噴射混凝土、間距0.5 m的I25a型鋼拱架和鋼筋網。二次襯砌為C35模筑鋼筋混凝土，厚0.8~0.9 m。此外，工程中采用注漿大管棚進行超前支護，管棚直徑108 mm，壁厚6 mm，環向間距0.4 m，打設角1°~3°。雙連拱隧道采用對稱開挖，中導洞先行，左右兩側導洞滯后，導洞內設有兩層作業人員操作臺。為滿足機械作業空間、加快隧道施工進度，將先行開挖的側導洞的跨度由4.9 m擴大至6.8 m，初期支護噴射混凝土厚度從0.32 m增大到0.35 m，其他設計參數不變。目前中導洞已開挖90 m，本文主要分析側導洞擴挖產生的力學影響。

圖1 導洞擴挖前后設計斷面對比（單位：cm）

1.2 現場監測與控制標準

為及時預警風險并實時反饋，開展原位監測，監測內容包括拱頂沉降、水平收斂和地表沉降，根據JTG/T F60—2009《公路隧道施工技術細則》，可以得到各類圍巖變形的控制指標（表1）。

表1 圍巖變形控制指標 mm

根據實測數據，繪出圍巖變形箱線圖（圖2），其中上邊緣表示最大值，下邊緣表示最小值，中間線表示中位數，大方框上邊表示上四分數，大方框下邊表示下四分數，大方框內的小方框表示平均數。各監測斷面中導洞拱頂沉降、水平收斂和最大地表沉降的平均值分別為4.6、8.0和3.5 mm，圍巖變形分布比較集中，分別主要介于3~7 mm、7~11 mm和2~5 mm。由實測地表沉降（圖3）可知，各斷面地表位移曲線都呈現出典型的沉降凹槽，變形值從中洞拱頂向兩邊不斷減小，且隨埋深加大而略有增大。

圖2 實測圍巖變形箱線圖

圖3 實測地表沉降槽

2 數值模型與力學參數

為分析擴挖側導洞對隧道支護的力學響應和圍巖穩定性的影響，采用大型通用有限差分軟件FLAC 3D進行三維數值模擬。根據實際工程，取隧道K0+400斷面作為典型斷面，拱頂埋深取25 m。

模型只考慮初期支護，二次襯砌作為安全儲備，初期支護的密度ρ和彈性模量E可按面積等效得到ρ=2 430 kg/m3，E=26.40 GPa。計算參數見表2。

表2 圍巖及支護的物理力學參數

模型尺寸為250 m（長）×100 m（寬）×80 m（高）（圖4）。隧道周邊網格設置緊密，遠離洞周的網格劃分越來越疏松。模型邊界采用位移約束，模型兩側約束橫向位移，底部約束豎向位移，模型上部為自由面。按照工程實際，施工步驟為中導洞先行，左側導洞滯后20 m，右側導洞滯后40 m，初期支護滯后2 m，單次開挖進尺為2 m。

圖4 大斷面連拱隧道數值模型及開挖步序

模型中初期支護采用符合彈性本構的shell單元模擬，圍巖采用遵從摩爾-庫侖彈塑性準則的實體單元模擬。側導洞擴挖前后兩種工況見圖5。開挖工序分為10步，其中在第6步后施作中隔墻，而后再進行下一步開挖。根據實際工程的階段性安全需求，主要考慮1~6步。

圖5 側導洞擴挖前后兩種工況

3 側導洞擴挖前后隧道圍巖力學行為

3.1 地層變形對比

3.1.1 地層豎向位移對比

選擇模型中部斷面（y=50 m）作為監測斷面，以抵消邊界效應影響。由兩種工況拱頂沉降歷時曲線（圖6）可以看出，中導洞圍巖變形明顯大于左側導洞和右側導洞，兩側導洞拱頂沉降大致相當。這主要是由于中導洞為先行洞室，且處于兩側導洞之間，中導洞拱頂沉降除受自身開挖影響外，還受后行兩側導洞影響，因此中導洞受力狀態最為不利，應重點關注。

圖6 側導洞擴挖前后各導洞拱頂沉降歷時曲線（單位：mm）

側導洞擴挖將一定程度增大地層沉降，以各導洞拱頂沉降為例，左側導洞、中導洞和右側導洞分別由擴挖前的4.6、6.8和4.8 mm增長至6.8、9.7和7.2 mm。相比于中導洞拱頂沉降，兩側導洞拱頂沉降受擴挖影響更加顯著，左右兩側導洞拱頂沉降增長率分別為47.8%和50.0%，明顯大于中導洞的42.6%。

3.1.2 地層水平位移對比

由兩種工況水平位移歷時曲線（圖7）可以看出，擴挖側導洞將小幅增加各導洞的水平位移，且增長率不超過15%。中導洞和兩側導洞內側拱腰、邊墻的水平位移較大，而擴挖側導洞將加劇隧道變形，工程中應通過打設縮腳錨桿、施作臨時仰拱、縮短初期支護閉合時間等方法來防止拱腰、邊墻出現支護開裂。

圖7 側導洞擴挖前后各導洞測點水平位移歷時曲線

3.2 夾巖力學行為對比

3.2.1 夾巖應力狀態對比

側導洞擴挖之前的夾巖厚度為6.7 m，擴挖之后為4.8 m，夾巖力學狀態優劣直接關系到隧道施工安全。側導洞擴挖之前，夾巖僅有表層巖體進入松動狀態（圖8紅色區域，應力降低區），而中部核心巖體仍處于應力集中狀態（圖8藍色區域），表明夾巖仍具有較強的承載能力。

圖8 側導洞擴挖前后壓應力云圖（單位：Pa）

3.2.2 夾巖塑性區對比

通過塑性區云圖（圖9）可以更加直觀地看出，擴挖側導洞將擴大夾巖塑性區（紅色區域，包括剪破壞、拉破壞），可以通過夾巖塑性率（夾巖塑性區面積占夾巖總面積的百分比）來反映夾巖的安全狀態。側導洞擴挖將使得左右夾巖塑性率由原先的6.9%和8.0%上升至17.8%和14.5%。既有研究表明夾巖臨界安全狀態可由塑性區是否貫通來界定，擴挖以后的塑性區盡管有所上升，但并未貫通。