超前導(dǎo)洞不同擴(kuò)建方案對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響研究

劉小鵬

(山西交通建設(shè)監(jiān)理咨詢(xún)集團(tuán)有限公司 太原市 030000)

0 引言

多數(shù)隧道由于年代已經(jīng)久遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與通行能力遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)[1]，另外，基于環(huán)保要求，國(guó)家要求盡可能減少植被破壞。國(guó)內(nèi)外學(xué)者考慮空間運(yùn)用合理性，常常采用擴(kuò)建方式進(jìn)行建設(shè)，以減小對(duì)環(huán)境的影響[2]。喬宏[3]結(jié)合隧道拆除及擴(kuò)挖，分析數(shù)據(jù)得出安全可靠的施工方法。梁文輝[4]采取礦山法對(duì)土質(zhì)隧道進(jìn)行擴(kuò)建，得出相關(guān)土質(zhì)隧道擴(kuò)挖工藝。張勃蓬[5]據(jù)黃土隧道實(shí)例，選擇不同擴(kuò)建方案，確定出最優(yōu)解。許明堂等[6]研究不同擴(kuò)建工藝對(duì)圍巖位移的影響，得出單側(cè)擴(kuò)建優(yōu)于雙側(cè)。實(shí)際圍巖情況不同，需根據(jù)不同情況采取不同施工方法，如全斷面開(kāi)挖、臺(tái)階開(kāi)挖等。若圍巖為III-V級(jí)，可采用全斷面法或者兩臺(tái)階法，V級(jí)圍巖則需要更加精細(xì)的施工工藝，例如三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，CD法、CRD法等[7]。

不同初始地應(yīng)力下，不同擴(kuò)建方法可能會(huì)使建成后的隧道圍巖應(yīng)力存在差異，從而影響隧道穩(wěn)定性。以超前導(dǎo)洞擴(kuò)建成單洞公路隧道為背景，運(yùn)用軟件FLAC3D建立全斷面擴(kuò)建與兩臺(tái)階擴(kuò)挖模型，在超前導(dǎo)洞擴(kuò)建成隧道后對(duì)圍巖水平位移、豎向位移與塑性區(qū)范圍進(jìn)行分析，運(yùn)用相關(guān)判定規(guī)則確定不同擴(kuò)建方法的隧道穩(wěn)定性。

1 項(xiàng)目概況

以超前導(dǎo)洞擴(kuò)建成隧道為背景，隧道埋深約為40m。隧道圍巖由片巖以及灰?guī)r組成，巖土體完整性較好，風(fēng)化程度為中風(fēng)化，在開(kāi)挖過(guò)程中可能導(dǎo)致隧道穩(wěn)定性越來(lái)越差，在擴(kuò)建施工過(guò)程中應(yīng)該對(duì)位移與應(yīng)力等必測(cè)與選測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，積極調(diào)整施工工藝確保隧道施工穩(wěn)定性，據(jù)相關(guān)工程資料顯示擴(kuò)建區(qū)域圍巖為IV級(jí)。在超前導(dǎo)洞擴(kuò)建過(guò)程中可采取不同擴(kuò)建工藝示意圖如圖1。

圖1 超前導(dǎo)洞不同擴(kuò)建方案

2 模型與工況參數(shù)

初支為厚度30cm的C25噴射混凝土，將初期支護(hù)其他材料進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算如式(1)進(jìn)行求解化簡(jiǎn)，由于只考慮施工階段，不對(duì)二襯進(jìn)行分析，通過(guò)不設(shè)置二次襯砌實(shí)現(xiàn)施工階段的嚴(yán)格把控，在施工過(guò)程中應(yīng)該將圍巖與初期支護(hù)視為一個(gè)共同承擔(dān)圍巖應(yīng)力釋放的結(jié)構(gòu)。

(1)

式中：E為總彈性模量(GPa)；Ec為原混凝土彈性模量(GPa)；Eg為鋼材彈性模量(GPa)；Sg為鋼拱架等橫截面面積(m2)；Sc為混凝土橫截面面積(m2)。

將某圓形導(dǎo)洞視為超前導(dǎo)洞，其半徑為2m，建立長(zhǎng)90m寬90m×2m數(shù)值模型，采用理想彈塑性本構(gòu)進(jìn)行模擬，上部邊界自由，左右前后與下部均取法向約束，將錨桿注漿等填充與加固措施視為一定范圍加固圈，加固圈采用實(shí)體進(jìn)行模擬，初支采取殼單元進(jìn)行模擬，隧道與支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)取值如表1。

表1 隧道與支護(hù)物理力學(xué)參取值

3 隧道穩(wěn)定性分析

隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)為拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與仰拱。由于隧道結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)分布，取半邊進(jìn)行分析即可。位移與塑性區(qū)能直觀表現(xiàn)出隧道實(shí)際狀態(tài)，在數(shù)值模擬中相對(duì)于其余指標(biāo)能夠直觀表達(dá)出來(lái)，因此研究不同擴(kuò)建方案對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響主要從三方面入手(水平位移、豎向位移與塑性區(qū))。位移表現(xiàn)為水平擠入、頂部沉降與底部隆起，若位移過(guò)大會(huì)侵入建筑輪廓；塑性區(qū)主要就塑性變形占據(jù)主導(dǎo)，是易發(fā)生破壞的區(qū)域。可利用相應(yīng)指標(biāo)對(duì)三者進(jìn)行評(píng)價(jià)，判定隧道是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)眾多學(xué)者研究及實(shí)際工程反映得出隧道開(kāi)挖可以運(yùn)用不同的施工方案，達(dá)到的效果也有所差異。基于超前導(dǎo)洞擴(kuò)建，利用全斷面擴(kuò)建與兩臺(tái)階擴(kuò)建方案對(duì)隧道穩(wěn)定性差異進(jìn)行研究。

3.1 不同擴(kuò)建方案的隧道水平位移分析

通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)超前導(dǎo)洞全斷面擴(kuò)建與兩臺(tái)階擴(kuò)建，得出拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與仰拱等五個(gè)部位的水平位移云圖，研究超前導(dǎo)洞不同方案擴(kuò)建的水平位移差異，模擬結(jié)果如圖2。

圖2 不同擴(kuò)建方案的隧道圍巖水平位移(單位：mm)

分析不同擴(kuò)建方案的圍巖水平位移，得出：

(1)超前導(dǎo)洞經(jīng)過(guò)不同擴(kuò)建方案形成的隧道水平位移均呈現(xiàn)向內(nèi)部擠入的趨勢(shì)，水平位移表現(xiàn)為向內(nèi)部收斂，不同擴(kuò)建方案的隧道位移較大的位置均分布于拱肩與拱腰范圍內(nèi)。

(2)分析水平位移云圖及對(duì)應(yīng)部位數(shù)值結(jié)果，全斷面擴(kuò)建方案的最大水平位移約為1.0mm，兩臺(tái)階擴(kuò)建方案的最大水平位移約為0.8mm。兩臺(tái)階擴(kuò)建方案最大水平位移小于全斷面擴(kuò)建，從水平位移角度分析得出兩臺(tái)階擴(kuò)建方案優(yōu)于全斷面擴(kuò)建，側(cè)面說(shuō)明性質(zhì)較差的巖體不適用于全斷面開(kāi)挖。

(3)從水平位移數(shù)值結(jié)果分析看出兩臺(tái)階優(yōu)于全斷面，是由于兩臺(tái)階擴(kuò)建將隧道斷面分為兩部分開(kāi)工，在上半部分?jǐn)U建穩(wěn)定后再繼續(xù)施工下半部，其圍巖水平位移變化程度小于全斷面擴(kuò)建。

3.2 不同擴(kuò)建方案的隧道豎向位移分析

將拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與仰拱等五個(gè)部位的豎向位移值提取出來(lái)進(jìn)行研究，如表2所示，探究超前導(dǎo)洞經(jīng)過(guò)不同方案擴(kuò)建成隧道的豎向位移是否存在著差異性，模擬數(shù)值結(jié)果云圖如圖3。

表2 隧道圍巖豎向位移 mm

圖3 不同擴(kuò)建方案的隧道圍巖豎向位移(單位：mm)

由表2與圖3數(shù)據(jù)分析不同擴(kuò)建方案的隧道圍巖豎向位移得出：

(1)由圖3圍巖豎向位移云圖可知，拱頂表現(xiàn)為沉降位移，拱底表現(xiàn)為隆起位移，隧道上部分向下擠入，下半部分向上隆起，沉降最大位移值均位于拱頂，隆起最大位移值均位于拱底。

(2)超前導(dǎo)洞經(jīng)過(guò)不同擴(kuò)建方案，隧道呈現(xiàn)出不同的位移變化規(guī)律，對(duì)比全斷面擴(kuò)建與兩臺(tái)階法擴(kuò)建，全斷面擴(kuò)建的隧道各部位圍巖豎向位移明顯大于兩臺(tái)階法擴(kuò)建，全斷面擴(kuò)建拱頂豎向位移為4.0mm，較之臺(tái)階法擴(kuò)建增加1.5mm；全斷面擴(kuò)建拱底豎向位移為5.4mm，較之兩臺(tái)階增大1.0mm。

(3)通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)分析不同擴(kuò)建方案差異性，從豎向位移角度可以看出兩臺(tái)階擴(kuò)建法更具有優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)建完成后隧道圍巖位移變化更小，施工安全性較高。兩臺(tái)階分成上下部分施工，邊施工邊進(jìn)行初期支護(hù)的施作，防止圍巖變形過(guò)大；全斷面擴(kuò)建雖一次性形成斷面，對(duì)圍巖也不形成多次擾動(dòng)，但不進(jìn)行分部施工，支護(hù)不及時(shí)易導(dǎo)致位移變大。

3.3 不同擴(kuò)建方案的隧道塑性區(qū)分析

數(shù)值模擬相對(duì)實(shí)際工程，可以較為直接觀察到隧道經(jīng)過(guò)不同方案擴(kuò)建之后的圍巖塑性區(qū)，超前導(dǎo)洞經(jīng)全斷面與兩臺(tái)階擴(kuò)建后的隧道圍巖體塑性區(qū)呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，圍巖塑性區(qū)如圖4所示。

圖4 隧道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

由圖4對(duì)不同擴(kuò)建方案的隧道圍巖塑性區(qū)進(jìn)行分析：

(1)超前導(dǎo)洞經(jīng)不同擴(kuò)建方案形成隧道，圍巖塑性區(qū)存在一定差異性，全斷面擴(kuò)建的塑性區(qū)范圍稍小于兩臺(tái)階擴(kuò)建。不同擴(kuò)建方案的底部、拱腳處塑性區(qū)范圍無(wú)明顯差異，明顯差異出現(xiàn)于拱頂、拱肩與拱腰部位，兩臺(tái)階擴(kuò)建的塑性區(qū)范圍明顯大于全斷面擴(kuò)建；拱腳處塑性區(qū)受剪切作用，拱腳破壞形式為剪切破壞，因此施工過(guò)程中應(yīng)盡快封閉成環(huán)以提高抗剪能力。

(2)兩臺(tái)階擴(kuò)建的塑性區(qū)范圍大于全斷面擴(kuò)建，這是因?yàn)閲鷰r受到多次擾動(dòng)的原因。全斷面一次成形對(duì)圍巖僅一次擾動(dòng)；而兩臺(tái)階段分部開(kāi)挖，對(duì)隧道存在兩次擾動(dòng)，隧道塑性區(qū)難免有所增大，所以隧道上部分塑性區(qū)范圍大于全斷面擴(kuò)建方案。

(3)塑性區(qū)范圍越大并不能說(shuō)明隧道穩(wěn)定性越差，新奧法中復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)將圍巖與支護(hù)視為受力整體，只要圍巖塑性區(qū)范圍不超過(guò)允許極限值，塑性區(qū)可充分發(fā)展并積極發(fā)揮自身承載能力，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。利用相應(yīng)隧道塑性區(qū)判據(jù)評(píng)價(jià)兩種擴(kuò)建方案的優(yōu)劣性，若兩者塑性區(qū)范圍均在安全值內(nèi)，那么兩臺(tái)階擴(kuò)建方案的襯砌受力越小，對(duì)隧道穩(wěn)定性越好。

3.4 利用相應(yīng)判據(jù)評(píng)判隧道穩(wěn)定性

塑性區(qū)范圍為塑性區(qū)域厚度，小于隧道洞直徑20%為安全值，隧道高度為9.5m，塑性區(qū)安全范圍1.9m；隧道埋深約為40m，按規(guī)范線性插值取0.26%，求出隧道允許位移為25mm。圖5為不同擴(kuò)建的塑性區(qū)范圍判據(jù)。

圖5 隧道塑性區(qū)范圍安全判據(jù)

結(jié)合3.1、3.2與3.3節(jié)相關(guān)結(jié)論，利用相應(yīng)判據(jù)對(duì)不同擴(kuò)建方案的隧道穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)：

(1)不同擴(kuò)建方案的隧道水平位移與豎向位移均小于25mm，從位移角度分析得出隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)，兩臺(tái)階擴(kuò)建方案更優(yōu)。

(2)從圖5可以看出兩臺(tái)階擴(kuò)建方案各部位塑性區(qū)范圍稍大于全斷面擴(kuò)建方案，兩種擴(kuò)建方案的拱腳處塑性區(qū)范圍均超過(guò)安全值1.9m，分別為2.5m與2.4m，說(shuō)明隧道拱腳位置處可能存在局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該在施工過(guò)程中加強(qiáng)支護(hù)措施。

(3)通過(guò)水平位移、豎向位移以及塑性區(qū)判據(jù)對(duì)相應(yīng)擴(kuò)建方案的隧道穩(wěn)定性做出了評(píng)價(jià)，僅從塑性區(qū)判據(jù)得出拱腳部位在施工過(guò)程中存在局部失去穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，位移評(píng)價(jià)指標(biāo)顯示隧道穩(wěn)定性較好，但對(duì)比而言?xún)膳_(tái)階擴(kuò)建方案更優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用了FLAC3D軟件對(duì)超前導(dǎo)洞擴(kuò)建成隧道進(jìn)行分析，探究經(jīng)不同擴(kuò)建方案施工后隧道穩(wěn)定性的差異，得出隧道何處易失穩(wěn)以及何種擴(kuò)建方案更優(yōu)，得到下列結(jié)論：

(1)從水平位移、豎向位移與塑性區(qū)范圍三方面總結(jié)分析得出兩臺(tái)階擴(kuò)建方案優(yōu)于全斷面擴(kuò)建。兩臺(tái)階擴(kuò)建方案的整體水平位移與豎向位移更小，雖塑性區(qū)范圍更大，但發(fā)揮了圍巖部分自承能力，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)受力且有利于隧道耐久性。

(2)不同擴(kuò)建方案的水平豎向位移均小于極限位移值；但兩種擴(kuò)建方案的拱腳處塑性區(qū)范圍均大于安全值，可能發(fā)生局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，隧道掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)關(guān)注拱腳處圍巖穩(wěn)定性，盡快封閉成環(huán)。

(3)超前導(dǎo)洞擴(kuò)建成隧道應(yīng)采取臺(tái)階法進(jìn)行擴(kuò)建，若圍巖性質(zhì)更差可采取三臺(tái)階分部等擴(kuò)建方案，其更加有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性；進(jìn)行合理支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工讓隧道安全儲(chǔ)備越高，運(yùn)營(yíng)期間的耐久性能越好。