淺埋偏壓隧道施工過程中圍巖擾動特征研究*

趙海濤,胡 宇,劉丙宇,張彥龍,張小軍,高文學

(1.北京建工路橋集團有限公司,北京 100123; 2.北京工業大學城市建設學部,北京 100124)

0 引言

淺埋偏壓隧道圍巖地質條件相對較差,隧道施工過程中極易引起圍巖較大范圍的擾動。在不同施工階段,圍巖擾動特征各不相同,并直接影響隧道襯砌結構所受荷載大小。因此,探索淺埋偏壓隧道施工過程中圍巖應力變化規律,對指導隧道設計和現場施工具有重要意義。

目前,眾多學者對隧道施工過程中圍巖應力變化規律開展了大量研究。盧欽武等[1]通過引入滑移面偏移角,提出淺埋偏壓隧道圍巖應力計算的修正模型;徐沖等[2]通過引入水平應力占比系數、廣義水平側應力系數,建立了計算淺埋偏壓隧道圍巖壓力的統一模型;戴俊等[3]、羅彥斌等[4]、聶紅賓等[5]、杜建明等[6]、楊公標等[7]建立了不同地質條件下淺埋隧道圍巖應力函數表達式。王士民等[8]、但路昭等[9]分析了不同應力釋放率下淺埋隧道圍巖變形及地表沉降規律;郭瑞等[10]、賈月卿等[11]利用數值模擬分析了圍巖應力變化與位移釋放的相互關系;李又云等[12]、武松等[13]利用模型試驗研究了淺埋隧道的漸進破壞趨勢;李化云等[14]采用相似模型試驗研究了不同加固措施下的圍巖應力與位移變化。

上述研究表明,目前鮮有針對淺埋偏壓隧道三臺階法施工過程圍巖擾動特征的研究,這無疑增加了現場施工風險。本文以國道109新線高速公路齊家莊隧道為研究背景工程,結合現場監測、理論分析與數值模擬,分析隧道三臺階鉆爆法施工過程中圍巖應力變化規律,為隧道設計與施工提供參考。

1 工程概況

國道109新線高速公路工程齊家莊隧道設計起訖里程為A1K45+021—A1K45+315,全長294m,隧道凈空尺寸為14m×12m(寬×高),試驗段拱頂埋深僅10m,地表橫向坡度23°,為典型的淺埋偏壓隧道,如圖1所示。隧道洞身圍巖為中風化安山巖,節理、裂隙發育,切割巖體呈塊狀,基于JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》,綜合確定該圍巖等級為IV級。

圖1 齊家莊隧道洞口

齊家莊隧道采用三臺階鉆爆法施工,各臺階開挖循環進尺為2m,施工步距為20m,利用錨桿、HW175型鋼拱架與C30噴射混凝土進行初期支護。隧道施工過程中,拱頂沉降變形最大,各臺階施工時“臨時拱腳”處應力集中顯著,為研究隧道施工過程中圍巖應力變化,在A1K45+040斷面處布設壓力盒,以期獲得三臺階法施工過程中圍巖應力變化規律。

2 監測結果與分析

當隧道上臺階施工至A1K45+040斷面時,在測點P1,P2,P3處布設壓力盒,如圖2所示;當上臺階施工20m后,中臺階開始施工,此時在測點P4,P5處布設壓力盒;待中臺階施工20m后,下臺階開始施工,在測點P6,P7處布設壓力盒。

圖2 隧道測點示意(單位:m)

隧道施工過程中各測點應力變化規律如圖3所示,由圖可知,上臺階施工時,測點P1,P2,P3應力值均逐漸上升,表明隨著上臺階施工,隧道監測斷面處沉降變形持續增大,圍巖應力不斷增加。當上臺階施工20m時,測點P1,P2,P3處應力值分別為242,478,635kPa,各測點圍巖應力增長速率為P1

圖3 隧道施工過程中各測點應力變化

當上、中臺階同時施工(施工步距20m)時,測點P1處應力值增長趨勢逐漸放緩,并在上臺階施工30m時達到穩定值305kPa,表明隨著上臺階不斷施工,所監測斷面處上臺階圍巖應力逐漸達到平衡狀態。中臺階施工時,圍巖賦存狀態發生改變,測點P2,P3處圍巖夾制作用減弱,應力值降低在中臺階施工達到14m時趨于穩定值46,163kPa,而測點P4,P5圍巖應力值逐漸增大,且增長速率P4

對比分析各測點,P1,P6,P7測點處,圍巖應力持續增加并達到穩定狀態,其應力發展變化趨勢幾乎相同;反觀P2,P3,P4,P5各測點,圍巖應力變化與施工過程、圍巖賦存狀態密切相關,應力從產生、集中到釋放過程,兩者表現不同的規律性。

3 隧道施工數值模擬分析

前述試驗段監測、分析了隧道埋深10m時三臺階法施工過程圍巖應力的變化規律。為了研究不同埋深對隧道施工過程中圍巖應力變化的影響,建立齊家莊隧道施工數值模型(埋深10m),將該模擬結果與現場監測結果進行對比分析,驗證數值模型參數可靠性;采用控制變量法,建立埋深為5,15,20,25m的施工模型,深入研究不同埋深下圍巖擾動變化規律。

3.1 數值模型建立

本模型(埋深10m)中圍巖采用彈塑性本構,服從Mohr-Coulomb屈服準則;支護結構采用彈性模型,其中HW175型鋼拱架按式(1)進行強度折算。模型頂部為自由面,四周添加水平法向約束,底部為豎向約束;隧道數值模型如圖4所示,參數如表1所示。

表1 模型參數

圖4 隧道模型示意

(1)

式中:E為折算后噴射混凝土彈性模量(GPa);Ec為噴射混凝土彈性模量(GPa),取24GPa;Ac為噴射混凝土截面積(m2),取0.15m2,Es為HW175型鋼拱架彈性模量(GPa),取208GPa;As為HW175型鋼拱架截面積(m2),取5.142×10-3m2。

3.2 監測結果與模擬結果對比

由于隧道施工是三維動態施工過程,任一臺階施工均有可能對各測點圍巖應力造成影響,因此需根據不同測點分別提取隧道施工過程中圍巖應力云圖。而基于前述分析,測點P1,P6,P7應力發展趨勢幾乎相同,測點P2,P3,P4,P5應力變化規律幾乎一致,因此以測點P1,P3為代表,分別提取上臺階施工20,22,40,42,60m時圍巖應力云圖,如圖5,6所示。

圖5 不同施工距離下測點P1處圍巖應力

由圖5可知,隧道初始地應力下與上臺階分別施工20,22,40,42,60m時,測點P1處圍巖應力分別為49,249,259,276,277,279kPa。這表明隧道埋深10m時,拱頂圍巖應力與隧道施工距離成正比,并在施工40m時達到穩定值276kPa,后續隧道施工對其影響較小。相比于監測結果,兩者誤差較小,穩定值相對誤差為8.9%。

隧道施工20m時測點P3處圍巖應力云圖如圖6b所示,其夾制作用明顯,應力集中顯著;中臺階開始施工時該處應力云圖如圖6c所示,其應力值由565kPa降至220kPa,降幅達61.1%,而后隨著隧道中臺階施工至22m時達到穩定值97kPa。相比于監測結果,兩者應力從產生、集中到釋放過程,變化規律相同,且峰值應力、穩定值相對誤差僅有14.4%,16.7%。

圖6 不同施工距離下測點P3處圍巖應力

為更直觀評價數值模擬的可靠性,結合圖3、圖5、圖6,提取埋深10m時隧道施工過程中測點P1,P3處圍巖應力的監測值、模擬值如圖7所示,并進行對比分析。

圖7 測點P1,P3處圍巖應力

由圖7可知,測點P1,P3處圍巖應力模擬值曲線光滑,而監測值表現出一定波動性,這是由于現場監測時圍巖地質條件的變化,而數值模擬將巖體假定為均質體,但兩者的變化規律基本一致,相對誤差為20.2%,表明該數值模型參數基本合理,采用該參數模擬不同埋深下圍巖應力可靠。

3.3 不同埋深下數值模擬結果分析

提取不同埋深下隧道施工過程中測點P1,P3處圍巖應力,如圖8所示。

圖8 不同埋深下測點P3處圍巖應力

由圖8a可知,隧道埋深在5～25m范圍,隧道埋深越大,測點P1處圍巖應力越大,不同埋深下該處應力發展趨勢基本一致,均表現為隧道上臺階施工10m時,應力增長速率最快,隨后逐漸變緩;當施工30m時(中臺階施工10m),圍巖應力趨于穩定。

由圖8b可知,隧道埋深在5～25m范圍,測點P3處圍巖應力變化與測點P1處有相同之處:圍巖應力值與增長速率隨隧道埋深增加而增大;不同埋深下應力發展趨勢基本一致。但由于測點P3處圍巖賦存狀態發生改變,其應力發展趨勢有所不同。具體表現為測點P3處圍巖應力在隧道上臺階施工6m時增長速率最大,當施工14m時,其應力發展已趨于穩定;當施工20m(中臺階施工)時,應力降低,而后趨于穩定。下臺階施工對測點P1,P3處圍巖應力影響均較小。

圖9 不同埋深下k值變化

由圖9可知,一方面,在埋深5～25m范圍時,k值先增大,后達到穩定值7.6;另一方面,隨著隧道施工,k先增大后減小,并在隧道施工至11m后,k值<1;這表明在不同埋深下及隧道施工11m范圍內,測點P3處圍巖由于夾制效應,其應力變化幅度大于測點P1。

4 結語

1)隧道施工過程中,圍巖應力產生重分布,其應力發展規律與圍巖賦存狀態有關:拱頂應力持續增大達到穩定狀態,而“臨時拱腳”處應力先增大再減小,而后達到穩定狀態。

2)偏壓作用下,深埋側圍巖應力和其增長速率均大于淺埋側,而“臨時拱腳”處圍巖應力集中顯著,其應力變化規律受隧道施工過程更加敏感,施工時應重點加強該處圍巖應力監測及鎖腳錨桿的設計與施工質量。

3)隧道埋深在5～25m時,隨著隧道施工,“臨時拱腳”與拱頂處應力變化比值隨著隧道埋深增加而逐漸穩定;且距離掌子面0～11m時,“臨時拱腳”應力變化幅度大于拱頂。