某雙線分離式隧道臺階法施工圍巖穩定性研究

周 亮

(廣西交通投資集團柳州高速公路運營有限公司,廣西 柳州 545036)

0 引言

隨著我國經濟飛速發展的需求,同時為了滿足人民群眾的出行要求,完善的交通網已經成為重要的一環[1]。我國幅員遼闊,大量的公路、鐵路隧道興建后產生了地下空間資源的消耗,為了節約地下空間資源,分離式地下工程也就應運而生[2]。而分離式隧道的施工對圍巖的擾動程度更大,且先行隧道的爆破施工也對后行隧道施工過程的安全性造成不良的影響[3]。同時相較于單線隧道,雙線隧道的中線夾巖由于受到左右行隧道的雙重擾動,因而更容易失穩[4]。因此,研究分離式平行雙線隧道施工過程中圍巖的力學參數變化規律,對保障類似工程圍巖穩定性具有非常重要的工程價值[5]。

由上可知,相較于單洞隧道,單洞雙向分離式隧道圍巖的穩定性影響因素更多,其研究難度更大,眾多學者相繼開展了相關的研究[6]。于20世紀70年代,日本鐵道學術發布了《關于平行隧道研究的報告》,在該報告中指出當中心距為開挖寬度的兩倍(軟黏土地層中則為開挖寬度的5倍)時,可將分離式隧道中心地層視為完全彈性體。而公路分離式隧道規定為30m,鐵路分離式隧道為20m[7]。Wu Ke等[8]采用數值模擬分析方法研究了分離式隧道的最小間距對圍巖穩定性的影響。姚勇等[9]得出了分離式隧道間距對圍巖穩定性影響規律,并認為當隧道間距大于兩倍洞涇時,分離式隧道對圍巖的影響程度較小。朱莉等[10]采用FLAC 3D軟件研究了不同隧道間距對分離式隧道圍巖的位移場、應力場以及開挖后的塑性區進行了分析,使用分離式隧道施工現場的監測數據驗證了模擬結果的準確性,并對分離式隧道的開挖與支護措施提出了相應地指導措施。王輝等[11]依托某工程,采用ABAQUS程序,研究了分離式隧道開挖面積、地表和拱底的隆起量以及塑性區的分布范圍,對分離式隧道的間距設計以及扁平率進行了優化。

本文依托某隧道,采用有限元計算模擬軟件(FLAC 3D)對單線雙向分離式隧道在開挖擾動作用下圍巖的穩定性進行數值模擬研究,并分別分析了上臺階開挖后圍巖的應力場、位移場分布規律,研究成果可為相類似工程的施工方案、支護防治的設計提供理論基礎。

1 工程概況與模型的建立

1.1 工程概況

本文以某山嶺隧道工程為研究背景,該工程DK 17+150～DK 17+220段為平行雙向分離式隧道。該隧道為雙向四車道分離式隧洞,設計的最大車速為100 km/h。該隧道為卵形隧道,其隧道斷面圖如圖1所示。兩條隧道的間距為30 m,為大凈距分離式隧道。分離式隧道所穿越的地層屬于Ⅴ級圍巖,圍巖風化較為嚴重,節理裂隙發育,隧道所處地層為中風化的泥質粉砂巖。其圍巖的力學參數如下頁表1所示。為保障施工過程中圍巖的穩定性,本文采取臺階法開挖。

圖1 分離式隧道工況圖

表1 模型參數表

1.2 計算模型的建立

本文采用三維有限單元法軟件 FLAC 3D進行模擬計算,在模型建立過程中全部為實體單元。模型的尺寸:水平方向(X方向)為140 m,埋深方向(Z方向)為90 m,由于將雙線隧道視為平面應變問題,因此開挖方向(Y方向)可取1 m,其中分離式隧道的單向隧道模型圖如圖2所示。根據實測資料,隧道圍巖最大豎向應力為12.5 MPa,最大水平應力為8.8 MPa,在計算過程中可在相應地邊界面上施加相同大小、方向的均布荷載。同時,為了更加真實地模擬實際工程開挖過程中圍巖力學參數的變化規律,本文采用上下臺階法施工,因此數值模擬可分為以下幾步:(1)建立平行雙線分離式隧道圍巖模型;(2)施加自重應力以及初始地應力;(3)初始應力場平衡;(4)開挖雙線隧道的上臺階,巖土體應力調整計算;(5)開挖雙線隧道的下臺階,巖土體應力調整計算;(6)模擬計算結果分析。

圖2 單向隧道有限元計算模型圖

2 數值模擬結果分析

2.1 上臺階開挖后地層應力變化分析

地下洞室的開挖會導致應力釋放,而在應力調整過程中會產生一定的形變,當擾動較大時會導致地面產生沉降。而相較于單線隧道,單洞雙向分離式隧道的施工擾動更大,因此在分離式隧道施工過程中極易導致地面產生不均勻的沉降。進一步了解單洞雙向分離式隧道施工過程中圍巖所產生的豎向變形以及沉降對保障地面的安全具有重要的工程意義。圖3、圖4為分離式隧道上臺階開挖過程圍巖的最大、最小主應力云圖。

圖3為當單線雙向分離式隧道上臺階開挖后地層的最小主應力分布圖。在未開挖的地層中,圍巖的應力場成層狀分布,而由圖3可以看出,當上臺階開挖后會對圍巖產生一定的擾動,在距離隧道拱底以下,圍巖的應力場呈非層狀分布。由圖3可知,當上臺階開挖后,圍巖的應力集中程度可忽略不計,圍巖周圍的豎向應力均為0.7～0.8 MPa。且隨著地層的深度越大,圍巖所受的豎向應力也越大。圖4為分離式隧道在上臺階施工開挖后的最大主應力云圖,由圖4可以看出,在上臺階開挖后,隧道的圍巖所處的應力均為壓應力。在隧道輪廓面附近,在拱底出現了最大壓應力,其壓應力值為5 398 Pa,最大主應力為壓應力表明這部分巖體處于三向受壓狀態。在下臺階以下的圍巖,隨著埋深的增大圍巖的最大主應力也愈大,在模型的最底層,巖體所受的最大主應力為1.25 MPa。

圖3 隧道上臺階開挖后最小主應力云圖(Pa)

圖4 隧道上臺階開挖后最大主應力云圖(Pa)

2.2 下臺階開挖后地層應力變化分析

由于該分離式隧道所處的圍巖等級較弱,在施工過程中采用臺階法開挖,而在下臺階開挖過程中,對圍巖的開挖擾動作用會進一步增大,圖5、圖6為分離式隧道下臺階開挖過程圍巖的最大最小主應力云圖。

圖5為單洞雙線分離式隧道下臺階開挖后左右洞的最小主應力云圖。由圖5可以看出,在分離式隧道下臺階開挖后,隧道所處的地下均受到了拉應力。其中最大壓應力為0.03～0.91 MPa,最大壓應力分布在距離分離式隧道拱底部以及距離隧道拱肩3 m處,呈月牙狀分布,且左右洞隧道的最小主應力分布規律相似。圖6為單洞雙線分離式隧道下臺階開挖后左右洞的最小主應力云圖。由圖6可以看出,當下臺階開挖后,圍巖均受到壓應力左用,且圍巖所受到的最大壓應力為1.3 MPa,其分布區域與最大拉應力分布規律相似。這表明在分離式隧道下臺階開挖后,此部分巖體所受了較大的拉應力與壓應力作用,極易發生破壞。因此為了保證施工過程中圍巖的穩定性、提高施工的安全性,需要在開挖后及時進行加固處理。

圖5 隧道下臺階開挖后最小主應力云圖(Pa)

圖6 隧道下臺階開挖后最大主應力云圖(Pa)

表2為不同計算步下,分離式隧道上下臺階開挖過程中的最大、最小主應力值。

表2 不同計算步上下臺階開挖后最大、最小主應力表

由表2可以看出,隨著數值模擬軟件的計算,分離式隧道在上下臺階開挖后圍巖的最大、最小主應力值不斷增大。當計算步從100步增加到2 000步時,上臺階開挖后圍巖的最大主應力從0.12 MPa增加到了1.29 MPa,圍巖的最小主應力從0.011 MPa增加到了0.078 MPa。而由表2可知,在下臺階開挖后,圍巖從單向受拉狀態轉換為三向受壓狀態,且圍巖所受的應力值也有所減小。當計算步從100步增加到2 000步時,下臺階開挖后圍巖的最大主應力從0.051 MPa增加到了0.41 MPa,圍巖的最小主應力從0.017 MPa增加到了0.18 MPa。

3 結語

本文依托某山嶺公路隧道,采用有限單元法軟件FLAC 3D研究了單洞雙線分離式隧道上下臺階分布開挖后圍巖的豎向應力分布規律,得到了如下結論:

(1)當上臺階開挖后會對圍巖產生一定的擾動,但圍巖的應力集中程度可忽略不計,圍巖周圍的豎向應力均為0.7～0.8 MPa。

(2)在分離式隧道下臺階開挖后,隧道所處的地下均受到了拉應力,其中最大壓應力為0.03～0.91 MPa。部分圍巖所受到了較大的壓應力,其應力值為1.3 MPa。

(3)下臺階開挖后圍巖的最大主應力從0.051 MPa增加到了0.41 MPa,圍巖的最小主應力從0.017 MPa增加到了0.18 MPa。此時由于開挖擾動導致圍巖損傷的發展,其承載能力降低,在實際工程中應及時進行支護。