某雙線分離式隧道臺(tái)階法施工圍巖穩(wěn)定性研究

周 亮

(廣西交通投資集團(tuán)柳州高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司,廣西 柳州 545036)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的需求,同時(shí)為了滿足人民群眾的出行要求,完善的交通網(wǎng)已經(jīng)成為重要的一環(huán)[1]。我國(guó)幅員遼闊,大量的公路、鐵路隧道興建后產(chǎn)生了地下空間資源的消耗,為了節(jié)約地下空間資源,分離式地下工程也就應(yīng)運(yùn)而生[2]。而分離式隧道的施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度更大,且先行隧道的爆破施工也對(duì)后行隧道施工過程的安全性造成不良的影響[3]。同時(shí)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?cái)_動(dòng),因而更容易失穩(wěn)[4]。因此,研究分離式平行雙線隧道施工過程中圍巖的力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律,對(duì)保障類似工程圍巖穩(wěn)定性具有非常重要的工程價(jià)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(wěn)定性影響因素更多,其研究難度更大,眾多學(xué)者相繼開展了相關(guān)的研究[6]。于20世紀(jì)70年代,日本鐵道學(xué)術(shù)發(fā)布了《關(guān)于平行隧道研究的報(bào)告》,在該報(bào)告中指出當(dāng)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(shí),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(guī)定為30m,鐵路分離式隧道為20m[7]。Wu Ke等[8]采用數(shù)值模擬分析方法研究了分離式隧道的最小間距對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。姚勇等[9]得出了分離式隧道間距對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律,并認(rèn)為當(dāng)隧道間距大于兩倍洞涇時(shí),分離式隧道對(duì)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(duì)分離式隧道圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及開挖后的塑性區(qū)進(jìn)行了分析,使用分離式隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,并對(duì)分離式隧道的開挖與支護(hù)措施提出了相應(yīng)地指導(dǎo)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(qū)的分布范圍,對(duì)分離式隧道的間距設(shè)計(jì)以及扁平率進(jìn)行了優(yōu)化。

本文依托某隧道,采用有限元計(jì)算模擬軟件(FLAC 3D)對(duì)單線雙向分離式隧道在開挖擾動(dòng)作用下圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究,并分別分析了上臺(tái)階開挖后圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布規(guī)律,研究成果可為相類似工程的施工方案、支護(hù)防治的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

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(shè)計(jì)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(jí)圍巖,圍巖風(fēng)化較為嚴(yán)重,節(jié)理裂隙發(fā)育,隧道所處地層為中風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖。其圍巖的力學(xué)參數(shù)如下頁(yè)表1所示。為保障施工過程中圍巖的穩(wěn)定性,本文采取臺(tái)階法開挖。

圖1 分離式隧道工況圖

表1 模型參數(shù)表

1.2 計(jì)算模型的建立

本文采用三維有限單元法軟件 FLAC 3D進(jìn)行模擬計(jì)算,在模型建立過程中全部為實(shí)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(yīng)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(jù)實(shí)測(cè)資料,隧道圍巖最大豎向應(yīng)力為12.5 MPa,最大水平應(yīng)力為8.8 MPa,在計(jì)算過程中可在相應(yīng)地邊界面上施加相同大小、方向的均布荷載。同時(shí),為了更加真實(shí)地模擬實(shí)際工程開挖過程中圍巖力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律,本文采用上下臺(tái)階法施工,因此數(shù)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(yīng)力以及初始地應(yīng)力;(3)初始應(yīng)力場(chǎng)平衡;(4)開挖雙線隧道的上臺(tái)階,巖土體應(yīng)力調(diào)整計(jì)算;(5)開挖雙線隧道的下臺(tái)階,巖土體應(yīng)力調(diào)整計(jì)算;(6)模擬計(jì)算結(jié)果分析。

圖2 單向隧道有限元計(jì)算模型圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 上臺(tái)階開挖后地層應(yīng)力變化分析

地下洞室的開挖會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力釋放,而在應(yīng)力調(diào)整過程中會(huì)產(chǎn)生一定的形變,當(dāng)擾動(dòng)較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致地面產(chǎn)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(dòng)更大,因此在分離式隧道施工過程中極易導(dǎo)致地面產(chǎn)生不均勻的沉降。進(jìn)一步了解單洞雙向分離式隧道施工過程中圍巖所產(chǎn)生的豎向變形以及沉降對(duì)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(tái)階開挖過程圍巖的最大、最小主應(yīng)力云圖。

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

圖3 隧道上臺(tái)階開挖后最小主應(yīng)力云圖(Pa)

圖4 隧道上臺(tái)階開挖后最大主應(yīng)力云圖(Pa)

2.2 下臺(tái)階開挖后地層應(yīng)力變化分析

由于該分離式隧道所處的圍巖等級(jí)較弱,在施工過程中采用臺(tái)階法開挖,而在下臺(tái)階開挖過程中,對(duì)圍巖的開挖擾動(dòng)作用會(huì)進(jìn)一步增大,圖5、圖6為分離式隧道下臺(tái)階開挖過程圍巖的最大最小主應(yīng)力云圖。

圖5為單洞雙線分離式隧道下臺(tái)階開挖后左右洞的最小主應(yīng)力云圖。由圖5可以看出,在分離式隧道下臺(tái)階開挖后,隧道所處的地下均受到了拉應(yīng)力。其中最大壓應(yīng)力為0.03～0.91 MPa,最大壓應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律相似。圖6為單洞雙線分離式隧道下臺(tái)階開挖后左右洞的最小主應(yīng)力云圖。由圖6可以看出,當(dāng)下臺(tái)階開挖后,圍巖均受到壓應(yīng)力左用,且圍巖所受到的最大壓應(yīng)力為1.3 MPa,其分布區(qū)域與最大拉應(yīng)力分布規(guī)律相似。這表明在分離式隧道下臺(tái)階開挖后,此部分巖體所受了較大的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力作用,極易發(fā)生破壞。因此為了保證施工過程中圍巖的穩(wěn)定性、提高施工的安全性,需要在開挖后及時(shí)進(jìn)行加固處理。

圖5 隧道下臺(tái)階開挖后最小主應(yīng)力云圖(Pa)

圖6 隧道下臺(tái)階開挖后最大主應(yīng)力云圖(Pa)

表2為不同計(jì)算步下,分離式隧道上下臺(tái)階開挖過程中的最大、最小主應(yīng)力值。

表2 不同計(jì)算步上下臺(tái)階開挖后最大、最小主應(yīng)力表

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

3 結(jié)語(yǔ)

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(tái)階分布開挖后圍巖的豎向應(yīng)力分布規(guī)律,得到了如下結(jié)論:

(1)當(dāng)上臺(tái)階開挖后會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生一定的擾動(dòng),但圍巖的應(yīng)力集中程度可忽略不計(jì),圍巖周圍的豎向應(yīng)力均為0.7～0.8 MPa。

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

(3)下臺(tái)階開挖后圍巖的最大主應(yīng)力從0.051 MPa增加到了0.41 MPa,圍巖的最小主應(yīng)力從0.017 MPa增加到了0.18 MPa。此時(shí)由于開挖擾動(dòng)導(dǎo)致圍巖損傷的發(fā)展,其承載能力降低,在實(shí)際工程中應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。