淺埋偏壓巖溶隧道圍巖應(yīng)力特征分析

邱飛洋,覃 亮,李國棟,李昌龍

(1.中鐵開發(fā)投資集團(tuán)有限公司 昆明市 650118;2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽市 550081)

0 引言

西南地區(qū)巖溶發(fā)育,地形起伏,修建隧道時其洞口段往往會同時遭遇淺埋偏壓、節(jié)理發(fā)育、圍巖破碎、溶洞等多種不良地質(zhì)構(gòu)造。復(fù)合作用下,若施工方法不當(dāng),將對隧道圍巖應(yīng)力分布造成一定影響,從而導(dǎo)致襯砌變形過大、開裂,對工程安全造成嚴(yán)重影響[1]。因此,研究淺埋偏壓隧道開挖的圍巖應(yīng)力分布對于保障工程質(zhì)量安全具有重要意義。目前,國內(nèi)外學(xué)者已有大量相關(guān)研究。

盧光兆[2]利用有限元軟件對淺埋偏壓隧道不同工法的施工過程進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析,認(rèn)為進(jìn)洞施工宜采用中隔墻法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法可較好地保證隧道穩(wěn)定性。袁海清[3]和徐前衛(wèi)等[4]建立了淺埋偏壓隧道洞口段的有限元分析模型,結(jié)合實(shí)際工程案例,得出在隧道左右兩邊墻處出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),并隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的閉合逐漸減小的結(jié)論。張頂立等[5]以大跨隧道的復(fù)雜地質(zhì)條件為研究背景,采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方式對不同施工方法下圍巖變形特征和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。代樹林等[6]通過數(shù)值模擬方法,得到了不同地表傾角下隧道的受力情況。王茜等[7]研究不同施工方案對小凈距隧道圍巖破壞機(jī)理及荷載特性的影響。以上研究重點(diǎn)分析了常規(guī)情況下淺埋偏壓隧道的圍巖應(yīng)力特征,但關(guān)于存在溶洞時圍巖應(yīng)力分布特征的研究較少。

鑒于此,文章依托金仁桐建新隧道,分析溶洞對于淺埋偏壓隧道不同施工工序中圍巖應(yīng)力的分布特征的影響,以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

建新隧道位于遵義市桐梓縣官倉鎮(zhèn)建新村。左幅隧道里程樁號Z3K92+385～Z3K93+565,長1180m;右幅隧道里程樁號K92+395～K93+573,長1178m。地貌類型為中低山溶蝕構(gòu)造型,山體整體橫坡一般為30°～40°,地面標(biāo)高612～975m,相對高差363m。開挖進(jìn)口右幅至樁號K92+464里程時,在掌子面右拱腰處有一直徑約8m的溶腔。該處掌子面前方上部以粘土及碎石為主;下部基巖為強(qiáng)風(fēng)化灰黑色中層灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀302°∠30°,巖質(zhì)較堅(jiān)硬,巖體破碎,溶蝕裂隙,溶槽發(fā)育,圍巖穩(wěn)定性較差。

2 數(shù)值模型

以建新隧道右幅K92+470斷面為研究對象,分別考慮右側(cè)溶洞與無溶洞的情況,依據(jù)該斷面原始地形及地質(zhì)條件建立數(shù)值模型。如圖1所示,淺埋邊高度取45m,深埋邊高度取91m,地面坡角為21°,覆蓋層厚度為11.7m,模型寬度為93m,溶洞為隧道右側(cè),直徑為8m,溶洞與隧道邊緣間距2m,模型側(cè)面邊界及底部采用法向約束,頂部為自由邊界。

該斷面圍巖等級為Ⅴ級,計(jì)算參數(shù)見表1。采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法,將施工階段劃分為初始地應(yīng)力→上導(dǎo)環(huán)形坑開挖并支護(hù)→左邊墻開挖并支護(hù)→右邊墻開挖并支護(hù)→上部核心土開挖→下臺階開挖并支護(hù),開挖采用FLAC3D中的“null”單元實(shí)現(xiàn)。每次開挖后圍巖先釋放部分應(yīng)力,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),取圍巖應(yīng)力釋放率為30%,各階段襯砌施作采用殼單元實(shí)現(xiàn),計(jì)算采用摩爾—庫倫模型。

表1 力學(xué)參數(shù)

3 受力特征分析

3.1 應(yīng)力特征分析

從圖2可以看出,施工段一,隧道開挖前,深埋側(cè)整體法向應(yīng)力大于淺埋側(cè),且當(dāng)深埋側(cè)存在溶洞時,s2、s4、s6及s8處法向應(yīng)力至少提升18%,此時s4為法向應(yīng)力最大處。施工段二,開挖上部環(huán)形導(dǎo)坑后,s1、s2及s3處法向應(yīng)力得到釋放,同時深埋側(cè)s4、s6處及淺埋側(cè)s5處法向應(yīng)力迅速提高。存在溶洞時,s4與s6處法向應(yīng)力相比無溶洞情況提升約24%,s5處則提升約13%,這是由于上部導(dǎo)坑開挖后,承壓土柱面積減小,豎向載荷由兩側(cè)分擔(dān),而溶洞的存在會進(jìn)一步削減承壓土柱面積,導(dǎo)致法向應(yīng)力提升,此時s4仍是法向應(yīng)力最大處。施工段三,開挖淺埋側(cè)的左邊墻后,由于荷載較小,除s5處應(yīng)力得到釋放外,其他位置應(yīng)力變化不大。施工段四,開挖右邊墻后,深埋側(cè)應(yīng)力得到釋放,無溶洞時,法向應(yīng)力最大點(diǎn)位于s12處,深埋側(cè)存在溶洞時,法向應(yīng)力最大值位于s13處。施工段四及施工段五,開挖核心土與下臺階對圍巖法向應(yīng)力影響不大。

圖2 各施工段監(jiān)測點(diǎn)圍巖法向應(yīng)力

綜上分析可知,開挖上導(dǎo)坑、左邊墻及右邊墻后,圍巖法向應(yīng)力會發(fā)生較大變化,特別是在s4、s5及s6處,而溶洞會使得變化的幅度更大。除此之外,深埋側(cè)存在溶洞時,與無溶洞情況相比,開挖該側(cè)邊墻后圍巖法向應(yīng)力最大值位置可能變化至淺埋側(cè)。

3.2 偏壓系數(shù)分析

隧道偏壓對圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力有較大影響。為了分析隧道不同位置的偏壓程度,引用工程中的不對稱程度表達(dá)式[8],以隧道左右兩側(cè)圍巖應(yīng)力差與兩側(cè)圍巖應(yīng)力均值之比定義偏壓系數(shù),計(jì)算公式如式(1):

(1)

式(1)中,σ深為隧道深埋側(cè)測點(diǎn)圍巖應(yīng)力,σ淺為隧道淺埋側(cè)測點(diǎn)圍巖應(yīng)力。偏壓系數(shù)范圍在0～2,偏壓程度和偏壓系數(shù)成正比。

根據(jù)法向應(yīng)力分析,選擇施工段二、施工段三及施工段四進(jìn)行偏壓程度分析。從圖3可以看出,施工段二中,s2/s3處偏壓系數(shù)最大,且存在溶洞時,s4/s5、s6/s7、s8/s9及s12/s13處偏壓程度均高于無溶洞時,在s8/s9及s12/s13處較為明顯;施工段三中,s4/s5及s6/s7處偏壓系數(shù)最大,存在溶洞時,各點(diǎn)的偏壓系數(shù)均略高于無溶洞情況,在s2/s3處及s12/s13處最為明顯。施工段四中,無溶洞時,s4/s5、s6/s7及s8/s9處偏壓系數(shù)均較高,而當(dāng)存在溶洞時,s2/s3及s12/s13處偏壓系數(shù)均有大幅提升,特別是s12/s13處,相較于無溶洞情況偏壓系數(shù)提升近10倍。

圖3 施工段二、施工段三及施工段四監(jiān)測點(diǎn)偏壓系數(shù)

綜上所述,施工段三和施工段四中,圍巖整體的偏壓程度會有大幅提升,而圍巖的最大偏壓位置通常在s4/s5處、s6/s7處以及拱肩附近。此外,當(dāng)深埋側(cè)存在溶洞時,往往會導(dǎo)致圍巖整體的偏壓程度提高,特別是在s12/s13處及拱腰附近偏拱腳處,溶洞對圍巖偏壓程度的影響最為明顯。

4 結(jié)論

(1)在淺埋偏壓隧道開挖中,圍巖應(yīng)力分布會不斷發(fā)生改變。采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法時,在開挖深埋側(cè)邊墻時變化最大,最大法向應(yīng)力會從深埋側(cè)拱肩位置向深埋側(cè)墻腳位置變化,但同時法向應(yīng)力值也有所衰減,而圍巖的最大偏壓位置也從拱頂附近轉(zhuǎn)移到拱肩,且圍巖整體的偏壓程度也在不斷提高。

(2)當(dāng)深埋側(cè)存在溶洞時,會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力變化更為劇烈,在拱肩及拱腰附近較為顯著。同時,在開挖深埋側(cè)邊墻時,還會導(dǎo)致最大法向應(yīng)力位置從深埋側(cè)跳轉(zhuǎn)到淺埋側(cè),以及拱腰位置偏壓程度大幅上升。因此,隧道開挖過程中應(yīng)注意拱腰處應(yīng)力變化,如發(fā)現(xiàn)淺埋側(cè)應(yīng)力大幅超過深埋側(cè)時,應(yīng)當(dāng)考慮深埋側(cè)存在一定規(guī)模溶洞的可能性,勘探后再決定下一步施工。

(3)文章僅考慮了深埋側(cè)單個溶洞情況。事實(shí)上,在建新隧道開挖過程中,還揭露了各種溶隙、溶溝等巖溶構(gòu)造,與溶洞共同形成復(fù)雜的巖溶網(wǎng)絡(luò)。這種構(gòu)造對淺埋偏壓隧道圍巖的應(yīng)力、變形乃至破壞有待進(jìn)一步研究。