隧道洞口淺埋偏壓段位移及力學(xué)行為分析

嚴(yán) 濤，魏 星，吳 坤

(1.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)土木系，四川峨眉 614202;2.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院，成都 610031;3.中鐵西南科學(xué)研究院，成都 610031)

1 概述

隨著山區(qū)高速公路的大量修建，隧道洞口段經(jīng)常出現(xiàn)淺埋偏壓軟弱圍巖，而隧道埋深淺且偏壓嚴(yán)重將使圍巖穩(wěn)定性變的很差，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工中稍有不慎將出現(xiàn)塌方的嚴(yán)重事故，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)就淺埋偏壓隧道進(jìn)行了一系列的研究。佘健等［1］運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS對(duì)軟弱圍巖段隧道施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算，得出了圍巖位移的變化規(guī)律;楊小禮等［2］采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，對(duì)淺埋小凈距雙洞六車道偏壓公路隧道在不同開挖順序下進(jìn)行施工力學(xué)數(shù)值模擬，分析不同開挖順序時(shí)的圍巖位移、應(yīng)力、地表位移以及塑性區(qū)的變化，并進(jìn)行了比較;張小軍［3］結(jié)合具體的工程實(shí)例，針對(duì)工程地質(zhì)情況，介紹了軟弱圍巖淺埋偏壓隧道的開挖方式、支護(hù)手段、防水技術(shù)等一套行之有效的措施，對(duì)以后的工程可提供有益的探索。王明年等［4～5］通過模型試驗(yàn)對(duì)軟弱圍巖下3孔小凈距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術(shù)和施工力學(xué)進(jìn)行研究，對(duì)不同的圍巖預(yù)加固強(qiáng)度和施工進(jìn)尺進(jìn)行了評(píng)價(jià);周佳媚等［6］通過對(duì)旦架哨隧道偏壓滑坡地段現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得到了工字鋼和錨桿等支護(hù)構(gòu)件的受力特征，并通過有限元計(jì)算驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料的正確性，為合理設(shè)計(jì)隧道提供了依據(jù)。鄧少軍等［7］選取了淺埋偏壓隧道仲溪隧道的一典型斷面作為計(jì)算模型，運(yùn)用FLAC2D，對(duì)其在兩種不同施工順序下的施工力學(xué)行為進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過對(duì)比兩種施工順序下圍巖的應(yīng)力、位移以及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力，提出了開挖方案并獲得應(yīng)用，可供淺埋偏壓連拱隧道施工工序選擇參考。

2 工況

以老鴨嶺隧道左線進(jìn)口段為研究對(duì)象，原設(shè)計(jì)此段為Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段，設(shè)計(jì)見圖1，而實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)此段沉降較快，支護(hù)不能滿足要求，有洞頂塌方的危險(xiǎn)。后將此段圍巖變更為Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段(圖2)，增強(qiáng)了支護(hù)能力。但此隧道比較特殊的是左右線隧道洞門相差一百多米，左線隧道先進(jìn)洞，因此左線隧道右側(cè)是右線路基的邊坡，此邊坡距離左線隧道拱腰最近只有5 m，整個(gè)地勢(shì)偏壓極為嚴(yán)重，除加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)強(qiáng)度外，還考慮在邊坡上進(jìn)行小導(dǎo)管注漿加固(圖3)，確保隧道安全掘進(jìn)。本文將對(duì)變更支護(hù)加強(qiáng)后的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位:cm)

3 淺埋偏壓山體隧道計(jì)算模型

為了研究隧道開挖所造成的位移和應(yīng)力狀態(tài)，以下述假定為前提［8］:

(1)圍巖為均質(zhì)的各向同性的連續(xù)介質(zhì);

(2)只考慮自重造成的初始應(yīng)力場(chǎng);

(3)隧道形狀以規(guī)則的圓形為主。

圖2 Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位:cm)

圖3 隧道進(jìn)口左線邊坡加固

二次襯砌作為長(zhǎng)期安全性儲(chǔ)備［9～11］，計(jì)算時(shí)不予考慮。初期支護(hù)由中空注漿錨桿、鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架、早強(qiáng)混凝土組成，建模時(shí)初期支護(hù)統(tǒng)一考慮為襯砌，用4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，超前導(dǎo)管注漿影響的范圍在拱頂以上3 m范圍內(nèi)，此部分區(qū)域形成“加固改良區(qū)”;同時(shí)，邊坡進(jìn)行小導(dǎo)管注漿加固區(qū)域，此部分區(qū)域也形成“加固改良區(qū)”，建模時(shí)按提高這兩部分材料屬性處理。開挖圍巖以及隧道周邊圍巖用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，圍巖采用彈塑性材料計(jì)算，屈服準(zhǔn)則采用Drucker-Prager準(zhǔn)則［12］，Ⅴ級(jí)圍巖、加固區(qū)及襯砌支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖及襯砌支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

取X方向?yàn)闄M向，Y方向?yàn)樨Q向，Z方向?yàn)榭v向隧道開挖前進(jìn)方向。以隧道圓心為原點(diǎn)，模型X方向左右各取42 m，Y方向向上取到地面，向下取45 m，Z方向取18 m，由于隧道每次開挖進(jìn)尺0.75 m，因此將隧道沿Z方向分成24個(gè)開挖段，以Z=9 m處即第12和第13交界面作為目標(biāo)斷面。對(duì)模型左右兩側(cè)邊界施加X方向的約束，下邊界施加Y方向的約束，上邊界為自由邊界，縱向約束Z方向位移。三維模型如圖4所示。

圖4 隧道進(jìn)口左線淺埋偏壓模型

采用單元的“生”和“死”模擬隧道的開挖支護(hù)過程，隧道的開挖過程是通過殺死開挖部分的單元實(shí)現(xiàn)的，即把死單元相關(guān)的剛度和荷載變?yōu)橐粯O小值［13］，每步開挖長(zhǎng)度計(jì)為0.75 m;隧道的襯砌支護(hù)通過激活單元來實(shí)現(xiàn)，每步支護(hù)長(zhǎng)度同樣計(jì)為0.75 m，共計(jì)49步。采用上下臺(tái)階法開挖，即上臺(tái)階開挖支護(hù)完畢再進(jìn)行下臺(tái)階開挖支護(hù)。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1 圍巖位移分析

(1)地表位移沉降規(guī)律

選取Z=9 m時(shí)偏壓地表上有代表性的點(diǎn)位作為分析對(duì)象。開挖圓心正上方地表處X=0，向右為正，向左為負(fù)。各點(diǎn)位地表沉降Y方向位移隨開挖變化的規(guī)律如圖5所示(包含自重應(yīng)力作用下的Y方向位移)，由圖5可知，X=－6 m處即偏壓山體較高一側(cè)累計(jì)沉降最大，達(dá)到1.143 cm，這主要是地形偏壓所致，且埋深較淺，開挖所影響的范圍已經(jīng)波及到地表，其上的豎向壓力應(yīng)該等于上覆土體的全自重，顯然山體較高一側(cè)豎向壓力最大，Y方向沉降也就最大。

圖5 地表各點(diǎn)Y方向位移

(2)拱圈Y方向位移分析

同樣選取Z=9 m處圍巖拱頂、仰拱、右側(cè)拱腰、左側(cè)拱腰各點(diǎn)Y方向位移作為研究對(duì)象，如圖6所示。由圖6可知，仰拱及右側(cè)拱腰在開挖時(shí)均產(chǎn)生向上的位移，而拱頂和左側(cè)拱腰產(chǎn)生向下的位移。出現(xiàn)以上規(guī)律還是由于地形淺埋偏壓所致，開挖時(shí)由于應(yīng)力重分布，為了達(dá)到新的應(yīng)力平衡，地層各點(diǎn)將向洞內(nèi)收斂，而山體較高一側(cè)(左側(cè)拱腰)豎向應(yīng)力更大，將產(chǎn)生較大的向下的位移，在山體較低一側(cè)(右側(cè)拱腰)將產(chǎn)生向上的位移。為了阻止仰拱向上的位移，施工時(shí)應(yīng)及時(shí)封閉仰拱，形成整體受力。

4.2 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖7為開挖支護(hù)完畢后襯砌支護(hù)各主應(yīng)力圖，表2為各主應(yīng)力的最大及最小值。計(jì)算結(jié)果表明，偏壓側(cè)即拱腰處承受較大的應(yīng)力，這是由于偏壓導(dǎo)致的不對(duì)稱受力引起的，但在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)及邊坡加固后，最大受拉受壓應(yīng)力均在允許范圍之內(nèi)，證明此時(shí)的支護(hù)滿足結(jié)構(gòu)受力要求是偏于安全的。

圖6 拱圈各點(diǎn)Y方向位移

圖7 襯砌支護(hù)應(yīng)力云圖

表2 開挖完畢目標(biāo)斷面圍巖應(yīng)力 MPa

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，需通過實(shí)際施工工程中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了施工監(jiān)控量測(cè)，未進(jìn)行襯砌的應(yīng)力量測(cè)。仍然選取Z=9 m作為研究對(duì)象，對(duì)比分析了拱頂與拱腰的位移變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知，計(jì)算及實(shí)測(cè)總體變化規(guī)律一致，由于施工量測(cè)是在圍巖開挖后才開始量測(cè)的，因此量測(cè)結(jié)果不會(huì)包括自重應(yīng)力作用以及前9 m開挖作用下的沉降結(jié)果，因此實(shí)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)小于計(jì)算結(jié)果，但是如果計(jì)算結(jié)果減去自重及前9 m開挖施工所造成的沉降，兩者數(shù)值近似相等，證明計(jì)算結(jié)果是可信的。另外，由實(shí)測(cè)值可以看出，開挖時(shí)對(duì)斷面的沉降影響最大，因此，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)在開挖后要盡快進(jìn)行斷面測(cè)量，及時(shí)反饋，修正設(shè)計(jì)，進(jìn)行信息化施工。

6 結(jié)論

(1)淺埋偏壓隧道開挖時(shí)在山體較高一側(cè)地表沉降累計(jì)最大，這是由于地形偏壓形成的。

圖8 拱頂和拱腰計(jì)算和實(shí)測(cè)位移對(duì)比

(2)在淺埋偏壓處開挖隧道，拱頂、左側(cè)拱腰將產(chǎn)生向下的位移;右側(cè)拱腰、仰拱將產(chǎn)生向上的位移。為了阻止仰拱向上的位移，施工時(shí)應(yīng)及時(shí)封閉仰拱，使支護(hù)結(jié)構(gòu)形成整體受力。

(3)開挖完畢支護(hù)應(yīng)力云圖顯示，拱腰處所受應(yīng)力最大，這也是地形偏壓在拱腰處形成應(yīng)力集中所致，需密切注意拱腰處受力情況。

［1］佘 健，何 川.軟弱圍巖段隧道施工過程中圍巖位移的三維彈塑性數(shù)值模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(3):623-629.

［2］楊小禮，眭志榮.淺埋小凈距偏壓隧道施工順序的數(shù)值模擬［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，38(4):764-770.

［3］張小軍.軟弱圍巖淺埋偏壓條件下隧道施工技術(shù)［J］.長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，6(1):229-230.

［4］王明年，李志業(yè)，關(guān)寶樹.3孔小間距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術(shù)研究［J］.巖土力學(xué)，2002，23(6):821-824.

［5］王明年，李志業(yè)，劉智成.軟弱圍巖3孔小間距平行淺埋隧道施工力學(xué)研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2002(4):11-14.

［6］周佳媚，王英學(xué)，高波.偏壓滑坡地段隧道圍巖受力特征分析［J］.公路交通科技，2003，20(6):62-65.

［7］鄧少軍，陽軍生，張學(xué)民，鐘放平.淺埋偏壓連拱隧道施工數(shù)值分析及方案比選［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，6(1):940-943.

［8］李德武.隧道［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［9］何川，李永林，林剛.聯(lián)拱隧道施工全過程三維有限元分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2005，26(2):34-38.

［10］雷升祥，周曉軍.渝懷鐵路彭水隧道出口大跨段施工方案的數(shù)值分析［J］.地下空間，2002，22(3):191-196.

［11］嚴(yán)濤，金學(xué)松，王維嘉.老鴨嶺隧道Ⅳ級(jí)圍巖開挖方法三維數(shù)值分析比選［J］.鐵道建筑，2010(8):66-69.

［12］雷升祥，周曉軍.渝懷鐵路彭水隧道出口大跨段施工方案的數(shù)值分析［J］.地下空間，2002，22(3):191-196.

［13］鄭余朝.深圳地鐵重疊隧道三維數(shù)值模擬分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2000.