青山?jīng)_雙連拱隧道軟弱圍巖變形與穩(wěn)定性研究*

唐 峰，袁 昕，袁 航

(1.中交四公局第二工程有限公司，北京 101101;2.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南永順 416700;3.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院巖土工程材料研究所，湖南長沙 410132)

雙連拱隧道是一種新型大跨度的隧道結(jié)構(gòu)形式，具有線形流暢、占地面積少、空間利用率高、可以避免洞口路基或大橋分幅等特點(diǎn)，在適應(yīng)地形條件、環(huán)境保護(hù)以及工程數(shù)量上具有較高的優(yōu)越性，因而近年來被廣泛采用。但由于雙連拱隧道的施工難度遠(yuǎn)比分離式隧道的大，且尚無滿足雙連拱隧道特點(diǎn)的圍巖壓力理論，特別是淺埋偏壓條件下圍巖荷載估計(jì)偏差較大［1－3］。在施工中經(jīng)常出現(xiàn)支護(hù)失效、襯砌裂縫及滲漏泄水等工程安全質(zhì)量問題，因而有待于進(jìn)一步研究。長期以來，隧道圍巖穩(wěn)定性的分析和隧道開挖后的應(yīng)力重分布特征研究一直是隧道學(xué)科研究的重點(diǎn)，伴隨著高速公路的快速發(fā)展，對軟巖復(fù)雜地層隧道圍巖穩(wěn)定性的研究是一個前沿課題。實(shí)踐證明，軟巖復(fù)雜地層隧道圍巖穩(wěn)定性問題是十分重要的問題，它直接影響隧道工程的進(jìn)展，關(guān)系著工程的質(zhì)量。數(shù)值模擬方法在研究隧道圍巖穩(wěn)定性方面具有十分明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)日益成為穩(wěn)定性定量評價中不可或缺的重要方法［4］。本文以數(shù)值模擬有限元軟件作為基本計(jì)算分析工具，對隧道模型的建立、模擬過程的設(shè)計(jì)、計(jì)算結(jié)果的輸出與分析進(jìn)行探討，在模擬分析思路上進(jìn)行進(jìn)一步地拓展。

1 工程概況

懷新高速公路是湖南地處最偏遠(yuǎn)的高速公路建設(shè)項(xiàng)目之一，建設(shè)主線中的隧道、橋梁超過全線長度的1/4，地形復(fù)雜，巖層多揉皺，節(jié)理、裂隙發(fā)育，地下水豐富。青山?jīng)_隧道是其中一座雙向四車道雙連拱隧道，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，全長320 m，隧道內(nèi)輪廓采用三心圓形式，曲中墻。

構(gòu)成隧道圍巖為前震旦系板溪群五強(qiáng)溪組第一段硅化板巖及壓碎巖，弱風(fēng)化，圍巖類別屬Ⅱ和Ⅲ類。隧道進(jìn)口采用端墻式洞門，出口采用削竹式洞門。進(jìn)口接13 m明洞(原設(shè)計(jì)15 m)，出口接20 m明洞。隧道進(jìn)出口位于沖溝中，在隧道兩段洞門附近均存在與隧道軸線近平行的山嘴，洞軸線與等高線近乎平行，橫向地形起伏大。隧道兩端洞口軸線與巖層走向成小角度斜交，右側(cè)邊坡為順向坡，邊坡穩(wěn)定性較差，邊坡開挖易產(chǎn)生滑坡或坍塌;進(jìn)出口仰坡上覆碎石土及壓碎巖，穩(wěn)定性均較差，且有明顯偏壓跡象。

圖1 青山?jīng)_隧道外觀和圍巖襯砌Fig.1 Qingshanchong tunnel outlook and surrounding rock tunnel lining

針對本工程軟弱圍巖條件，隧道擬采用三導(dǎo)洞法施工工序如圖2所示。從圖中可以看出該工序主要步驟為:開挖中導(dǎo)洞→中導(dǎo)洞支護(hù)→中墻砌筑及鋪設(shè)中墻頂防水板→左右側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)→右洞頂部開挖支護(hù)→右洞防水層鋪設(shè)及二襯→右洞核心土開挖→右洞仰拱澆筑→左洞拱部開挖支護(hù)→左洞防水層鋪設(shè)及二襯砼澆筑→左洞核心土開挖→左洞仰拱澆筑。

圖2 三導(dǎo)洞法施工工序示意圖Fig.2 Three pilot drift law construction processes schematic drawing

2 計(jì)算模型

2.1 基本力學(xué)參數(shù)

所選材料的力學(xué)參數(shù)參考隧道地質(zhì)條件及相關(guān)數(shù)據(jù)要求見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Material mechanics parameters

2.2 計(jì)算采用的材料屈服準(zhǔn)則

本次數(shù)值模擬巖體的破壞判據(jù)選擇Druckerprager屈服準(zhǔn)則，它比較適應(yīng)于混凝土、巖石等材料。Drucker－Prager屈服準(zhǔn)則是對Mohr－Coulomb準(zhǔn)則給予近似，以此來修正Von Mises屈服準(zhǔn)則，即在Von Mises表達(dá)式中包含1個附加項(xiàng)，其流動準(zhǔn)則即可使用相關(guān)流動準(zhǔn)則，也可使用不相關(guān)流動準(zhǔn)則，其屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而改變，因而沒有強(qiáng)化準(zhǔn)則。然而，其屈服強(qiáng)度隨著側(cè)限壓力(靜水壓力)的增加而相應(yīng)增加，其塑性行為被假定為理想彈塑性［5－7］。另外，這種材料考慮了由于屈服而引起的體積膨脹。

Drucker－Prager可表示為:

其中:I為應(yīng)力張量第一不變量;J2為應(yīng)力偏張量第二不變量;α和k為材料參數(shù)。

在數(shù)值計(jì)算中，DP材料需要輸入的參數(shù)有E，μ，C，φ 和 φf，其確定方法如下:

β和σy可由單軸受壓屈服應(yīng)力和受拉屈服應(yīng)力計(jì)算得來，即:

因此，有單軸受拉屈服應(yīng)力σc和單軸受壓屈服應(yīng)力σt就可以計(jì)算出程序需要的輸入值。另外，φf為膨脹角，它用來控制體積膨脹。對于巖土類材料，當(dāng)材料受剪時，巖體將會膨脹，若膨脹角φf為0，則不會發(fā)生體積膨脹;若φf=φ，在巖體中將會發(fā)生嚴(yán)重的體積膨脹，一般來說，φf=0是一種保守算法。

2.3 有限元模型的建立

三維有限元計(jì)算模型和網(wǎng)格離散示意圖見圖3。圖中X為與隧道正交的水平方向;Y為垂直方向;Z為隧道走向方向。隧道埋深為30 m，左右邊取其跨度的4倍，Z方向取總長度25.5 m，按照前面7.5 m、中部3 m、0.75 m 間距進(jìn)行細(xì)化，后面取 15 m。根據(jù)工藝參數(shù)調(diào)整，各優(yōu)化對比模型在長度和面群間距上有所不同，但基本原則相同且長度相差不大，單元類型:六面體二十節(jié)點(diǎn)等參元，單元數(shù)為11 366(隨不同階段有所變化)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為58 107(隨不同階段有所變化)［8］。計(jì)算模型的邊界條件除上部為有荷載自由邊界外，其余各側(cè)面為法向約束，地面為X，Y和Z方向上全約束，邊界計(jì)算時僅按上部覆土重力場考慮。

圖3 計(jì)算地質(zhì)模型及其網(wǎng)格離散示意圖Fig.3 Geological model and calculation mesh discrete schemes

3 有限元模擬結(jié)果和分析

雙連拱隧道的施工工藝復(fù)雜，尤其是在軟弱圍巖中隧道自穩(wěn)能力較差的情況下，必須實(shí)行超前加固，而且開挖后要立即進(jìn)行支護(hù)，本文通過計(jì)算機(jī)模擬手段，考慮圍巖穩(wěn)定性及開挖支護(hù)的影響，主要針對在圍巖中采用三導(dǎo)洞施工，對圍巖的受力情況和位移變化進(jìn)行模擬計(jì)算，預(yù)測各階段可能產(chǎn)生的位移，可以指導(dǎo)下一階段的施工，修正下一階段的支護(hù)參數(shù)。中導(dǎo)洞開挖完后、中隔墻作完后、三導(dǎo)洞完成后以及核心土開挖完后的y軸向的位移云圖見圖4～7。

圖4 中導(dǎo)洞開挖后的y方向上的位移云圖Fig.4 The displacement map on y direction after the excavation of the drift

圖5 中隔墻筑后的y方向上的位移云圖Fig.5 The displacement map on y direction after the excavation of the drift

圖6 三導(dǎo)洞開挖后的y方向上的位移云Fig.6 The displacement map on y direction after the laying of the three pilot drift

圖7 核心土開挖后的y方向上的位移云圖Fig.7 The displacement map on y direction after the laying of the core soil

從計(jì)算結(jié)果可以看出:中導(dǎo)洞開挖后拱頂發(fā)生的最大位移在10 mm以內(nèi)，周邊收斂值在2 mm以內(nèi);中隔墻筑完后開挖左右導(dǎo)洞，三導(dǎo)洞完成后中導(dǎo)洞拱頂發(fā)生的最大位移在16～18 mm以內(nèi)，周邊收斂值在9 mm以內(nèi)，左右導(dǎo)洞的周邊位移為9 mm左右。核心土挖完后，中導(dǎo)洞拱頂位移繼續(xù)增大，其值為20 mm左右，周邊收斂值在8 mm以內(nèi)，主洞的頂位移為13～15 mm。

由于隧道埋深較淺，計(jì)算荷載主要是巖體的自重，應(yīng)力場的分析也主要考慮豎向應(yīng)力，開挖過程中圍巖的豎向應(yīng)力的變化模擬結(jié)果對其產(chǎn)生的位移和應(yīng)力分布進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 σy方向上的應(yīng)力等值線圖Fig.8 The stress isoline on the direction ofσy

圖9 τxy方向上的應(yīng)力等值線圖Fig.9 The stress isoline on the direction ofτxy

由圖8～9可以看出:整個圍巖應(yīng)力場的分布也以中隔墻的軸線左右基本對稱分布。在左洞下半斷面墻角處產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中，其豎向應(yīng)力為2.24 MPa，在左洞上半斷面的底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力為0.22 MPa;右洞最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在中導(dǎo)洞隧底，其值為2.40 MPa;中導(dǎo)洞隧底的豎向應(yīng)力為 2.69 MPa。

中隔墻作為雙連拱隧道核心構(gòu)件，其主要作用是承受圍巖傳遞的荷載壓力。應(yīng)力云圖顯示:在左洞開挖及支護(hù)的過程中，中隔墻產(chǎn)生了較大的偏壓，在墻體左側(cè)受壓，其最大壓應(yīng)力為4.85 MPa，在墻體右側(cè)出現(xiàn)受拉狀況，其最大拉應(yīng)力為1.16 MPa;當(dāng)右洞開挖及支護(hù)結(jié)束后，墻體內(nèi)應(yīng)力全部受壓，最大壓應(yīng)力為 6.78 MPa［9－10］。計(jì)算結(jié)果顯示:中隔墻的設(shè)計(jì)不僅要考慮其最終的受力的狀態(tài)，還要結(jié)合施工過程中墻體內(nèi)的應(yīng)力變化狀況綜合考慮。

由于錨桿對圍巖拱部的加固及支護(hù)作用，使得初期支護(hù)隧道拱部的彎矩很小，整個初期支護(hù)基本上處于小偏心受壓狀態(tài)，安全性很好，而錨桿的最大軸力也只有5.98 kN。

4 有限元模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比分析

量測斷面設(shè)置:圍巖每30 m布置1個斷面，遇有特殊情況可作適當(dāng)調(diào)整?？傊O(jiān)測項(xiàng)目作為新奧法施工的一個必須環(huán)節(jié)，要及時布置測點(diǎn)、及時測量、及時分析、及時反饋其布置，如圖10～13所示。

從圖11～13可以看出:斷面監(jiān)測結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果比較吻合，中導(dǎo)洞拱頂下沉計(jì)算值和實(shí)測值基本保持在22～25 mm之間，中導(dǎo)洞周邊位移計(jì)算值和實(shí)測值保持在8～10 mm之間，右側(cè)導(dǎo)洞的最終位移監(jiān)測值和計(jì)算值都幾乎在12～15 mm之間。

表2 監(jiān)控量測項(xiàng)目與目的Table 2 Monitoring measurement items and purpose

圖10 隧道監(jiān)測斷面Fig.10 Tunnel monitoring section

圖11 中導(dǎo)洞拱頂下沉計(jì)算和實(shí)測比較圖Fig.11 The comparison chart between drift vault sink calculation with measured

圖12 中導(dǎo)洞周邊位移計(jì)算和實(shí)測比較Fig.12 The comparison chart between drift displacement calculation with measured

圖13 側(cè)導(dǎo)洞周邊位移與監(jiān)測結(jié)果對比分析Fig.13 The comparison chart between the surrounding displacement drift with measured

從選測斷面的所有量測值來看，鋼拱架受力較大，而砼內(nèi)應(yīng)力和圍巖壓力較小;隨著時間的變化，選測斷面的變化逐漸趨于平緩如圖12所示，圍巖壓力的變化也趨于平緩。從所有量測值來看，圍巖壓力較大，最大值達(dá)到0.21 MPa;當(dāng)出現(xiàn)裂縫后，該處的圍巖壓力處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并且測得值超過壓力盒的量程，其可能原因是圍巖壓力過大導(dǎo)致壓力盒受到破壞［11］?？傊嗌?jīng)_隧道所有監(jiān)測斷面的圍巖周邊位移增量、拱頂下沉斷面均未超過《規(guī)范》中規(guī)定的允許相對位移，其斷面的計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果基本相符。

5 結(jié)論

(1)隧道穩(wěn)定性分析的傳統(tǒng)方法必須等到開挖以后，通過監(jiān)測等手段才能判斷其圍巖穩(wěn)定性，而通過有限元分析方法，只要取得了符合實(shí)際的地質(zhì)參數(shù)，就可以在隧道開挖前或施工過程中模擬出隧道開挖時的圍巖狀況。數(shù)值模擬方法在數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)室物理模型方法不能夠完成的情況下，能充分體現(xiàn)其優(yōu)越性。

(2)中隔墻是雙連拱隧道特有的支護(hù)構(gòu)件，其受力狀態(tài)隨著施工工序的轉(zhuǎn)換在不斷變化，其最不利狀態(tài)出現(xiàn)在左洞開挖及支護(hù)的過程中，此時墻體右側(cè)出現(xiàn)受拉狀況，最大拉應(yīng)力為1.16 MPa，所以，在設(shè)計(jì)中，中隔墻應(yīng)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì);而在施工中，必須等到中隔墻混凝土達(dá)到足夠的強(qiáng)度后，方可進(jìn)行后續(xù)工作。

(3)圍巖應(yīng)力場隨著隧道的開挖而不斷地進(jìn)行重分布，當(dāng)連拱隧道右洞開挖后，在左洞仰拱圍巖處出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，盡管拉應(yīng)力較小，但要引起足夠的重視，必要時對左洞隧底進(jìn)行局部加固。

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