大跨偏壓軟弱圍巖雙連拱隧道施工過(guò)程研究

高 峰，薛佃立

(重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶 400074)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)高速公路建設(shè)事業(yè)發(fā)展日新月異。新建高速公路不可避免在崇山峻嶺之間穿插，隧道構(gòu)造物也隨著不斷增加。由于地形的限制和設(shè)計(jì)的要求，有些地段展線(xiàn)十分困難，因此采用雙連拱隧道的結(jié)構(gòu)形式是解決此問(wèn)題的一種有效手段。雙連拱隧道在結(jié)構(gòu)形式上與過(guò)去分離式隧道比較有如下特點(diǎn)：可以避免路基的分幅、占用良田；在地勢(shì)、地形復(fù)雜處便于隧道洞口位置的選擇，有利于縮短隧道的長(zhǎng)度；在現(xiàn)在城市建設(shè)中采用雙連拱隧道形式可以減少不必要的拆遷，降低工程造價(jià)。

雙連拱隧道帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)，也帶了許多問(wèn)題。開(kāi)挖斷面跨度明顯增加，高跨比減小，使隧道結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜，開(kāi)挖與支護(hù)交錯(cuò)的進(jìn)行使結(jié)構(gòu)受力體系多次轉(zhuǎn)換，進(jìn)而使圍巖應(yīng)力和襯砌荷載的變化非常復(fù)雜。如果設(shè)計(jì)計(jì)算得不合理或施工不當(dāng)，很容易導(dǎo)致襯砌、圍巖應(yīng)力和襯砌荷載轉(zhuǎn)換復(fù)雜使結(jié)構(gòu)受力處于不利狀態(tài)，中隔墻開(kāi)裂和襯砌滲漏水等。近年來(lái)連拱隧道的理論分析、設(shè)計(jì)和施工是建設(shè)工程界普遍關(guān)注的問(wèn)題。

連拱隧道往往位于傍山一側(cè)，另一側(cè)為臨空面，因此連拱隧道受到偏壓作用。在開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖順序的選擇是設(shè)計(jì)和施工者普遍感興趣的問(wèn)題。筆者通過(guò)理論分析，在計(jì)算機(jī)上近似模擬雙連拱隧道不同開(kāi)挖過(guò)程，分析圍巖及支撐體系的變形和應(yīng)力的變化規(guī)律。研究成果可為深刻了解雙連拱隧道在開(kāi)挖過(guò)程中周邊圍巖及其支撐體系內(nèi)力的變化情況提供依據(jù)，為今后的雙連拱隧道設(shè)計(jì)和施工提供理論支持[1-4]。

筆者以遵義市子尹隧道為背景，采用有限元數(shù)值仿真模型研究了大跨偏壓淺埋軟弱圍巖雙連拱隧道在施工過(guò)程中的內(nèi)力變化情況，著重分析了不同開(kāi)挖工況下，圍巖及其支撐體系的內(nèi)力、變形，重點(diǎn)部位的受力等情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控量測(cè)資料，得到一些結(jié)論，為該大跨偏壓軟弱圍巖雙連拱隧道采用的施工方法提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

子尹隧道位于遵義市城區(qū)，為帶曲墻的整體式大跨雙連拱隧道，隧道全長(zhǎng)600 m，隧道單跨凈寬14.0 m，凈高7.3 m，單跨采用曲墻式斷面，中隔墻為曲墻，中隔墻厚2.60 m,隧道凈寬30.60 m，最大開(kāi)挖跨度為32.80 m。圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，隧道埋深介于12～16 m之間。子尹隧道位于遵義市區(qū)內(nèi)，隧道圍巖為泥巖及粉砂質(zhì)泥巖段，強(qiáng)度低，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差。隧道上部有明顯斜坡，隧道處于偏壓狀態(tài)中。為了便于分析不同開(kāi)挖條件下隧道受力，按圖1的3種工況分別進(jìn)行分析。

圖1 工況1～工況3的開(kāi)挖示意Fig.1 Excavation option of condition 1 to condition 3

由圖1可見(jiàn)，3種工況的施工步驟依次為：

工況1:①開(kāi)挖中導(dǎo)坑；②開(kāi)挖右洞上半部；③對(duì)右洞上部初期支護(hù)；④右洞下部分開(kāi)挖；⑤施做右洞下部初次支護(hù)；⑥開(kāi)挖左洞上部，并施做右洞下部仰拱；⑦施做左洞上部初期支護(hù)；⑧開(kāi)挖左洞下部分土體；⑨施做左洞下部初期支護(hù)；⑩施做左洞底部仰拱，施做右洞二次襯砌，隨后做左洞二襯。

工況2:①開(kāi)挖中導(dǎo)坑；②開(kāi)挖左洞上半部；③對(duì)左洞上部初期支護(hù)；④左洞下半部開(kāi)挖；⑤施做左洞下部初期支護(hù)體系；⑥開(kāi)挖右洞上部分，施做左部底部仰拱；⑦施做右洞上部初期支護(hù)體系；⑧開(kāi)挖右洞下部；⑨施做右洞下部初期支護(hù)體系；⑩施做右洞底部仰拱，左洞二次襯砌。

工況3:①開(kāi)挖中導(dǎo)坑；②開(kāi)挖左、右洞上半部；③對(duì)左、右洞上部初期支護(hù)；④左、右洞下半部開(kāi)挖；⑤施做左、右洞下部初期支撐體系；⑥施做左、右部底部仰拱；⑦施做左、右洞二次襯砌。

2 有限元模型分析

2.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

2.1.1 有限元計(jì)算模型

為了更好的分析不同工況下連拱隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況，根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)中有關(guān)連拱隧道斷面的尺寸，建立二維有限元計(jì)算模型。隧道的二維有限元計(jì)算模型沿水平方向隧道兩側(cè)取洞跨3倍，垂直方向隧道底部距離為洞高的3倍，隧道上方按實(shí)際地形尺寸取[5]，計(jì)算模型如圖2。模型網(wǎng)格劃分遵循受力關(guān)鍵部位網(wǎng)格密，非關(guān)鍵部分逐漸稀疏的原則[6]。圍巖及中隔墻采用實(shí)體單元，隧道二襯采用板單元，板單元的厚度為0.6 m。模型邊界條件為：模型底邊豎向位移約束，前后左右采用水平法向約束，頂部為自由面。

圖2 大跨偏壓連拱隧道有限元計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分Fig.2 Model net for FEM analysis

2.1.2 圍巖力學(xué)參數(shù)

連拱隧道在施工過(guò)程中由于體系的多次轉(zhuǎn)換，使得圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，通過(guò)建立有限元模型仿真模擬連拱隧道在不同工況下圍巖、結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況。

通用有限元軟件ANSYS在巖土工程應(yīng)用中提供了對(duì)計(jì)算單元進(jìn)行“生(alive)”與“死(kill)”的處理功能[5]，利用該功能可模擬隧道不同工況開(kāi)挖過(guò)程。在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，荷載為圍巖及支護(hù)的自重。假設(shè)圍巖符合理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系和Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則[7]，圍巖的相關(guān)力學(xué)參數(shù)依據(jù)JTGD 70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中的Ⅴ類(lèi)圍巖有關(guān)規(guī)定確定，初期支護(hù)體系采用鋼拱架和C25的噴射混凝土，二次襯砌支護(hù)體系采用C30模筑混凝土，材料參數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范及地勘報(bào)告取值，見(jiàn)表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)規(guī)范對(duì)隧道開(kāi)挖模擬荷載釋放系數(shù)進(jìn)行如下分配[9]：圍巖及初期支護(hù)時(shí)荷載釋放70%，二襯時(shí)結(jié)構(gòu)荷載釋放30%。

2.2 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)有限元方法對(duì)雙連拱隧道在不同工況下的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬，分析不同工況下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化情況。

2.2.1 節(jié)點(diǎn)內(nèi)力分析

通過(guò)對(duì)大跨淺埋偏壓軟弱圍巖連拱隧道施工過(guò)程的模擬計(jì)算，得出3種工況下的結(jié)果。

通過(guò)分析計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連拱隧道中隔墻與左右洞隧道襯砌拱腳連接處受力最敏感。左洞初襯交點(diǎn)為95號(hào)節(jié)點(diǎn)和右洞初襯的交點(diǎn)為103號(hào)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)號(hào)位置見(jiàn)圖3。表2列出了95號(hào)和103號(hào)節(jié)點(diǎn)的第1、第3主應(yīng)力。

表259號(hào)和103號(hào)節(jié)點(diǎn)主應(yīng)力

Table2NodestressanddisplacementforNo.59,103/MPa

注：拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

由表2數(shù)據(jù)可以得出：在工況3開(kāi)挖時(shí)第1、3主應(yīng)力值明顯大于另外兩種開(kāi)挖工況；其他兩種開(kāi)挖工況，節(jié)點(diǎn)始終處于受壓狀態(tài)。

2.2.2 應(yīng)力分析

經(jīng)計(jì)算提取連拱隧道開(kāi)挖并施做初期支護(hù)后連拱隧道結(jié)構(gòu)第1主應(yīng)力(主拉應(yīng)力)云圖，見(jiàn)圖3。

圖3 工況1～工況3施做初期支護(hù)后結(jié)構(gòu)第1主應(yīng)力(單位：Pa)

由圖3可見(jiàn)，在工況1下開(kāi)挖，初襯施做完成后隧道第1主應(yīng)力最大值分布在拱頂，中隔墻邊緣處無(wú)明顯變化，最大值出現(xiàn)在拱頂，為1.66 MPa，為拉應(yīng)力，對(duì)噴射混凝土受力不利；在工況2、工況3下開(kāi)挖，第1主應(yīng)力均出現(xiàn)在中隔墻底部，左右同時(shí)開(kāi)挖時(shí)第1主應(yīng)力最大為1.50 MPa，結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力較大。

經(jīng)計(jì)算提取連拱隧道開(kāi)挖并施做初期支護(hù)后連拱隧道結(jié)構(gòu)第3主應(yīng)力(主壓應(yīng)力)云圖，見(jiàn)圖4。

圖4 工況1～工況3施做初期支護(hù)后結(jié)構(gòu)第3主應(yīng)力(單位：Pa)

對(duì)比分析可知：3種開(kāi)挖工況隧道初襯第3主應(yīng)力最大值分布在拱頂和仰拱底，最大值出現(xiàn)在左右洞同時(shí)開(kāi)挖時(shí)，為-0.098 MPa，初襯混凝土處于受壓狀態(tài)。將不同開(kāi)挖方法下結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。

表3 工況1～工況3隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比

注：拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

由表3可見(jiàn)，工況3的第1主應(yīng)力值為1.650 MPa，明顯大于另外兩種工況；工況1中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中隔墻處，為0.015 MPa；工況2中最大壓應(yīng)力為0.252 MPa。

2.2.3 拱頂沉降分析

在模型計(jì)算中，選取具有代表性的左右洞拱頂節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 拱頂沉降

由表4可知，拱頂沉降最大值是在工況3下產(chǎn)生的，為5.53 mm；在工況1下位移值最小，為4.21 mm；總體來(lái)說(shuō)，右洞拱頂沉降比左洞大。

2.2.4 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)資料分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是新奧法信息化施工的特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中進(jìn)行工程地質(zhì)觀測(cè)、水平收斂位移、拱頂下沉、地表沉降、二襯及中隔墻內(nèi)應(yīng)力等項(xiàng)目的監(jiān)控量測(cè)。該工程選擇工況2的開(kāi)挖順序，并選取開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)左右洞K 0+220斷面地表沉降和周邊收斂值進(jìn)行分析。得到地表沉降、周邊收斂隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 地表沉降隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.5 Curve of vault settlement with the increasing of time

圖6 周邊收斂隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.6 Vicinity convergence curve with the increasing of time

從圖5、圖6可以看出，隧道YDK 0+220斷面地表沉降累計(jì)值為3.80 mm，周邊收斂累計(jì)值為7.2 mm； 隧道ZDK 0+220斷面地表沉降累計(jì)值為4.6 mm，周邊收斂累計(jì)值為-7.47 mm。從收斂值的結(jié)果可以看出兩個(gè)洞都處于受壓狀態(tài)。隧道開(kāi)挖后地表沉降和周邊收斂較大，施做初期支護(hù)后變形開(kāi)始減小，趨于穩(wěn)定。

綜上所述，及時(shí)施做初期支護(hù)能有效抑制圍巖的過(guò)大變形，對(duì)加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定起著重要作用，同時(shí)說(shuō)明數(shù)值模擬雙連拱隧道在該工況下的分析結(jié)果與實(shí)際變化趨勢(shì)相吻合。

3 結(jié) 論

采用通用有限元仿真模擬分析大跨偏壓淺埋軟弱圍巖雙連拱隧道在不同工況下的開(kāi)挖過(guò)程，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，得到大跨淺埋軟弱圍巖連拱隧道施工過(guò)程結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的變化規(guī)律。

1)由子尹隧道大跨偏壓淺埋軟弱圍巖連拱隧道的有限元計(jì)算分析表明，采用工況2的開(kāi)挖順序在子尹隧道施工中是可行的。

2)從有限元計(jì)算結(jié)果可以看出隧道變形和受力最明顯的部位位于拱頂、拱腰，周邊收斂、拱頂下沉與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)埋點(diǎn)變化趨勢(shì)基本吻合。在開(kāi)挖中，應(yīng)該根據(jù)開(kāi)挖順序、受力明顯的位置埋設(shè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并根據(jù)拱頂、拱腰相應(yīng)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整開(kāi)挖速度。另外，對(duì)中墻的應(yīng)力監(jiān)測(cè)也是必須的。

3)隧道處于偏壓狀態(tài)下時(shí)，以工況3的順序開(kāi)挖，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力比其它兩種開(kāi)挖工況大很多，不建議采用。淺埋大跨度偏壓隧道開(kāi)挖時(shí)，工況1與工況2各有利弊，應(yīng)根據(jù)具體工程實(shí)際情況選擇。

4)在淺埋大跨偏壓軟弱圍巖隧道施工中，不同的工況條件對(duì)隧道不同部位的位移、應(yīng)力有一定的影響，而在實(shí)際開(kāi)挖中要綜合考慮各方面的因素確定合理開(kāi)挖方案，并且結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件確定經(jīng)濟(jì)可行的方案。

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