三導(dǎo)洞施工法對(duì)偏壓連拱隧道周邊圍巖的影響

韓任清*，朱苦竹，汪志剛

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

三導(dǎo)洞施工法對(duì)偏壓連拱隧道周邊圍巖的影響

韓任清1*，朱苦竹，汪志剛

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

通過Abqus12.0建立二維有限元模型，對(duì)其一危險(xiǎn)斷面進(jìn)行了三導(dǎo)洞施工法的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，并結(jié)合實(shí)際施工的病害進(jìn)行分析。通過分析在三導(dǎo)洞法在不同施工步下對(duì)拱頂圍巖、中隔墻頂部圍巖、中隔墻以及隧道上部滑坡帶的豎向位移以及大主應(yīng)力變化，對(duì)三導(dǎo)洞法在不同施工步下對(duì)周邊關(guān)鍵部位圍巖的影響有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，對(duì)類似隧道的實(shí)際施工有一定借鑒作用。

偏壓連拱隧道;二維有限元模型;動(dòng)態(tài)模擬;關(guān)鍵部位圍巖影響

位于某高速公路上的帶中隔墻的雙連拱隧道全長(zhǎng)235 m，由于地形限制，展線困難，隧道由B河右岸邊坡中通過。山體斜坡坡度為35°，頂部坡度稍緩，山嶺標(biāo)高1 110～1 350 m，相對(duì)高差約240 m。整體南北向延伸，破面東傾，山露元古界深變質(zhì)巖地層，巖性主要為花崗巖片麻巖，巖石堅(jiān)硬，差異風(fēng)化顯著，斜坡表層為崩坡積的塊石分布，有松動(dòng)的現(xiàn)象。隧道從坡體中下部橫穿而過。隧道設(shè)計(jì)為帶中隔墻的整體雙跨連拱結(jié)構(gòu)，凈高7.9 m，單跨凈寬10.62 m，中墻厚2 m，總凈寬25.24 m。

目前三導(dǎo)洞法在此類偏壓連拱隧道的施工中運(yùn)用較為廣泛，但對(duì)于三導(dǎo)洞施工在不同階段對(duì)隧道關(guān)鍵部位圍巖的影響認(rèn)識(shí)還不夠深入。本文通過對(duì)此類偏壓連拱隧道的某危險(xiǎn)斷面的三導(dǎo)洞施工進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶?duì)比分析，為今后在相似隧道中的不同施工段如何更好地發(fā)揮圍巖的自承載能力，對(duì)各施工段的支護(hù)時(shí)機(jī)與對(duì)易破壞處進(jìn)行提前處理提供參考和借鑒。

1 非線性有限元模型的建立

1.1 計(jì)算模型

本文采用Abaqus 12.0有限元程序，利用其特有的非線性求解器對(duì)該偏壓連拱隧道的某危險(xiǎn)斷面在三導(dǎo)洞法下進(jìn)行二維動(dòng)態(tài)開挖模擬。模型按實(shí)際地層情況分3層建立，尺寸范圍:X方向?yàn)?→180;Y方向?yàn)?40→70，模型地層分布和整體網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 模型地層分布和整體網(wǎng)格模型

圍巖和襯砌均采用CPE4R實(shí)體平面應(yīng)變單元模擬，錨桿采用T2D2桿件單元模擬。隧道的襯砌和錨桿網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 襯砌和錨桿網(wǎng)格模型

邊界條件采用位移邊界條件，上邊界取至地面為自由邊界，左右邊界約束U1(側(cè)面法向約束)，底部邊界約束U1和U2(固定約束)。

1.2 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)

隧道的圍巖和混凝土采用彈塑性材料進(jìn)行分析，其中塑性模型采用Mohr-Coulomb模型;錨桿采用線彈性材料。特別注意，Mohr-Coulomb模型采用的是非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，凌平平等［9］通過邊坡的有限元試驗(yàn)，證明了巖土材料在非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則條件下的剪脹角應(yīng)取 /2。計(jì)算采用的主要材料物理參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料物理參數(shù)

1.3 施工過程的模擬

圖3 施工順序

隧道開挖的模擬以“弱爆破、短進(jìn)尺，少擾動(dòng)、早錨噴、勤測(cè)量、緊封閉”為核心思想，采用三導(dǎo)洞法施工。開挖順序?yàn)棰瘛佟颉凇蟆邸簟堋酢荨觥蕖鳌?，如圖3所示。其中:Ⅰ為中導(dǎo)洞開挖;Ⅱ?yàn)樽髮?dǎo)洞開挖;Ⅲ為開挖左洞上半斷面核心土;Ⅳ為開挖左洞下半斷面核心土;Ⅴ為右導(dǎo)洞開挖;Ⅵ為開挖右洞上半斷面核心土;Ⅳ為開挖右洞下半斷面核心土;①為施工中導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)、錨桿及中墻;②為施工左導(dǎo)洞支護(hù);③為施工左洞上半斷面錨桿支護(hù);④為施工左洞仰拱和回填土，并施工左洞二次支護(hù)使左洞閉合;⑤為施工右導(dǎo)洞支護(hù);⑥為施工右洞上半斷面錨桿支護(hù);⑦為施工右洞仰拱和回填土，并施工右洞二次支護(hù)使右洞閉合。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了反映出實(shí)際施工對(duì)隧道和圍巖的影響，整個(gè)開挖模擬盡量接近實(shí)際施工，一共分為28個(gè)分析步(steps)。由于建模地表為不規(guī)則地表，所以采用自導(dǎo)入積分點(diǎn)應(yīng)力分量法進(jìn)行計(jì)算。

2.1 初始地應(yīng)力場(chǎng)(Step1為模型在自重應(yīng)力下地應(yīng)力的平衡)

通過*initial conditions，type=temperature命令對(duì)開挖區(qū)定義初始溫度場(chǎng)，使其與周圍圍巖具有一致的材料屬性，并通過*initial conditions，type=stress，input=XXX.csv導(dǎo)入事先算好的積分點(diǎn)應(yīng)力分量來對(duì)模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡。

2.2 中導(dǎo)洞施工數(shù)值模擬分析(Step2～4)

2.2.1 時(shí)間效應(yīng)的應(yīng)用

由于實(shí)際施工襯砌并不是開挖前或開挖完成后才加上的，其中存在著一個(gè)時(shí)間歷程即時(shí)間效應(yīng)。為模擬時(shí)間效應(yīng)，筆者采用材料參數(shù)衰減法。以Step2(開挖區(qū)材料參數(shù)衰減)為例，為了得到一定的安全儲(chǔ)備，通過經(jīng)驗(yàn)試算得出一個(gè)相對(duì)極限的衰減量，具體做法是:以30%的衰減量作為起點(diǎn)、5%的幅度遞增進(jìn)行驗(yàn)算，當(dāng)遞增到55%時(shí)衰減部位出現(xiàn)過度變形導(dǎo)致計(jì)算不收斂，則初定55%為臨界衰減量;然后再以55%為起點(diǎn)、1%的幅度遞減，當(dāng)遞減到53%時(shí)計(jì)算剛好收斂，則53%為此開挖步的臨界衰減量(極限誤差程度小于1%)。本文以下各施工步時(shí)間效應(yīng)的模擬衰減量的取值均按照此方法進(jìn)行試算，不再贅述。

2.2.2 中導(dǎo)洞開挖圍巖應(yīng)力位移分析(step1～4)

從圖4(a)可知，在中導(dǎo)洞施加中隔墻位置的頂部部位圍巖最大主應(yīng)力約為-0.327 MPa。從圖4(b)可知，中隔墻頂部圍巖豎向位移達(dá)到2.234 mm，僅次于中導(dǎo)洞右側(cè)拱腰偏上部位的最大值2.689 mm(此部分在右洞開挖時(shí)將被移除)，而造成右側(cè)拱腰上部出現(xiàn)豎向位移最大值的原因在于隧道本身建于斜坡體上，而且右側(cè)山體為高坡。

圖4 中導(dǎo)洞最大主應(yīng)力和豎向位移云圖

圖5 左洞施工完成大主應(yīng)力和豎向位移云圖

由以上數(shù)據(jù)可知，中導(dǎo)洞施工時(shí)中隔墻頂部的圍巖對(duì)于中隔墻的施工存在一定的影響，即中隔墻起到了承受頂部圍巖壓應(yīng)力傳遞的作用。同時(shí)由豎向位移分布可以看出，此時(shí)的隧道圍巖已經(jīng)呈現(xiàn)出小偏壓現(xiàn)象(豎向位移出現(xiàn)偏峰值)，這對(duì)后面的施工在預(yù)防偏壓上有著前瞻作用，同時(shí)也證明了實(shí)際施工中先開挖圍巖擾動(dòng)較小的左側(cè)是最優(yōu)選擇。

2.3 左右洞施工

2.3.1 左洞施工開挖應(yīng)力位移分析(step5～16)

由圖5可知，左洞拱頂圍巖最大主應(yīng)力為-0.175 MPa，而中隔墻頂部圍巖最大主應(yīng)力為-0.248 MPa，顯然中隔墻已經(jīng)起到壓應(yīng)力傳遞的作用。左洞拱頂上方圍巖豎向位移相對(duì)周邊出現(xiàn)最大值為9.983 mm，仰拱處圍巖出現(xiàn)上凸位移為7.236 mm，中隔墻頂部圍巖豎向位移增大至4.83 mm。這說明左洞的施工對(duì)拱頂圍巖的影響最大，并且在一定程度上影響了中隔墻頂部圍巖的穩(wěn)定性。

2.3.2 右洞施工(step17～28)

右洞施工完成時(shí)，左洞和右洞拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力都為-0.370 Mpa，其中左洞拱頂主應(yīng)力由-0.175 Mpa變?yōu)?0.370 MPa。中隔墻頂部圍巖最大主應(yīng)力由-0.248 Mpa變?yōu)?0.512 Mpa。這說明右洞開挖后圍巖開始卸載，對(duì)左洞的圍巖和中隔墻頂部的圍巖產(chǎn)生了影響，上方圍巖在下方隧道開挖的過程中已經(jīng)對(duì)其巖體的整體性造成了破壞，使得巖體朝凌空面調(diào)整，以求其應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到二次平衡。同時(shí)可以看出，左洞和右洞在施工完成時(shí)的大主應(yīng)力基本一致是巖體自我調(diào)節(jié)的表現(xiàn)。值得注意的是，中隔墻底部的圍巖的大主應(yīng)力出現(xiàn)部分應(yīng)力集中達(dá)到一個(gè)較大的值，約為0.994 Mpa，這是左右洞開挖圍巖卸載和中隔墻受力引起的。

圖6 施工完成最大主應(yīng)力和豎向位移云圖 圖7 中隔墻水平最大位移 圖8 塑性區(qū)分布

如圖6所示，左右洞拱頂圍巖的豎向位移明顯比其他部位大很多，且右洞拱頂圍巖位移比左洞圍巖大，左洞拱頂豎向位移最大值為12.78 mm，右洞拱頂圍巖豎向位移最大值為16.74 mm，這是隧道穿過斜坡而產(chǎn)生了偏壓造成的。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際施工結(jié)果對(duì)比分析

3.1 中隔墻水平位移分析

在正洞開挖之初，即發(fā)現(xiàn)中導(dǎo)坑兩側(cè)向中隔墻移動(dòng)，最大裂縫達(dá)15 cm。K235+940～K235+965段中隔墻以路線前進(jìn)方向的左側(cè)偏移，累計(jì)達(dá)12 cm。由圖7可知，中隔墻在每個(gè)開挖步結(jié)束后-X向的位移明顯比+X向的位移大很多并且呈平穩(wěn)趨勢(shì)。整個(gè)斷面施工結(jié)束后-X向(左側(cè))最大位移已經(jīng)累計(jì)達(dá)到20.873 cm，而+X向(右側(cè))最大位移累計(jì)只有3.467 cm，這與施工時(shí)中隔墻向左偏移的實(shí)際情況一致，證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。由此可知中隔墻已經(jīng)出現(xiàn)明顯的向左偏壓現(xiàn)象而且極其不穩(wěn)定(在實(shí)際施工中隔墻也被推倒重做過)。同時(shí)在施工右洞上半核心土開挖完成后，中隔墻向左偏移量增幅較大，這是因?yàn)橛叶撮_挖時(shí)，中隔墻由于右側(cè)埋深較大且大部分開挖土體被移除造成凌空面，隧道上面的圍巖由高程向低程凌空面進(jìn)行自我調(diào)節(jié)并將大部分力傳遞到襯砌和中隔墻造成的。

3.2 圍巖塑性區(qū)分布與現(xiàn)場(chǎng)CT圖的對(duì)比分析

由圖8可知，左洞拱腳至拱腰部位、中隔墻下方圍巖稍偏左的地方和右洞拱腳至拱腰部位都出現(xiàn)小片塑性區(qū)。值得注意的是:右洞拱頂偏左處出現(xiàn)條狀塑性區(qū)，在左洞拱頂上方地層1與地層2交界處也出現(xiàn)小片塑性區(qū)，這說明在隧道開挖對(duì)拱頂上方滑坡帶巖體的擾動(dòng)是巨大的，尤其在隧道上方軟弱帶的交界面處，有誘發(fā)滑坡的可能。

圖9 橫斷面地質(zhì)解釋圖和波速圖 圖10 關(guān)鍵部位圍巖豎向位移變化

由圖9可知，隧道所處部位波速變化較大，低速帶呈線性分布，說明節(jié)理發(fā)育，屬于節(jié)理裂隙巖體類型。節(jié)理風(fēng)化帶寬度變化較大，窄的部位3～5 m，寬的部位達(dá)到20 m。節(jié)理風(fēng)化帶中充填有低波速的砂與粘土，拱頂部位發(fā)育有節(jié)理帶。隧道右側(cè)巖體的波速增高，達(dá)到2.0～3.0 km/s，為微風(fēng)化與未風(fēng)化花崗片麻巖，巖體完整性好、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好。上行線左側(cè)巖體高低波速相間分布，說明巖體風(fēng)化不均，節(jié)理裂隙發(fā)育，松散土與塊狀巖體鑲嵌分布，造成局部不穩(wěn)定。該斷面地表的崩坡積層，由松散物組成，處于整個(gè)滑坡體的邊緣地帶，存在表層滑移，在這種情況下，滑動(dòng)面位于隧道的上方巖體。這與數(shù)值模擬的結(jié)果極為接近。

3.3 隧道周邊關(guān)鍵部位圍巖豎向位移的變化趨勢(shì)

由圖10可知各開挖步對(duì)關(guān)鍵部位沉降的影響。中導(dǎo)洞施工(step2～4)對(duì)關(guān)鍵部位沉降有影響但不大;左導(dǎo)洞施工時(shí)(step8)存在小幅影響;而左洞上半斷面核心土開挖時(shí)出現(xiàn)了大幅位移增加，這是開挖步進(jìn)行中關(guān)鍵部位豎向位移增加的第一個(gè)突變，尤其對(duì)左洞拱頂圍巖的影響最大，其次是中隔墻頂部圍巖，最后是右洞拱頂圍巖;左洞下半核心土施工時(shí)由于已經(jīng)無法對(duì)拱頂巖體造成很大的擾動(dòng)所以相對(duì)穩(wěn)定;右導(dǎo)洞施工對(duì)關(guān)鍵部位也存在小幅影響;同樣右洞上半斷面核心土施工時(shí)也出現(xiàn)豎向位移的大幅突變，右洞拱頂沉降為最大，其次是中隔墻頂部，最后是左洞拱頂。因此，應(yīng)用三導(dǎo)洞法施工，在左右洞上半核心土的施工時(shí)對(duì)拱頂和中隔墻頂部圍巖的影響最大。

4 結(jié)語

1)對(duì)建于斜坡上的連拱隧道，在運(yùn)用三導(dǎo)洞施工法時(shí)，淺埋一側(cè)的洞體施工和深埋一側(cè)的洞體施工的時(shí)機(jī)選取對(duì)周邊圍巖的穩(wěn)定有很大影響。應(yīng)先開挖淺埋一側(cè)的隧洞，再開挖深埋一側(cè)的隧洞。

2)由于偏壓的影響，中隔墻施工時(shí)可能產(chǎn)生偏壓側(cè)的破壞，尤其是當(dāng)三導(dǎo)洞法進(jìn)行到深埋一側(cè)隧洞上半斷面的開挖時(shí)，其影響達(dá)到最大。建議施工時(shí)對(duì)中隔墻的性態(tài)進(jìn)行適時(shí)觀測(cè)并提前做好防止中隔墻向偏壓側(cè)破壞性偏移的措施。

3)在三導(dǎo)洞施工法中，當(dāng)進(jìn)行到兩側(cè)洞體上半斷面開挖階段時(shí)，對(duì)隧洞周圍關(guān)鍵部位巖體(兩側(cè)拱頂圍巖、中隔墻頂部)的擾動(dòng)最大，且同一側(cè)上半斷面施工對(duì)該側(cè)的拱頂圍巖影響最大，不同側(cè)隧洞施工對(duì)另一側(cè)隧洞拱頂圍巖也有較大影響，因此應(yīng)對(duì)這些部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行早強(qiáng)處理。

4)雖然三導(dǎo)洞法對(duì)于偏壓連拱隧道是相對(duì)較為穩(wěn)定的工法，但是對(duì)于上部存在穩(wěn)定巖層和松散層的隧洞，施工時(shí)可能會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，以至地層間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)從而誘發(fā)滑坡。

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Research on the Influence of Three Pilot Tunnel Construction Method on Non-symmetric Double-arch Yunnel＇s Surrounding Rock

HAN Renqing* ，ZHU Kuzhu，WANG Zhigang
(Department of Civil and Architecture Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

This article established a 2D finite element model by abaqus12.0 to simulate and conduct an optimal analysis of the actual construction’s disease of the dangerous section of non-symmetric double-arch tunnel.By analyzing the variation of vertical displacement and maximum principal stress of surrounding rock of arch crown and mid-partition、mid-partition and landslide-slip zone ，under the different steps of construction using 3-heading excavation method，the authors had a further understanding of how 3-heading excavation method influencing surrounding rock in different steps.The results provided a reference and guidance for the construction of partial pressure join arch tunnel.

partial pressure join arch tunnel;2D finite element model;dynamic simulate;influence of key parts of surrounding rock

U451

A

2095-5383(2014)02-0077-04

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.025

2014-01-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于漸進(jìn)性破壞的滑坡與隧道相互作用機(jī)理研究”(41102202);廣西教育廳科研項(xiàng)目“山區(qū)公路隧道洞口病害調(diào)查與穩(wěn)定性分析”(200808LX281)

韓任清(1988-)，男(漢族)，廣西南寧人，在讀碩士研究生，研究方向:隧道與地下工程，通信作者郵箱:176467430@qq.com。

朱苦竹(1976-)，男(漢族)，湖南郴州人，副教授，博士，研究方向:隧道與地下工程、巖土工程、水利水電工程。