奔龍坪隧道施工方案穩(wěn)定性數(shù)值分析

師伯泰

(中鐵九局集團(tuán)第九工程有限公司，吉林長(zhǎng)春130033)

雙連拱隧道在地質(zhì)條件差、展線困難，難以修建分離式小凈距隧道的地段有很強(qiáng)的適應(yīng)性［1－5］。但由于連拱隧道本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得雙連拱隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受力十分復(fù)雜。連拱隧道與單洞隧道以及小凈距隧道的主要區(qū)別在于中隔墻以及排水系統(tǒng)，其中隔墻在導(dǎo)洞貫通后立即澆筑，它既是初期支護(hù)和二襯的支撐點(diǎn)，又是防水層的支撐結(jié)構(gòu)。因此，中隔墻的受力又是整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)中最為復(fù)雜的部分［6－8］。中隔墻的受力除了與上部圍巖的豎向荷載有關(guān)外，還與施工中采用的開挖方法有關(guān)。雙連拱隧道在左右幅施工時(shí)，邊開挖邊支護(hù)，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的荷載轉(zhuǎn)換頻繁，而且目前連拱隧道的開挖多采用鉆爆法，爆破施工對(duì)中隔墻及頂部圍巖的擾動(dòng)都非常大。另外，由于雙連拱隧道左右洞的非對(duì)稱開挖，導(dǎo)致雙洞的應(yīng)力釋放時(shí)間不同，因此在隧道的施工過程中，將會(huì)對(duì)中隔墻形成一種不平衡的推力和彎矩。因此，雙連拱隧道施工中，根據(jù)隧道地層情況進(jìn)行施工方案的比選和優(yōu)化意義重大［9－10］。

在建奔龍坪隧道圍巖狀況十分惡劣，其巖體擠壓扭曲，產(chǎn)狀凌亂，且風(fēng)化性很強(qiáng)，節(jié)理十分發(fā)育，巖體破碎，屬Ⅴ級(jí)圍巖。隧道全段連拱隧道總的洞徑有25 m，但隧道最大埋深處也僅有43.3 m，因此，相對(duì)來說，隧道所處埋深較淺。隧道進(jìn)口方向地勢(shì)東高西低。整個(gè)隧道處于一個(gè)偏壓地段中?？紤]到奔龍坪隧道的地形特點(diǎn)和雙連拱隧道自身特點(diǎn)，為確保隧道施工安全、優(yōu)化施工步序，采用數(shù)值模擬方法對(duì)隧道施工方案的穩(wěn)定性及二次襯砌的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，確定了隧道的施工方案，指導(dǎo)了該隧道的施工。

1 工程概況

1.1 隧道工程概況

在建奔龍坪隧道全段埋于青、藏、滇、緬、印尼“歹”字型構(gòu)造西支中段與三江經(jīng)向構(gòu)造帶中南段及南嶺緯向構(gòu)造帶西延部分的復(fù)合部位。因此，隧道所處地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，褶皺，斷裂構(gòu)造形跡相當(dāng)發(fā)育，總觀全區(qū)構(gòu)造，測(cè)區(qū)東部以大型斷裂為主，西部緊密褶皺和斷裂構(gòu)造相間分布，南部構(gòu)造形跡呈向南撒開的特點(diǎn)。受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造影響，奔龍坪隧道圍巖擠壓破碎，產(chǎn)狀零亂，圍巖穩(wěn)定性較差;隧道圍巖整體劃分為V級(jí)，隧道進(jìn)出口段上覆第四系殘坡積灰黃、灰褐、褐紅色粉質(zhì)黏土，硬塑狀，厚度4 m～7 m;下伏基巖為寒武系砂質(zhì)板巖、花崗片麻巖，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，呈強(qiáng)風(fēng)化碎石碎片狀，節(jié)理裂隙發(fā)育;隧道中部圍巖多呈強(qiáng)風(fēng)化碎石碎片狀，局部呈中風(fēng)化碎石狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)較堅(jiān)硬。

1.2 隧道工程地質(zhì)條件

奔龍坪隧道地處爛寨子村南側(cè)下方斜坡中上部，屬構(gòu)造剝蝕中山切割長(zhǎng)垣壟狀山地地形，山體呈單斜坡面，植被很發(fā)育，地形縱坡起伏較大，自然坡度一般30°～40°之間，局部大于50°。隧道區(qū)最高點(diǎn)高程1 480.12 m，坡面沖溝較發(fā)育，切割較淺，屬山嶺重丘區(qū)。根據(jù)地勘報(bào)告，奔龍坪隧道地層巖性主要為:第四系殘坡積(Q4el+dl)粉質(zhì)粘土，下伏基巖為寒武系砂質(zhì)板巖、片麻巖。主要地層巖性分布如下:

(1)第四系殘坡積(Q4el+dl)粉質(zhì)粘土:灰黃、灰褐、褐紅色、硬塑狀，土質(zhì)很不均勻，含約20% ～25%白云巖碎石角礫，分布較連續(xù)，主要分布于坡面表層，厚度一般2.8 m～4.7 m，承載力基本容許值200 kPa。

(2)寒武系砂質(zhì)板巖夾變質(zhì)砂巖:褐灰、灰白、褐黃、灰褐色，上部強(qiáng)風(fēng)化碎石碎片狀，下部呈中風(fēng)化碎石狀，強(qiáng)、中風(fēng)化界限一般15 m～30 m;節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)較堅(jiān)硬。其巖層產(chǎn)狀280°∠58°。該巖層承載力基本容許值強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖500 kPa，中風(fēng)化砂質(zhì)板巖900 kPa。

(3)寒武系片麻巖:褐灰、褐黃、灰黃色，上部全～強(qiáng)風(fēng)化碎石碎片狀，下部呈中風(fēng)化碎石狀，強(qiáng)、中風(fēng)化界線一般15 m～30 m，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體很破碎，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖層產(chǎn)狀280°∠58°，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利;該巖層承載力基本容許值強(qiáng)風(fēng)化片麻巖600 kPa，中風(fēng)化片麻巖1 200 kPa。

2 數(shù)值模型及計(jì)算

2.1 三維(3D)數(shù)值模擬方案及模擬參數(shù)選取

根據(jù)該工程較差段的實(shí)際地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)資料，考慮地表的起伏并同時(shí)兼顧模型計(jì)算精度，在建立模型的過程中，按照連續(xù)介質(zhì)模型的建模思路，考慮足夠的模型尺寸，完全模擬現(xiàn)場(chǎng)主要的工程環(huán)境。分別考慮出口段施工情況和進(jìn)口段施工情況，模型全長(zhǎng)取了80 m進(jìn)行計(jì)算，隧道計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見圖1(a)和圖1(b)所示。施工方案優(yōu)化分析及施工穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)比分析了如下兩種工況:

(1)一次貫通方案，即:中導(dǎo)洞開挖→右幅正洞開挖→左幅正洞開挖，右幅正洞貫通后再施工左幅正洞。

(2)交錯(cuò)開挖方案，即:中導(dǎo)洞開挖→右幅正洞超前開挖→左幅正洞開挖，右幅、左幅正洞開挖交錯(cuò)40 m先后施工。

圖1 奔龍坪隧道模型圖

奔龍坪隧道數(shù)值模擬分析中，巖體模型按彈塑性理論，破壞選取摩爾－庫侖破壞準(zhǔn)則。巖土體及隧道襯砌結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，模擬邊界條件的選取，除模型上邊界為地表取為自由邊界，其余各面均采取法向約束［11－13］，采用 Midas－GTS軟件進(jìn)行模擬分析;隧道計(jì)算中巖土體及隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.2 三維(3D)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1 中隔墻應(yīng)力對(duì)比分析

圖2(a)和圖2(b)分別給出了不同開挖方法模型的中隔墻應(yīng)力云圖對(duì)比分析，由圖2可見:

(1)兩種開挖方式平均應(yīng)力分布和大小差別不大，即交錯(cuò)開挖最大壓應(yīng)力值的絕對(duì)值與一次貫通的大小幾乎沒有區(qū)別;

(2)一次貫通最大拉應(yīng)力的絕對(duì)值與交錯(cuò)開挖的大小幾乎沒有區(qū)別;但是對(duì)比兩種主要應(yīng)力分布區(qū)，交錯(cuò)開挖法大部分應(yīng)力為壓應(yīng)力(占27.1%)集中在1.33 MPa，一次貫通法大部分應(yīng)力為壓應(yīng)力(占27.3%)集中在為1.35 MPa。兩者差別不大。

2.2.2 二襯應(yīng)力對(duì)比分析

圖3給出了不同開挖方法模型的右洞應(yīng)力云圖對(duì)比分析，由圖3可見:一次貫通的最大拉應(yīng)力為1.25 MPa，交錯(cuò)開挖的最大拉應(yīng)力為 1.31 MPa，相對(duì)大小差別不大;一次貫通的最大壓應(yīng)力為3.70 MPa，交錯(cuò)開挖的最大壓應(yīng)力為6.92 MPa，交錯(cuò)開挖比一次貫通大47%;一次貫通的主要拉應(yīng)力(占10.1%)為 0.481 MPa，交錯(cuò)開挖的主要拉應(yīng)力(占16.7%)為 0.491 MPa，相對(duì)大小差別不大;一次貫通的主要壓應(yīng)力(占14.3%)為0.607 MPa，交錯(cuò)開挖的主要壓應(yīng)力(占23.2%)為0.882 MPa，交錯(cuò)開挖比一次貫通大31.1%。

圖2 一次貫通法中隔墻平均應(yīng)力變化云圖(單位:kPa)

圖3 二襯平均應(yīng)力變化云圖(單位:kPa)

圖4給出了不同開挖方法模型的左洞應(yīng)力云圖對(duì)比分析，由圖4可見:一次貫通的最大拉應(yīng)力為0.085 MPa，交錯(cuò)開挖的最大拉應(yīng)力為 0.455 MPa，交錯(cuò)開挖比一次貫通開挖大81%;一次貫通的最大壓應(yīng)力為0.118 MPa，交錯(cuò)開挖的最大壓應(yīng)力為4.614 MPa，交錯(cuò)開挖比一次貫通大97%;一次貫通的主要拉應(yīng)力(占13.3%)為 0.047 MPa，交錯(cuò)開挖的主要拉應(yīng)力(占62%)為0.158 MPa，交錯(cuò)開挖比一次貫通大70%，且所占百分比也大很多;一次貫通的主要壓應(yīng)力(占13.2%)為 0.010 MPa，交錯(cuò)開挖的主要壓應(yīng)力(占4.7%)為0.653 MPa，交錯(cuò)開挖比一次貫通大98%，但所占百分比要稍小一些。

圖4 左洞二襯平均應(yīng)力變化云圖(單位:kPa)

2.2.3 位移對(duì)比分析

圖5給出了不同開挖方法模型的左洞位移變化云圖對(duì)比分析，由圖5可見:一次貫通與交錯(cuò)開挖方法的整體位移變化趨勢(shì)相差不大，兩者的最大位移都發(fā)生在左洞的洞口位置。一次貫通拱頂最大沉降為2.85 cm，交錯(cuò)開挖的拱頂最大沉降為2.76 cm。差別不大，交錯(cuò)開挖稍微小點(diǎn)。一次貫通拱底最大隆起為2.08 cm，交錯(cuò)開挖的拱底最大隆起為2.06 cm。差別不大，交錯(cuò)開挖稍微小點(diǎn)。

圖5 左洞豎向位移變化云圖(單位:m)

2.3 基于三維(3D)數(shù)值模擬分析的施工建議

通過對(duì)奔龍坪隧道進(jìn)行的三維數(shù)值模擬試驗(yàn)，并考慮地表偏壓的影響，討論兩種不同開挖方案時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及位移情況，可以看出，就中隔墻的受力分析以及隧道的位移變化而言，兩種開挖方案的差別不大。但從二襯的受力狀況看，尤其是左洞二襯的受力狀況看，采用右幅正洞貫通后再施工左幅正洞方案，二襯的受力狀態(tài)要優(yōu)于采用交錯(cuò)開挖法時(shí)二襯受力狀況。因此，在不考慮兩洞爆破影響時(shí)，由于地層偏壓影響，采用“中導(dǎo)洞開挖→右幅正洞開挖→左幅正洞開挖，右幅正洞貫通后再施工左幅正洞”方案二襯的受力狀態(tài)要優(yōu)于采用交錯(cuò)開挖法時(shí)二襯受力狀況。因此目前采用該方案組織施工。

根據(jù)目前施工揭示地質(zhì)條件和巖層出露情況分析，隧道左幅圍巖整體性差，右幅貫通襯砌完成后進(jìn)行左幅開挖中，工程將采用由左向右分塊起爆的弱爆破來配合人工開挖，爆破時(shí)將嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量，各部開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m左右。同時(shí)在施工過程中將加強(qiáng)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，做到一炮一檢，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙要求，將爆破振動(dòng)速度控制在規(guī)范和圖紙要求的范圍之內(nèi)，確保右幅已完成襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

但由于隧道埋深淺，且處于偏壓狀態(tài)，考慮爆破振動(dòng)影響、工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件的變化等的影響［14－15］，施工中我集團(tuán)公司將加強(qiáng)隧道的施工監(jiān)測(cè);強(qiáng)化施工中的襯砌受力監(jiān)測(cè)，確保施工安全及二次襯砌結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全。

3 結(jié)論

通過對(duì)奔龍坪隧道進(jìn)行三維數(shù)值模擬試驗(yàn)，并考慮地表偏壓的影響，討論兩種不同開挖方案時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及位移情況，可以得出如下結(jié)論:

(1)從中隔墻的受力分析以及隧道的位移變化可以看出兩種開挖方案的差別不大。

(2)從二襯的受力狀況看，尤其是左洞二襯的受力狀況看，采用右幅正洞貫通后再施工左幅正洞方案，二襯的受力狀態(tài)要優(yōu)于采用交錯(cuò)開挖法時(shí)二襯受力狀況。

綜上所述，在不考慮兩洞爆破影響時(shí)，由于地層偏壓影響，采用“中導(dǎo)洞開挖→右幅正洞開挖→左幅正洞開挖，右幅正洞貫通后再施工左幅正洞”方案二襯的受力狀態(tài)要優(yōu)于采用交錯(cuò)開挖法時(shí)二襯受力狀況。

［1］劉 生，李寧軍，劉紅平.基于無導(dǎo)洞方法的連拱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010，8(4):107-110.

［2］李曉洪.軟弱圍巖雙連拱隧道施工力學(xué)研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2003.

［3］王文正.公路雙連拱隧道開挖方法及施工過程數(shù)值模擬研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2003.

［4］周玉宏，趙燕明，程崇國.連拱隧道施工方案的應(yīng)力分析［J］.公路交通技術(shù)，2003，(3):83-85.

［5］李地元，李夕兵，張 偉，等.基于流固耦合理論的連拱隧道圍巖穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(5):1056-1064.

［6］丁文其，王曉形，朱合華，等.連拱隧道設(shè)計(jì)荷載的確定方法［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2007，20(5):78-82.

［7］許崇幫，夏才初，朱合華.雙向八車道連拱隧道施工方案優(yōu)化分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(1):66-73.

［8］王建秀，朱合華，唐益群，等.連拱隧道邊坡耦合作用:滑坡連拱隧道［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(9):120-124.

［9］傅鶴林，韓汝才.隧道襯砌荷載計(jì)算理論及巖溶處治技術(shù)［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2005.

［10］朱合華，張晨明，王建秀，等.龍山雙連拱隧道動(dòng)態(tài)位移反分析與預(yù)測(cè)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(1):67-73.

［11］宋戰(zhàn)平，綦彥波，趙國祝，等.巖溶隧道施工關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用研究［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

［12］劉 濤，沈明榮，陶履彬，等.連拱隧道動(dòng)態(tài)施工模型試驗(yàn)與三維數(shù)值仿真模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(9):1802-1808.

［13］王亞瓊，張少兵，謝永利，等.淺埋偏壓連拱隧道非對(duì)稱支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性狀分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(S1):3265-3272.

［14］賀麗娟.鉆爆法施工對(duì)既有連拱隧道的影響分析及施工措施［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12(3):185-188.

［15］宋戰(zhàn)平，郗舉科，范留明，等.復(fù)雜地質(zhì)條件下水工隧道新奧法施工實(shí)踐探究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2003，1(3):5-9.