施工順序?qū)\埋偏壓小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性影響的分析?

凌同華1，謝偉華1，周凱1，何瀚1，李潔2

（1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004；2.新余學(xué)院建筑工程學(xué)院，江西新余 338000）

施工順序?qū)\埋偏壓小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性影響的分析?

凌同華1，謝偉華1，周凱1，何瀚1，李潔2

（1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004；2.新余學(xué)院建筑工程學(xué)院，江西新余 338000）

為深入分析小凈距隧道圍巖在不同施工順序下的穩(wěn)定性，以浙江省蒼南縣藻溪隧道為工程背景，運用FLAC3D進行模擬計算。隧道深埋側(cè)采用預(yù)留核心土法、淺埋側(cè)采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖施工，針對不同隧道凈距的淺埋偏壓小凈距隧道，對采用“深—淺”和“淺—深”兩種施工順序下圍巖位移變化和塑性區(qū)發(fā)展情況進行對比分析。結(jié)果表明，在Ⅴ級圍巖情況下，合理的隧道開挖凈距為10m，開挖方案為“淺—深”，并且隨著隧道凈距的增加，施工順序的不同對偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的影響程度減弱。

隧道；淺埋；偏壓；施工順序；隧道凈距；數(shù)值模擬

淺埋偏壓小凈距隧道在開挖過程中可能會出現(xiàn)如塌方、冒頂?shù)戎卮蠊こ淌鹿?，對人們生命財產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅。因此，加強對淺埋偏壓小凈距隧洞圍巖穩(wěn)定性的研究具有很強的實際意義。文獻［1］～［6］運用不同數(shù)值模擬軟件對不同施工順序下圍巖穩(wěn)定性進行了分析研究，并提出優(yōu)化方案指導(dǎo)施工；文獻［7］～［10］針對隧道凈距對圍巖穩(wěn)定性的影響進行了分析研究。該文基于浙江省蒼南縣藻溪隧道，針對目前淺埋偏壓小凈距隧道的實際應(yīng)用情況，運用FLAC3D進行數(shù)值模擬，對比分析不同凈距隧道在“深—淺”、“淺—深”兩種施工順序下中夾巖及圍巖的應(yīng)力、變形和塑性區(qū)發(fā)展情況，以選擇合理的隧道凈距及施工順序，為類似淺埋偏壓小凈距隧道施工和設(shè)計提供參考。

1　數(shù)值模擬

1.1工程概況

該隧道位于蒼南縣藻溪鎮(zhèn)靈炎公路旁，進口段YK8+070—120隧道淺埋側(cè)，埋深為12～16m，地表傾斜角度為30°。進洞口段巖性主要為強風(fēng)化角礫玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，較破碎、堅硬，呈碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖級別為Ⅴ級。

隧道洞口及洞身加強段深埋側(cè)采用預(yù)留核心土法施工，淺埋側(cè)采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。隧道開挖寬度為12.1m，高度為9.8m，凈空斷面為三心圓，采用復(fù)合式襯砌。初期襯砌由系統(tǒng)錨桿、鋼筋焊接網(wǎng)、噴射砼及鋼拱架組成，其中系統(tǒng)錨桿采用4m長φ25× 5中空注漿錨桿，環(huán)向間距1.0m，縱向間距0.5m；鋼筋網(wǎng)采用φ6@15cm×15cm；噴射25cm厚C20砼；鋼拱架采用I18工字鋼，縱向間距0.5m。

1.2模型建立與參數(shù)選擇

分別建立隧道凈距為5、10及15m時數(shù)值計算模型（見圖1）。根據(jù)地下結(jié)構(gòu)受力分析，受洞室開挖影響的圍巖變形范圍一般為開挖寬度的3～5倍。結(jié)合該工程實際情況，計算模型寬x方向取140m，軸線y方向取60m，下邊界z方向距模型中心40 m，上邊界直至地表，地表斜坡傾斜角度為30°。模型的邊界約束條件為：模型左右兩側(cè)邊界均受x方向水平位移約束，底部邊界受x、y、z三向位移約束，前后邊界受y方向位移約束，地表為自由邊界。

圖1　藻溪隧道數(shù)值計算模型

模型選用Mohr-Coulomb屈服準則，將圍巖視為各向同性介質(zhì)。其中錨桿采用桿單元模擬，其余部分均采用實體單元模擬，鋼拱架采用等效模擬，即將鋼拱架的彈性模量折算到鋼筋砼上，鋼筋網(wǎng)不予模擬。結(jié)合JTGD70-2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》與工程實際得出模型計算參數(shù)（見表1）。

2　施工方案及控制點的布置

為研究小凈距隧道在不同施工順序下隧道圍巖的整體穩(wěn)定性，分別采用“深—淺”和“淺—深”兩種施工順序進行模擬施工。

表1　圍巖及支護材料計算參數(shù)

“深—淺”施工工序為深埋側(cè)上部弧形巖體開挖與支護→深埋側(cè)上部核心巖體開挖→深埋側(cè)下臺階開挖與支護→淺埋側(cè)先行導(dǎo)坑開挖與支護→淺埋側(cè)上臺階開挖與支護→淺埋側(cè)下臺階開挖與支護→二次襯砌及防水施工。

“淺—深”施工工序為淺埋側(cè)先行導(dǎo)坑開挖與支護→淺埋側(cè)上臺階開挖與支護→淺埋側(cè)下臺階開挖與支護→深埋側(cè)上部弧形巖體開挖與支護→深埋側(cè)上部核心巖體開挖→深埋側(cè)下臺階開挖與支護→二次襯砌及防水施工。其中深埋側(cè)核心巖體落后環(huán)形巖體6m開挖，下臺階落后核心巖體12m開挖，淺埋側(cè)上臺階落后側(cè)壁導(dǎo)坑土體12m開挖，下臺階落后上臺階12m開挖，每循環(huán)進尺為2.0m。施工工序過程見圖2。

圖2　隧道施工工序示意圖

分別選取左、右兩線的拱頂、拱腰及拱肩關(guān)鍵點作為模擬分析的控制點，控制點的布置見圖3。

圖3　模擬分析控制點布置示意圖

3　數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

選取模型y=10斷面作為計算研究面，對采用“深—淺”、“淺—深”兩種施工順序開挖完成后隧道周邊圍巖的位移及塑性區(qū)變化進行對比分析，確定最優(yōu)施工方案。

3.1隧道周邊圍巖位移結(jié)果對比分析

圖4～7為隧道在兩種方案開挖完成后的圍巖位移云圖，表2為各控制點的位移，圖8～10為各控制點的位移變化趨勢。

圖4　圍巖豎直方向位移云圖（凈距5m）

圖5　圍巖水平方向位移云圖（凈距5m）

圖6　圍巖豎直方向位移云圖（凈距15m）

圖7　圍巖水平方向位移云圖（凈距15m）

由圖4～7及表2可知：隧道開挖完成后，豎向位移云圖呈不對稱分布，豎直位移較大值主要分布在拱頂處，深埋側(cè)拱頂沉降量遠大于淺埋側(cè)。而在地形偏壓影響下，圍巖水平位移云圖呈明顯斜向傾斜，隧道兩側(cè)拱肩均出現(xiàn)較大水平位移，并在淺埋側(cè)內(nèi)側(cè)拱肩達到水平位移最大值。隧道凈距為5m時，兩洞開挖完成后云圖呈現(xiàn)相互連通的趨勢，相互影響區(qū)域較大，采用“淺—深”方案開挖時，淺埋側(cè)隧道最終拱頂下沉、周邊收斂及仰拱隆起值均小于“深—淺”方案，深埋側(cè)則正好相反。由于地形偏壓的影響，開挖過程中隧道拱肩出現(xiàn)變形破壞的可能性較大，采用“淺—深”方案時淺埋側(cè)拱肩位移比采用“深—淺”方案時減少0.26mm，能有效控制其淺埋側(cè)水平位移。隧道凈距為10m時，圍巖位移云圖還存在一定程度的相互重疊影響區(qū)域，但相對于凈距為5m時已明顯減少。隧道凈距為15m時，兩洞開挖后云圖類似于單洞開挖時情形，位移相互重疊影響區(qū)域已很少，“淺—深”方案比“深—淺”方案對淺埋側(cè)拱肩位移的控制僅減少0.03mm，兩種方案下各控制點位移變化大小及趨勢基本一致，施工順序?qū)λ淼乐苓厙鷰r位移變形的影響已很小。

表2　隧道周邊控制點的位移

圖8　凈距為5m時控制點的位移變化趨勢

圖9　凈距為10m時控制點的位移變化趨勢

圖10　凈距為15m時控制點的位移變化趨勢

由圖8～10可知：隧道凈距為5m時，施工順序的不同對隧道周邊圍巖位移變化的影響最大，可明顯看到在兩種施工順序下各控制點位移曲線的相互差值；隨著凈距的增加，當(dāng)隧道凈距為10m時，兩種施工順序下各控制點位移變化曲線持續(xù)接近；當(dāng)隧道凈距為15m時，兩種施工順序下各控制點位移變化曲線已基本重合，施工順序的影響已很小。

一般情況下，淺埋偏壓小凈距隧道由于淺埋側(cè)上層覆巖厚度不夠，開挖過程中難以形成有效的成拱效應(yīng)，淺埋側(cè)發(fā)生坍塌的幾率會大于深埋側(cè)，需重點加強支護。而“淺—深”方案相對于“深—淺”方案能更好地控制淺埋側(cè)隧道周邊巖體的豎直位移及水平位移，且對開挖過程中發(fā)生水平位移變形較大的隧道拱肩處能形成良好的支護作用，能有效保證圍巖在開挖過程中的穩(wěn)定性。整體來講，在不同隧道凈距（5、10、15m）條件下，“淺—深”方案對于隧道周邊圍巖變形的控制優(yōu)于“深—淺”方案，且當(dāng)隧道凈距為5m時優(yōu)勢更明顯，隨著凈距的增加施工順序?qū)ζ溆绊懗潭戎饾u減弱。

3.2塑性區(qū)分布結(jié)果對比分析

不同隧道凈距下采用兩種方案開挖后隧道圍巖塑性區(qū)分布見圖11～13。

圖11　開挖后隧道圍巖塑性區(qū)分布圖（凈距5m）

圖12　開挖后隧道圍巖塑性區(qū)分布（凈距10m）

圖13　開挖后隧道圍巖塑性區(qū)分布（凈距15m）

由圖11～13可知：1）隧道凈距為5m時，圍巖塑性區(qū)面積整體較大，采用“深—淺”方案時隧道淺埋側(cè)內(nèi)側(cè)拱肩及仰拱處產(chǎn)生小范圍的拉伸屈服區(qū)域，中夾巖柱區(qū)域出現(xiàn)大面積的剪切屈服連通區(qū)域，存在發(fā)生剪切破壞的較大可能性，且由于地形偏壓的影響，深埋側(cè)拱肩產(chǎn)生一定范圍的剪切屈服區(qū)域。采用“淺—深”方案時，圍巖處于塑性屈服狀態(tài)的區(qū)域明顯減少，中夾巖柱之前所出現(xiàn)的剪切屈服區(qū)域也基本消失，能有效保證中夾巖柱在開挖過程中的穩(wěn)定性，而深埋側(cè)塑性區(qū)分布狀態(tài)與“深—淺”方案相差不大。2）隧道凈距為10m時，采用“深—淺”方案時，中夾巖柱存在少量的塑性區(qū)連通區(qū)域，淺埋側(cè)內(nèi)側(cè)拱肩及仰拱處同樣存在一定區(qū)域的剪切和拉伸屈服區(qū)域；采用“淺—深”方案時，中夾巖柱已無塑性區(qū)連通區(qū)域，淺埋側(cè)內(nèi)側(cè)拱肩及仰拱處于塑性屈服狀態(tài)的區(qū)域也基本消失，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅在拱腰處產(chǎn)生極小范圍的剪切屈服區(qū)域，相對于凈距為5m時，圍巖處于塑性屈服狀態(tài)的區(qū)域已減少很多，尤其在中夾巖區(qū)域，但“淺—深”方案優(yōu)勢有所減弱。3）隧道凈距為15m時，采用兩種方案開挖后圍巖塑性區(qū)整體分布基本一致，中夾巖柱塑性區(qū)連通狀態(tài)已完全消失，“淺—深”方案對于淺埋側(cè)仰拱及深埋內(nèi)側(cè)拱肩塑性區(qū)發(fā)展的控制同樣優(yōu)于“深—淺”方案，但優(yōu)勢已不明顯。

總體來說，在不同隧道凈距（5、10、15m）下，一側(cè)洞室的開挖會對另一洞室圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，“淺—深”方案比 “深—淺”方案更有利于開挖過程中圍巖變形及塑性區(qū)發(fā)展的控制，在淺埋側(cè)位移及塑性區(qū)的控制上更為有效；隧道凈距為5m時“淺—深”方案優(yōu)勢更明顯，但隨著隧道凈距的增加，施工順序的不同對圍巖穩(wěn)定性的影響減弱。隧道凈距為5m時，開挖過程中中夾巖柱發(fā)生破壞的幾率很大，而當(dāng)隧道凈距達到10m時，開挖完成后中夾巖柱塑性屈服區(qū)域已基本消失，能有效保證中夾巖柱的穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

（1）兩種不同的開挖方案，隧道深埋側(cè)的圍巖變形整體大于淺埋側(cè)，較大變形主要發(fā)生在隧道拱頂、拱肩及中夾巖柱處，且由于地形偏壓的影響，淺埋側(cè)內(nèi)側(cè)拱肩處出現(xiàn)水平位移最大值，應(yīng)重點對其加強支護及監(jiān)控。

（2）隧道凈距為5m時，開挖完成后中夾巖柱發(fā)生較大的位移變形，出現(xiàn)塑性區(qū)連通現(xiàn)象，中夾巖柱存在剪切破壞的可能性；但當(dāng)隧道凈距增加到10 m時，塑性區(qū)明顯減少，中夾巖柱塑性屈服區(qū)域基本消失，能有效保證開挖過程中中夾巖柱的穩(wěn)定性，且滿足隧道選線要求。因此，合理的隧道開挖凈距為10m。

（3）不同隧道凈距下開挖時，“淺—深”方案均優(yōu)于“深—淺”方案，尤其在淺埋側(cè)位移及塑性區(qū)的控制上更為有效。因此，合理的施工順序為“淺—深”。當(dāng)隧道凈距為5m時，“淺—深”方案優(yōu)勢最為明顯，但隨著凈距的增加，當(dāng)隧道凈距為10和15 m時，該方案的優(yōu)勢逐漸減弱，即施工順序的不同對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響相對較弱。

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U451

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1671-2668（2016）04-0263-05

2016-02-28