超大斷面公路隧道圍巖變形及荷載釋放率研究

趙然，李濤，袁哲，陳云娟

（1.山東高速集團(tuán)有限公司 建設(shè)管理公司，山東 濟(jì)南250000；2.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101）

0 引言

21世紀(jì)是地下空間開發(fā)和利用的時(shí)代，隧道作為地下空間利用的重要形式，在交通網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著越來越重要的作用［1-2］。截至2014年底，我國公路隧道總里程比2002年多了14.2倍，達(dá)到10756.7 km，平均增長速度為800 km／a。目前，中國已是世界上隧道工程建設(shè)規(guī)模最大、數(shù)量最多、修建速度最快的國家［3］。從實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略出發(fā)，越來越多的單洞三、四車道隧道應(yīng)運(yùn)而生，開啟了國內(nèi)超大斷面、超大跨度公路隧道建設(shè)的序幕［4-5］。國內(nèi)第一條雙洞八車道超大斷面隧道——深圳南坪雅寶隧道于2006年順利貫通，隨后，廣州、深圳等發(fā)達(dá)城市也陸續(xù)開始修建雙洞八車道超大斷面隧道。此類隧道群多修建于山區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線存在破碎帶、斷層、溶洞等不良地質(zhì)，建設(shè)環(huán)境問題突出，與雙洞四車道和六車道隧道相比，雙洞八車道隧道斷面更大，其形狀更扁平，而圍巖和支護(hù)體系中應(yīng)力集中情況更嚴(yán)重，隧道穩(wěn)定性極差。

目前，對(duì)于超大斷面隧道可借鑒的經(jīng)驗(yàn)有限，缺乏系統(tǒng)的分析方法及配套技術(shù)。隧道開挖過程中，巖體的變形很大程度上受控于斷層、裂隙等不連續(xù)面，裂隙密集帶對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)［6-8］?？缍鹊脑黾訕O大地加劇了不連續(xù)面的擴(kuò)展和隧道圍巖的失穩(wěn)概率，因此針對(duì)超大斷面隧道開展裂隙圍巖變形及穩(wěn)定性分析顯得尤為重要。文章將依托龍鼎雙洞八車道公路隧道，研究半步CD法施工時(shí)裂隙圍巖的變形規(guī)律，分析裂隙圍巖的荷載釋放演化規(guī)律，并基于此確定掌子面后方安全距離。

1 工程概況

濟(jì)南繞城高速、京滬高速濟(jì)南連接線工程在建的老虎山、大嶺、漿水泉、龍鼎等雙線八車道超大斷面隧道群工程，屬世界同等跨度最大規(guī)模的隧道群，也是山東省當(dāng)前斷面最大的隧道群，地處濟(jì)南市區(qū)，淺埋偏壓，城市環(huán)保、水土流失、綠色施工等要求較高，隧道群分布如圖1所示。

圖1 濟(jì)南東（南）二環(huán)路延長線隧道群分布圖

其中，龍鼎隧道位于魯中南低山丘陵與魯西北沖擊平原的交接帶上的中部丘陵地區(qū)，進(jìn)口位于濟(jì)南龍鼎大道以東520 m處，出口位于太平莊西北方向350 m處。隧道采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，同時(shí)兼具城市快速路功能，跨度為16.75 m。龍鼎隧道上覆薄層狀灰?guī)r、中風(fēng)化、灰褐色、局部巖溶化，層厚＜6.0 m，巖質(zhì)較軟弱且軟化性較強(qiáng)；兩側(cè)洞體圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r、貂皮狀、中厚層狀、青灰色，產(chǎn)狀平緩，巖質(zhì)較堅(jiān)硬且軟化性弱。巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，產(chǎn)狀陡立，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，巖體較破碎，碎裂塊狀結(jié)構(gòu)。

龍鼎隧道K6+660～820區(qū)段有密集裂隙帶穿越，沿節(jié)理裂隙灰?guī)r巖溶化強(qiáng)烈，隧道穿越裂隙密集帶時(shí)將面臨較高的施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，選取該區(qū)段為研究對(duì)象，并基于此展開對(duì)超大斷面公路隧道裂隙圍巖變形及荷載釋放率方面的深入分析。龍鼎隧道K6+660～820區(qū)段縱剖面圖如圖2所示。

圖2 隧道K6+660～820區(qū)段圍巖軸向縱剖面圖

2 裂隙密集帶區(qū)段隧道模型建立

龍鼎隧道K6+660～820區(qū)段裂隙帶圍巖劃分等級(jí)為Ⅳ級(jí)，物理力學(xué)參數(shù)以地質(zhì)勘查結(jié)果為主，輔以經(jīng)驗(yàn)修正［9-10］，見表 1。

表1 圍巖工程地質(zhì)參數(shù)表

結(jié)合工程施工，隧道區(qū)段K6+660～820采用半步CD法進(jìn)行開挖，模擬過程主要分析隧道拱頂、兩幫以及底板的變形規(guī)律，所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置在隧道拱頂、兩幫以及底板位置，如圖3所示。

根據(jù)所提供的隧道縱斷面圖，推測(cè)裂隙密集帶的走向，龍鼎隧道K6+660～820區(qū)段采用有限元數(shù)值軟件進(jìn)行仿真模擬［11-13］，建立的計(jì)算模型如圖4所示。

圖3 龍鼎隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖4 龍鼎隧道K6+660～820區(qū)段全三維計(jì)算模型示意圖

3 裂隙密集帶對(duì)超大斷面隧道圍巖變形影響

為了分析裂隙密集帶對(duì)圍巖變形規(guī)律的影響，選取K6+660、K6+751及K6+810 3個(gè)斷面進(jìn)行分析，其中K6+751為裂隙主要穿越斷面。隧道開挖襯砌前、襯砌后的3個(gè)斷面圍巖塑性區(qū)分布，如圖5所示。

圖5 龍鼎隧道圍巖塑性區(qū)分布圖

由圖5可以看出，隧道開挖后，圍巖塑性區(qū)總體較小。襯砌前，裂隙密集帶區(qū)域圍巖塑性區(qū)相對(duì)來說較大，尤其是右線隧道，受裂隙帶的影響最為顯著。襯砌支護(hù)后，隧道圍巖塑性區(qū)有不同程度的減小，但整體來看，依舊是裂隙密集帶區(qū)域右線隧道圍巖塑性區(qū)范圍最大。因此，從圍巖塑性區(qū)的角度來看，裂隙密集帶區(qū)域圍巖的塑性區(qū)范圍最大，整體穩(wěn)定性要相對(duì)弱一些。

隧道開挖后，各斷面圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移值如圖6所示。

圖6 不同里程號(hào)對(duì)應(yīng)斷面隧道圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線圖

由圖6（a）可以看出，襯砌前，右線隧道拱頂出現(xiàn)最大位移25.5 mm，兩幫圍巖位移較小，在17 mm以內(nèi)，左、右線隧道底板位移分析為 17.2和20.6 mm；襯砌后，隧道圍巖位移有不同程度的減小，支護(hù)作用使圍巖位移最大減小16.4%，發(fā)生在右線隧道拱頂，位移由25.5 mm減小到21.9 mm。采用半步CD法進(jìn)行開挖時(shí)，隧道頂部圍巖變形較大，同時(shí)出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

由圖6（b）可以看出，在裂隙密集區(qū)域，右線隧道圍巖穩(wěn)定性受裂隙帶影響較為顯著，位移有所增加。襯砌前，左、右線隧道拱頂位移分別為16.3和33.6 mm，底板位移分別為 14.7和 23.4 mm，左、右壁圍巖位移最大為20.1 mm；襯砌后，左、右線隧道拱頂位移分別為14.6和22.9 mm，底板位移分別為12.8和 19.5 mm，左、右壁圍巖位移最大值為16.7 mm。襯砌的支護(hù)作用使圍巖位移最大減小46.7%，發(fā)生在右線隧道拱頂，位移由33.6 mm減小到22.9 mm。通過與圖6的對(duì)比，可知裂隙密集帶對(duì)右線隧道圍巖穩(wěn)定性有不可忽略的影響，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)該區(qū)域的支護(hù)。

由圖6（c）可以看出，隨著與裂隙密集帶的距離增加，隧道圍巖的穩(wěn)定性又有了一定程度的提高。襯砌前，隧道拱頂位移分別為16.4和20.1 mm，底板位移分別為15.8和16.9 mm，左、右壁圍巖位移最大值為13.3 mm；襯砌后，隧道拱頂位移分別為13.3和 15.6 mm，底板位移分別為 12.3和11.9 mm，左、右壁圍巖位移最大值為10.1 mm。支護(hù)作用使圍巖位移最大減小28.8%，發(fā)生在右線隧道拱頂，位移由20.1 mm減小到15.6 mm。

綜合分析圖6（a）～（c）可知，裂隙密集帶的存在，對(duì)超大斷面公路右線隧道圍巖穩(wěn)定性有較顯著的影響，襯砌支護(hù)一定程度上增強(qiáng)了圍巖穩(wěn)定性；龍鼎超大斷面公路隧道此區(qū)段采用半步CD法施工，位移總體變形量可控，施工方法合理。

4 超大斷面隧道圍巖荷載釋放率分析

半步CD法施工超大斷面隧道圍巖荷載釋放過程中，將圍巖應(yīng)力采用數(shù)據(jù)歸一化處理，消去應(yīng)力的單位和方向，著重分析其數(shù)值上的變化［14-15］。將開挖結(jié)束后圍巖釋放的徑向應(yīng)力絕對(duì)值與開挖前應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，研究荷載釋放的空間演化規(guī)律，并基于此確定掌子面后方的安全距離。

隨著龍鼎隧道半步CD法施工，取掌子面位置為K6+696，分析超大斷面隧道開挖后距離掌子面各 20、10、5、4、3、2 m區(qū)域圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均荷載釋放率，得到規(guī)律如圖7所示。

由圖7可以看出，當(dāng)隧道開挖后，距離掌子面距離大于20 m時(shí)，圍巖荷載完全釋放，圍巖應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定；距離掌子面10 m時(shí)，圍巖荷載釋放率達(dá)到97.1%，應(yīng)力狀態(tài)較為穩(wěn)定；距離掌子面5 m時(shí)，圍巖荷載釋放率約為92.5%；距離掌子面4 m時(shí)，圍巖荷載釋放率約降為84.9%；而距離掌子面分別為3和2 m時(shí)，圍巖荷載釋放率僅分別約為45.5%和44.9%。因此，隧道開挖后距離掌子面＜5 m范圍內(nèi)，可視為危險(xiǎn)區(qū)域，此時(shí)圍巖荷載釋放率較低，隧道圍巖發(fā)生突發(fā)狀況的幾率較大；隧道開挖后距離掌子面＞5 m范圍內(nèi)，可視為相對(duì)安全區(qū)域，已經(jīng)穩(wěn)定的隧道圍巖發(fā)生突變的幾率大幅度降低。從這個(gè)角度考慮，可以認(rèn)為對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖隧道，掌子面后方的較安全距離最小為5 m，而安全距離則應(yīng)＞10 m。

圖7 隧道圍巖荷載釋放率空間演化規(guī)律示意圖

5 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）超大斷面公路隧道Ⅳ級(jí)圍巖采用半步CD法施工，圍巖位移在可控范圍內(nèi)，因此施工方案可行。

（2）裂隙密集帶區(qū)域，超大斷面隧道圍巖的塑性區(qū)和位移都處于最大狀態(tài)，遠(yuǎn)離裂隙密集帶區(qū)域，隧道圍巖的穩(wěn)定性有所提高。襯砌的支護(hù)作用可以改善超大斷面隧道圍巖的穩(wěn)定性，變形減少量最高可達(dá) 39.7%。

（3）對(duì)于Ⅳ級(jí)超大斷面公路隧道圍巖，隧道開挖后距離掌子面＜5 m范圍內(nèi)，可視為危險(xiǎn)區(qū)域；5～10 m范圍內(nèi)，可視為相對(duì)安全區(qū)域；＞10 m可視為安全區(qū)域。

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