層狀圍巖地質(zhì)雙連拱隧道施工力學(xué)行為分析*

田衛(wèi)明

（重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶 402247）

1 引言

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的連拱隧道正在建設(shè)中。連拱隧道開(kāi)挖面較大，導(dǎo)致施工時(shí)很難一次性完整開(kāi)挖，所以重復(fù)的不規(guī)則性擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致連拱隧道圍巖失穩(wěn)，極易發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故，所以，連拱隧道的施工對(duì)地質(zhì)條件要求十分嚴(yán)格［1］。當(dāng)連拱隧道穿越層狀圍巖時(shí)，軟弱的圍巖在多次擾動(dòng)情況下發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)概率急劇上升，給層狀圍巖條件下連拱隧道的施工帶來(lái)諸多不確定因素。目前，連拱隧道施工較常用的方法主要有中導(dǎo)洞法和三導(dǎo)洞法。三導(dǎo)洞法對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)更多，所以一般在層狀圍巖情況下采用中導(dǎo)洞法。利用FLAC3D對(duì)層狀圍巖條件下連拱隧道施工力學(xué)行為分析與研究，可以提前掌握連拱隧道施工時(shí)各階段圍巖應(yīng)力變化，預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到減少事故的目的。

連拱隧道的施工是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，許多學(xué)者在這方面做了研究工作。陳蒙、陳娛、高峰等對(duì)偏壓地質(zhì)條件下雙連拱隧道開(kāi)挖與支護(hù)方式進(jìn)行研究［2-6］；李新龍、鄭鵬武利用數(shù)值模擬研究不同工法下雙連拱開(kāi)挖時(shí)隧道力學(xué)特性［7-8］；于忠波進(jìn)行了大跨度連拱隧道施工時(shí)三維仿真分析［9］；曹偉飚、賈杰南利用有限元分析連拱隧道施工過(guò)程［10-12］。綜上可知，目前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)集中在連拱隧道施工過(guò)程的力學(xué)行為，但目前所涉及的研究方向大多在偏壓、軟弱圍巖方面，對(duì)層狀圍巖的研究還較少；數(shù)值模擬是研究雙連拱隧道力學(xué)行為的主要手段。

2 工程概況及模型建立

2.1 工程概況

隧道線路構(gòu)造為傾角較緩的單斜地質(zhì)構(gòu)造，隧道區(qū)地質(zhì)巖性有：薄-中厚層泥質(zhì)白云巖、中厚層灰?guī)r。隧道洞內(nèi)路面縱坡-0.85%和-2.75%，最大埋深約42.40m。根據(jù)鉆探、物探及地質(zhì)調(diào)繪，隧道區(qū)地層巖性由新至老為第四系殘坡積塊石土、填筑土，下伏基巖為三疊系中統(tǒng)松子坎組泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r。塊石土主要由塊石及碎石夾少量粘土組成，塊石及碎石成分為泥質(zhì)白云巖，各組分分布不均，且稍密、稍干，圍巖級(jí)別為V級(jí)。下伏基巖為三疊系中統(tǒng)松子坎組強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖、中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r。根據(jù)其巖石風(fēng)化、節(jié)理裂隙發(fā)育程度及強(qiáng)度差異劃分為三層：第一層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，其巖質(zhì)軟，裂隙極其發(fā)育，溶蝕弱發(fā)育，巖石極破碎。第二層為中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，巖質(zhì)較軟，局部夾薄層狀白云巖，裂隙較為發(fā)育，呈閉合或微張狀，溶蝕弱發(fā)育，巖石極破碎。第三層為中風(fēng)化灰?guī)r，巖石呈灰色，細(xì)晶構(gòu)造，中厚層構(gòu)造，巖質(zhì)硬，裂隙較發(fā)育，呈閉合或微張狀，溶蝕弱發(fā)育，巖石極破碎。以上三種巖層均為V級(jí)圍巖。隧道區(qū)域地表水不發(fā)育，上部分布一座池塘，該池塘常年有水且無(wú)法改移。對(duì)施工有一定影響?？障端盎鶐r裂隙水主要受大氣降水補(bǔ)給，都有較好的透水性和季節(jié)性，動(dòng)態(tài)變化較大。

2.2 模型建立

取模擬隧道周?chē)馏w40m×54m為分析區(qū)域，隧道拱頂距地面16.2m，拱底距離區(qū)域巖體底部14.8m；隧道左線與右線拱腰間距21.6m，其中左右線隧道中間中隔墻厚度為1.3m，根據(jù)上述區(qū)間隧道概況，運(yùn)用FLAC3D建立數(shù)值分析幾何模型（圖1），模型原點(diǎn)取隧道對(duì)稱(chēng)中點(diǎn)，隧道掘進(jìn)方向?yàn)閅正向，高程方向?yàn)閆向，向上為正；水平向?yàn)閄軸向，向右為正，模型底取值Z=-16.59m，模型頂取實(shí)際的工程地面，左側(cè)取X=-27m，右側(cè)與左側(cè)對(duì)稱(chēng)，隧道前進(jìn)方向Y向值取10m。模型左、右側(cè)邊界約束水平位移，下邊界約束豎向位移。

圖1 雙連拱隧道施工計(jì)算幾何模型

依據(jù)場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告中的巖石、土體材料力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合地鐵、公路相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，選取圍巖物理、力學(xué)參數(shù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)物理、力學(xué)參數(shù)及樁基結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)。見(jiàn)表1，其中混凝土材料采用彈性材料。

3 施工過(guò)程力學(xué)行為分析

3.1 施工開(kāi)挖順序

連拱隧道采用中導(dǎo)洞開(kāi)挖施工時(shí)，一般先開(kāi)挖中洞。開(kāi)挖完成后進(jìn)行初期錨噴支護(hù)。整個(gè)施工斷面開(kāi)挖完成后，從開(kāi)挖中間斷面向兩側(cè)修筑中隔墻，其余土體為上下臺(tái)階法開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行初支二襯的修筑。其施工工序圖見(jiàn)下圖2。計(jì)算過(guò)程以每2m為一個(gè)循環(huán)，每一循環(huán)劃分為2個(gè)計(jì)算步驟。中導(dǎo)洞開(kāi)挖分二步，首先開(kāi)挖隧道I，III部2m，并施作II部的初期支護(hù)；然后從隧道中間斷面向兩端延伸，修建隧道III部中隔墻。臺(tái)階法開(kāi)挖分三步進(jìn)行，首先開(kāi)挖隧道IV部（上臺(tái)階）2m，并施作VI部的錨噴支護(hù)，然后開(kāi)挖隧道V部，并施作VII部的錨噴初期支護(hù)，最后施作VIII部的二次襯砌模筑鋼筋混凝土。

表1 雙連拱隧道計(jì)算參數(shù)表

圖2 雙連拱隧道中導(dǎo)洞法施工工序圖

3.2 圍巖及全域應(yīng)力狀況分析

根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值模擬，分析連拱隧道施工時(shí)，連拱隧道圍巖全域力學(xué)行為。為了研究方便，分別取完成初支后和完后二襯施工兩個(gè)斷面為研究對(duì)象，進(jìn)行數(shù)值模擬，分析二個(gè)階段力學(xué)行為。為定性分析開(kāi)挖過(guò)程中力學(xué)變化情況，取開(kāi)挖第一循環(huán)中心位置截面圖作為研究對(duì)象。

在數(shù)值計(jì)算時(shí)取不同階段力學(xué)行為數(shù)據(jù)分析各斷面在開(kāi)挖圍巖變化。圖3-圖5是隧道開(kāi)挖后二襯施工前主應(yīng)力和剪應(yīng)力情況，應(yīng)力變化與塑性區(qū)發(fā)展分布基本一致。圖6-圖8是二襯施工后的主應(yīng)力和剪應(yīng)力情況，各斷面在相同的開(kāi)挖、支護(hù)工況時(shí)大主應(yīng)力、小主應(yīng)力、剪切應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)展分布基本一致。圖9顯示，在隧道開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程中，隧道拱腰及拱腳部分巖體發(fā)生拉伸剪切屈服，砂巖巖層也出現(xiàn)層狀屈服，但上述塑性屈服區(qū)僅在施工過(guò)程中被拉伸剪切屈服，現(xiàn)圍巖處于穩(wěn)定狀況，僅在隧道兩側(cè)拱腳處仍存在剪切屈服?？傮w來(lái)看，隧道及其上方橋臺(tái)、擋墻處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 開(kāi)挖初期支護(hù)完成、二襯未施作前大主應(yīng)力圖

圖4 開(kāi)挖初期支護(hù)完成、二襯未施作前小主應(yīng)力圖

圖5 開(kāi)挖初期支護(hù)完成、二襯未施作前剪切應(yīng)力圖

圖6 二襯完成后大主應(yīng)力圖

圖8 開(kāi)挖支護(hù)完成后圍巖剪切應(yīng)力圖

圖9 開(kāi)挖支護(hù)施工后圍巖屈服狀態(tài)

通過(guò)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析應(yīng)力分布狀況，在隧道開(kāi)挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，最大受拉主應(yīng)力值約為1.12MPa，主要集中于隧道拱頂內(nèi)側(cè)以及拱腳處，整個(gè)計(jì)算區(qū)域主要以受壓為主。小主應(yīng)力圖顯示，最大受壓小主應(yīng)力值為5.74MPa，隧道兩側(cè)拱腰部位初支結(jié)構(gòu)及其周?chē)糠謬鷰r體上出現(xiàn)較大值，整個(gè)計(jì)算區(qū)域主要以受壓為主；最大受拉小主應(yīng)力值為1.30 MPa。剪切應(yīng)力值最大約為1.12MPa，主要分布于隧道兩側(cè)拱頂及拱腳位置處，呈對(duì)稱(chēng)分布，但總體量值較小。

4 區(qū)間隧道施工的計(jì)算位移分析

圖10、圖11顯示了在區(qū)間隧道開(kāi)挖完成后，隧道縱向開(kāi)挖第一循環(huán)中心位置截面處的全域豎直位移和水平位移分布。

圖10 區(qū)間隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后豎向位移圖

從圖10可以看出，從計(jì)算豎直位移來(lái)看，隧道最大豎直位移值為4.9mm，出現(xiàn)于隧道中隔墻頂部?jī)晒澳_交匯處；隧道拱頂下沉位移約為4mm，變形區(qū)為4m×15m的拱形區(qū)域；拱底最大回彈為3.6mm。

圖11 區(qū)間隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后水平位移圖

從圖11可以看出，從計(jì)算水平位移來(lái)看，隧道最大水平位移值為0.5mm，出現(xiàn)在隧道左洞左側(cè)拱腰；在右洞右側(cè)拱腰出現(xiàn)了0.5mm的負(fù)向位移。從兩個(gè)斷面位置的豎直位移及水平位移來(lái)看，最大值為4.9mm，整體變形較小，說(shuō)明隧道開(kāi)挖、支護(hù)施工對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域的影響很小，隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

5 隧道變形情況分析

為分析區(qū)間隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中的隧道變形及變位情況，提取拱頂拱腳的豎向位移，分析隧道的變位、變形情況。在計(jì)算過(guò)程中對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)示意圖見(jiàn)圖12，監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算位移曲線見(jiàn)圖13。

圖12 區(qū)間隧道豎向位移監(jiān)測(cè)布置圖

圖13 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線圖

從圖13分析，隧道結(jié)構(gòu)不同部位沉降變化很大，其中隧道最大沉降位移值為5.3mm，發(fā)生在區(qū)間隧道中隔墻頂端H3監(jiān)控點(diǎn)，隧道拱腰處沉降均在0～1mm之間。隧道結(jié)構(gòu)沉降位移小，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

6 結(jié)論

從數(shù)值模擬上看，采用中導(dǎo)洞開(kāi)挖法時(shí)，連拱隧道最大豎向變形主要在中隔墻頂部?jī)晒澳_交匯和隧道拱頂之間拱形區(qū)域，水平變形主要發(fā)生在隧道拱腰。在施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)中隔墻的監(jiān)控。