極軟巖隧道橫洞開挖空間力學(xué)效應(yīng)研究

(江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院 江蘇 南通 226307)

1 概述

近年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施迎來突飛猛進(jìn)的發(fā)展，公路隧道建設(shè)需求及技術(shù)規(guī)模逐年增加，大量長大隧道進(jìn)入規(guī)劃或者建設(shè)行列[1-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已建成特長隧道總量超過400座[4]。同時(shí)，隨著運(yùn)貨量和客流量需求的不斷增加，多車道大跨度隧道也開始大量涌現(xiàn)[5-7]。隧道長度的不斷增大，危險(xiǎn)性系數(shù)也在不斷增加，隨之而來的是火災(zāi)，交通事故等災(zāi)難發(fā)生機(jī)率的增加。為了確保長大隧道安全運(yùn)營和災(zāi)難發(fā)生時(shí)減災(zāi)措施的順利實(shí)施，如何安全地將受困車輛或者受災(zāi)人員順利轉(zhuǎn)移出事故隧道，是現(xiàn)代隧道運(yùn)營主要考慮的問題。因此，在設(shè)計(jì)和施工中，長或特長隧道往往會(huì)設(shè)置供人或車通行的人行橫道和車行橫洞。通過這些輔助措施，在將受困車輛和人員安全轉(zhuǎn)移的同時(shí)，也可以減少或者避免因此帶來的經(jīng)濟(jì)和設(shè)備損失[8]。

隨著隧道斷面和跨度的不斷增大，車行橫洞的開挖面積也比較大，在與主洞斜交的情況下，其施工過程中空間力學(xué)特性尤為復(fù)雜[9]。這種復(fù)雜情況逐漸引起了工程師和學(xué)者們的注意和重視。但目前眾多學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)支護(hù)及開挖效應(yīng)的研究主要集中在隧道主洞方面，關(guān)于隧道車行橫洞開挖穩(wěn)定相關(guān)的研究相對(duì)較少，而對(duì)車行橫洞的開挖—支護(hù)力學(xué)效應(yīng)及其相應(yīng)的規(guī)律尚處于探索階段，主要表現(xiàn)為對(duì)二襯及交叉結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)內(nèi)部及隧道細(xì)節(jié)部位研究較少[10-11]。目前的研究中，張忠強(qiáng)等[12]研究了萬梁高速馬王槽1號(hào)隧道車行橫道與主洞空間結(jié)構(gòu)的施工結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，雖然對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析，但是研究區(qū)段主要為III級(jí)圍巖，總體來說地質(zhì)狀況較好，因此襯砌結(jié)構(gòu)受力較小。陳中[13]以成綿高速分水嶺隧道為依托，對(duì)車行橫洞和主洞交叉結(jié)構(gòu)部位建立了數(shù)值計(jì)算模型，隨后對(duì)結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行了簡單的分析和研究，但該研究缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)佐證。較多成果針對(duì)隧道斜交車行橫道施工對(duì)主洞襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬方法，就車行橫道施工階段對(duì)主洞襯砌結(jié)構(gòu)造成的變形規(guī)律、受力特性進(jìn)行了研究，但僅以特定施工方法為出發(fā)點(diǎn)[14]。徐學(xué)深等[15]基于黃土隧道，建立了隧道二襯施作后開挖車行橫洞的數(shù)值模型，分析開挖過程對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的影響情況。

隧道建設(shè)過程中，穿越軟弱圍巖的情況不可避免，同時(shí)極軟巖隧道開挖和支護(hù)又給施工帶來挑戰(zhàn)和困難。本文以東縱高速公路天鎮(zhèn)—大同段大梁山特長公路隧道為依托，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過建立三維數(shù)值模型，研究橫洞開挖過程中的空間力學(xué)效應(yīng)及其規(guī)律，以隧道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，作出進(jìn)一步的探討，以期為相似工程提供借鑒和參考。

2 依托工程與測(cè)試方案

2.1 依托工程概況

東縱高速公路天鎮(zhèn)—大同段大梁山特長隧道右洞長6 058 m，左洞長6 015 m，最大埋深364.46 m。隧址區(qū)基巖沖溝與山脊發(fā)育，數(shù)條近東西向沖溝橫切隧道地表，洞體地表地形極其破碎。隧道軟巖分布廣泛，圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三種圍巖級(jí)別，分別占隧道長度的52.1%、28.6%、19.3%，Ⅴ級(jí)圍巖分布達(dá)隧道長度的近1/5，給隧道施工帶來困難。

研究段為Ⅴ級(jí)圍巖，大梁山隧道雙線主洞采用短臺(tái)階法施工工法。車行橫道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)采用直墻拱形斷面，其內(nèi)輪廓凈寬4.90 m，高6.18 m。車行橫洞初始設(shè)計(jì)為隧道主洞開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)完成后，采用臺(tái)階法進(jìn)行施工，現(xiàn)場(chǎng)施工中采用全斷面法開挖。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

研究中對(duì)大梁山隧道施工期間實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括：內(nèi)部圍巖位移、鋼支撐內(nèi)力、圍巖壓力、層間壓力。為了達(dá)到以上監(jiān)測(cè)目的，在大梁山隧道研究段布設(shè)了6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分布見圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)斷面示意圖Figure 1 Schematic diagram of in-situ monitoring section

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 內(nèi)部圍巖位移

大梁山隧道內(nèi)部圍巖位移監(jiān)測(cè)開始于2011年3月24日，結(jié)束于5月3日。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，因車行橫洞與主洞為中心對(duì)稱，兩主洞相同部位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致。取現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)置的3個(gè)量測(cè)深度h，分別為1、2、3 m進(jìn)行研究。選取斷面A-A左拱腳，斷面B-B右拱腳(h=1 m處位移計(jì)因施工損壞)，斷面C-C左拱腳處監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制內(nèi)部圍巖位移時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 內(nèi)部圍巖位移時(shí)程曲線Figure 2 Internal rock displacement curve vs.time

以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析知，3月24日在隧道主洞斷面A-A開挖后，左拱腳內(nèi)部位移變化劇烈，變形量顯著增大，深度h=1 m處最大位移量為5.61 mm，隨深度遞增而位移量有所減小，并在位移計(jì)埋設(shè)10 d左右(4月4日)趨于穩(wěn)定。

大梁山主洞變形基本穩(wěn)定后，4月10日開始車行橫洞施工，于4月19日結(jié)束。相同圍巖埋深下，斷面A-A處的內(nèi)部圍巖位移值要顯著大于斷面C-C，3個(gè)斷面處內(nèi)部圍巖位移值在車行橫洞開挖期間均產(chǎn)生了一定波動(dòng)，但絕對(duì)值變化不大，變化隨著深度遞增而趨于不明顯。隨著車行橫洞開挖掌子面逐漸遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)，4月15日以后，橫洞開挖對(duì)3個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)所帶來的影響越來越小，4月23日之后各斷面內(nèi)部圍巖位移基本趨于穩(wěn)定?？梢苑治龅贸?，車行橫洞開挖對(duì)隧道內(nèi)部圍巖位移的影響并不明顯，在施工安全防范中可以不予考慮。

3.2 鋼支撐內(nèi)力

于4月1日至5月1日在隧道左洞實(shí)施了斷面B′-B′鋼支撐內(nèi)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，該處鋼拱架采用I18型工字鋼，縱向間距0.8 m。測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 鋼支撐內(nèi)力時(shí)程曲線Figure 3 Inner force change curve of steel support vs.time

從圖3中結(jié)果可以看出：監(jiān)測(cè)元件布置后，在4月1日至4月8日開挖期間鋼支撐內(nèi)力顯著增大，經(jīng)過圍巖應(yīng)力釋放，4月9日鋼支撐內(nèi)力變化趨于穩(wěn)定，主洞開挖對(duì)鋼支撐內(nèi)力的影響主要在右拱腰和拱頂處。4月10日，車行橫道開始施工，斷面B′-B′處的左拱腰、右拱腰及左拱腳鋼支撐內(nèi)力發(fā)生變化，均呈現(xiàn)緩緩增大的趨勢(shì)，但增長相對(duì)緩慢，拱頂處僅產(chǎn)生微小波動(dòng)。左拱腰、右拱腰及左拱腳處鋼支撐從開始變化直至車行橫洞開挖完成后趨于穩(wěn)定，其內(nèi)力增長絕對(duì)值約為0.5 kN；拱頂處鋼支撐從主洞開挖穩(wěn)定至橫洞開挖后穩(wěn)定其內(nèi)力值基本保持不變?？梢钥闯觯囆袡M洞開挖對(duì)鋼支撐內(nèi)力的影響主要集中在拱腰及以下部位，對(duì)拱頂部位影響較小，這在以后的施工和設(shè)計(jì)中應(yīng)多加注意。

3.3 初支結(jié)構(gòu)受力

4月1日至5月1日在隧道左洞斷面B′-B′實(shí)施了初支結(jié)構(gòu)受力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，繪制圍巖與初支接觸壓力時(shí)程曲線如圖4所示。

(a)

(b)

從圖4(a)中可知，隧道車行橫洞開挖對(duì)圍巖壓力產(chǎn)生影響最大點(diǎn)位于右拱腰處，主要原因是在車行橫道施工之前，斷面右拱腳處的初支和圍巖已經(jīng)被拆除和開挖。對(duì)比圖4(b)，4月10日車行橫洞開挖開始后，左拱腰、左拱腳及拱頂圍巖壓力均產(chǎn)生波動(dòng)，但是在車行橫洞開挖完成直至穩(wěn)定的一段時(shí)間內(nèi)，這三處的圍巖壓力值變化不大，基本可以忽略不計(jì)。反之，車行橫洞開挖過程中，右拱腰處的圍巖壓力一直處于增大趨勢(shì)，直至橫洞開挖完成后，在4月24日才基本趨于穩(wěn)定。值得注意的是，右拱腰處的圍巖壓力在量值上相對(duì)左拱腰、左拱腳及拱頂三處圍巖壓力值有較大增加。因此，車行橫洞開挖對(duì)斷面B′-B′的左拱腳、左拱腰以及拱頂處的圍巖壓力影響很小，可忽略不計(jì)；相比較而言，對(duì)右拱腰處圍巖壓力影響稍大，在施工中應(yīng)值得留意。

3.4 二襯結(jié)構(gòu)受力

大梁山隧道在主洞二襯澆筑完成之后，再對(duì)車行橫洞進(jìn)行二襯施工。圖5是車行橫洞開挖完成和初期支護(hù)完成后，進(jìn)行主洞二襯施工后，斷面B′-B′二襯結(jié)構(gòu)受力曲線。

圖5 二次襯砌接觸壓力時(shí)程曲線Figure 5 Contact pressure curve of secondary liner vs.time

從圖中結(jié)果可以看出，6月20日起，二次襯砌澆筑完成后的10 d內(nèi)，斷面B′-B′層間壓力迅速增長，6月20日之后雖有上升，但變化幅度很小，基本趨于穩(wěn)定。層間壓力在變化期直至穩(wěn)定，其受力分布狀態(tài)與隧道圍巖壓力分布基本一致。但對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響程度并不相同，其中右拱腰處受力最大，而拱頂處受力最小，分別約為83.31、18.12 kPa，產(chǎn)生這種情況的主要原因是車行橫洞的存在，對(duì)斷面B′-B′右拱腰處的層間壓力產(chǎn)生了影響。與圍巖壓力作用相似，車行橫洞的開挖對(duì)斷面B′-B′的左拱腳、左拱腰以及拱頂處的圍巖壓力影響很小，對(duì)右拱腰處圍巖壓力影響較大。

4 三維數(shù)值模擬及分析

以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為基礎(chǔ)，通過建立三維數(shù)值模型對(duì)隧道圍巖變形位移、混凝土應(yīng)力、圍巖應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步模擬研究，以期為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)作補(bǔ)充，并進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

4.1 模型建立及基本假設(shè)

計(jì)算模型在縱向上沿隧道主洞開挖方向取60 m，考慮到隧道開挖影響在3D～5D(D為隧道洞徑)范圍內(nèi)，左右線隧道兩側(cè)分別取45 m，隧道底部土體取40 m，建立60 m×120 m×90 m(長×寬×高)的三維計(jì)算模型(圖6)。其中，超前小導(dǎo)管，注漿導(dǎo)管等輔助措施，通過提高作用范圍內(nèi)圍巖彈性模量、粘聚力等參數(shù)來進(jìn)行模擬。對(duì)于圍巖應(yīng)力釋放率，考慮大梁山隧道研究段為軟弱圍巖，模擬中開挖過程釋放系數(shù)為0.4，初支施作完成釋放系數(shù)為0.4，二砌施作完成后釋放系數(shù)0.2。

圖6 3D計(jì)算模型Figure 6 3-D calculation model

根據(jù)地質(zhì)條件、試驗(yàn)結(jié)果及均一化換算[16]，得模擬計(jì)算參數(shù)見表1，表1中，μ為泊松比，γ為容重，c粘聚力，φ為內(nèi)摩擦角。

表1 計(jì)算模型參數(shù)Table 1 Calculation model parameters材料類別E/MPaμγ/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)上覆松散層850.319.16025V級(jí)圍巖3000.324.5160 36主洞初支29 5000.225——主洞二襯31 0000.225——橫洞加強(qiáng)噴混29 0000.225——橫洞普通噴混28 5000.225——系統(tǒng)錨桿210 0000.379.6——鎖腳錨桿210 0000.379.6——

4.2 隧道開挖方法及模擬

三維模型計(jì)算中，前50步為左右線隧道主洞的開挖、初期支護(hù)施作及仰拱施作，主洞采用簡化方法模擬，導(dǎo)洞和周圍土體同時(shí)挖出，兩洞同時(shí)開挖，施工模擬方案與步驟如表2和圖7所示。第51步時(shí)拆除原有主洞施工好的初支，準(zhǔn)備進(jìn)行車行橫洞施工，施工時(shí)從橫洞兩側(cè)向中心開挖，其中第52～62步為模擬車行橫洞施工，每步進(jìn)尺2 m，共分10步開挖完成。

表2 隧道主洞模擬開挖步驟Table 2 Simulated excavation procedure of the tunnel開挖模擬開挖支護(hù)步驟臺(tái)階法1. 上臺(tái)階開挖①上臺(tái)階支護(hù)2. 下臺(tái)階左導(dǎo)坑開挖②下臺(tái)階左導(dǎo)坑支護(hù)3. 下臺(tái)階左右導(dǎo)坑開挖③下臺(tái)階右導(dǎo)坑支護(hù)④二次襯砌施作

(a)開挖步驟

(b)上臺(tái)階開挖

(c)下臺(tái)階左導(dǎo)坑開挖

(d)臺(tái)階右導(dǎo)坑開挖

Figure 7 Simulation diagram of the bench method

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

隧道初期支護(hù)承載隧道圍巖大部分荷載，本節(jié)主要從圍巖位移變形，初噴混凝土應(yīng)力，圍巖塑性區(qū)，錨桿軸應(yīng)力等方面進(jìn)行安全性及影響分分析，以期與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)互補(bǔ)，提供施工指導(dǎo)。表3為3個(gè)斷面在車行橫洞開挖引起的襯砌表面變形位移現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，可以看出，二者在數(shù)值上比較接近，可以說明數(shù)值模擬值比較準(zhǔn)確，在一般規(guī)律上可以作為參考。

表3 襯砌位移模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison between simulation results and measured results of the lining displacement斷面部位實(shí)測(cè)結(jié)果模擬結(jié)果拱頂/mm1.291.48斷面A'-A'右拱腳水平位移/mm0.710.58右拱腰下沉/mm1.371.02拱頂/mm1.862.01斷面B'-B'———右拱腰下沉/mm2.423.51拱頂/mm1.671.93斷面C'-C'右拱腳水平位移/mm1.020.98右拱腰下沉/mm2.011.61

a.混凝土應(yīng)力分析。

圖9為車行橫洞開挖前后應(yīng)力變化云圖(左側(cè)為最大主應(yīng)力，右側(cè)為最小主應(yīng)力)。提取車行橫洞開挖過程中混凝土最大、最小主應(yīng)力極值，結(jié)果匯總于表4。

(a) 車行橫洞開挖前

(b) 車行橫洞開挖后

Figure 8 Variation of stresses before and after the excavation of the adit

表4 車行橫洞開挖主應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化對(duì)比Table 4 Dynamic comparison of principal stress changes dur-ing excavation of the adit開挖步數(shù)最大主應(yīng)力/MPa最小主應(yīng)力/MPa量值增量增率量值增量增率501.81——-3.46——512.130.320.177-4.140.680.197522.360.230.108-8.44.261.029532.410.050.021-9.410.119542.450.040.017-9.70.30.031602.43-0.02 —-10.10.40.041612.480.050.02-10.100622.510.030.012-10.30.20.019

結(jié)合上述圖表中結(jié)果可看出，初支拆除對(duì)附近混凝土應(yīng)力產(chǎn)生了影響，最大、最小主應(yīng)力均有所增大，但漲幅較小，分別約為0.32 MPa、0.68 MPa。隨著車行橫洞的開挖，最小主應(yīng)力迅速增大，由-4.14 MPa增至-8.40 MPa，但最大主應(yīng)力變化并不明顯，這說明橫洞的開挖對(duì)既有襯砌產(chǎn)生顯著的壓應(yīng)力作用，使得靠近橫洞一側(cè)初支產(chǎn)生一定范圍的壓應(yīng)力作用區(qū)。因此，車行橫洞的開挖對(duì)既有混凝土的影響主要集中在初支拆除階段和施工的前兩個(gè)施工步(4 m范圍內(nèi))，且最小主應(yīng)力的響應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大主應(yīng)力。

b.圍巖塑性區(qū)分析。

對(duì)比圖9(a)、圖9(b)可以看出，大梁山隧道主洞開挖完成后，因主洞開挖引起的圍巖塑性區(qū)主要集中分布在主洞兩側(cè)的拱腳及其鄰近仰拱部位，拱頂和拱腰部位未見塑性區(qū)產(chǎn)生。車行橫洞開挖后，隨著開挖的推進(jìn)，塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，除原有塑性區(qū)的增大，塑性區(qū)開始沿拱腳向兩隧道主洞中夾圍巖水平延伸。車行橫洞施工貫通后，受圍巖擾動(dòng)和應(yīng)力重分布影響，交叉結(jié)構(gòu)處的拱頂和主洞兩側(cè)拱腰出現(xiàn)塑性區(qū)，且兩側(cè)拱腳部位塑性區(qū)顯著增大，是橫通道施工建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)。

(a)車行橫洞開挖前 (b)車行橫洞開挖后

Figure 9 Plastic zone change before and after the excavation of the adit

c.錨桿軸力分析

從圖10中可以看出，錨桿軸力在車行橫洞開挖前后始終為正值，這表明交叉結(jié)構(gòu)處錨桿一直處于受拉狀態(tài)。車行橫洞開挖前主洞左拱腳錨桿所受軸力最大，約為22.8 MPa，拱腰處的錨桿軸應(yīng)力則相對(duì)較小。

(a) 車行橫洞開挖前

(b) 車行橫洞開挖后

Figure 10 Change of bolt axial stress before and after the excavation of the adit

橫洞第1步開挖完成后，錨桿軸力隨之發(fā)生變化，應(yīng)力值變化較大部位主要位于拱腰處，由開挖前的5.40 MPa增加為第1步完成后的7.80 MPa，拱腳、拱頂及其他位置處錨桿軸應(yīng)力值變化不大。在隨后的第2步開挖直至車行橫洞施工完成，各個(gè)部位錨桿軸力有量值很小的浮動(dòng)。因此，車行橫洞開挖對(duì)錨桿軸力影響較小，可以保證這一環(huán)節(jié)的施工安全。

5 結(jié)論

以大梁山特長大跨度公路隧道為依托，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)主洞與車行橫洞交叉處施工空間力學(xué)特性進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

a.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，研究斷面在深度h為1、2和3 m處的內(nèi)部圍巖位移在車行橫洞開挖期間均產(chǎn)生了一定的波動(dòng)，相同圍巖埋深下，銳角側(cè)斷面內(nèi)部圍巖值要顯著大于鈍角側(cè)斷面內(nèi)部圍巖值，但絕對(duì)值變化不大，且這種作用隨著深度的遞增而趨于不明顯，可忽略不計(jì)。

b.車行橫道施工對(duì)鋼支撐內(nèi)力影響主要集中在拱腰及以下部位，拱頂內(nèi)力僅產(chǎn)生波動(dòng)，基本保持不變，對(duì)拱頂部位影響較小，施工和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意注意對(duì)拱腰及以下部位的做好保護(hù)和防范。

c.遠(yuǎn)離通洞側(cè)拱腳、拱腰以及拱頂處的圍巖壓力與層間壓力所受開挖影響很小，而近通道側(cè)拱腰處所受影響相對(duì)較大。

d.數(shù)值模擬試驗(yàn)表明，車行橫洞開挖對(duì)圍巖豎向位移影響范圍約4 m，以近車行橫洞側(cè)的右拱腰部位最為明顯。

e.混凝土應(yīng)力所受車行橫洞開挖影響主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力的增大，圍巖塑性區(qū)范圍在開挖前后有一定程度增大，錨桿軸力施工前后變化不大。