淺埋軟弱圍巖隧道超前管幕施工力學(xué)行為分析

戴光耀1， 孫寧新， 彭 龍1， 曹豪榮， 張運良

(1. 中交第三航務(wù)工程局有限公司， 上海 200032； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

隧道修建過程中，時常會穿越一些特殊地質(zhì)地段，如軟弱圍巖、膨脹土、流沙、松散地層等，特別是當(dāng)隧道埋深較淺時，施工過程中極易產(chǎn)生大變形和洞室失穩(wěn)現(xiàn)象。因?qū)\埋軟弱圍巖隧道支護體系的力學(xué)機理認識不清而采取不當(dāng)?shù)氖┕た刂拼胧瑥亩l(fā)安全事故的工程案例屢見不鮮。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者對淺埋軟弱圍巖隧道支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)機理進行了深入研究，研究成果眾多[1-4]。但缺乏統(tǒng)一認識，且主要針對單一構(gòu)件的作用機理進行研究，缺乏對各構(gòu)件協(xié)同作用的研究，使結(jié)果偏于保守。

本文依托京沈高鐵高麗營隧道工程，分別采用荷載結(jié)構(gòu)法和地層結(jié)構(gòu)法進行數(shù)值模擬，綜合考慮圍巖自承作用和支護體系的協(xié)同作用，對荷載作用下超前管幕的力學(xué)行為進行分析。同時，通過開展理論計算，對比了2種數(shù)值模擬方法與理論計算的差異，對類似隧道工程的設(shè)計、施工具有指導(dǎo)意義。

1 工程背景

京沈高鐵高麗營隧道地處北京順義、昌平郊區(qū)，隧道全長1 200 m，其中DK33+730～DK34+160段為暗挖隧道工程。該段隧道覆土厚度僅5.0～7.2 m，穿越地層以黏土為主，屬Ⅵ級圍巖，為典型的淺埋軟弱圍巖隧道。隧道暗挖段縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道暗挖段縱斷面圖

由于隧道埋深淺，圍巖等級低，下穿結(jié)構(gòu)物多，隧道暗挖段全斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與管幕相結(jié)合的施工方法。基于新奧法原理對暗挖段隧道支護體系進行設(shè)計，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)：以錨管、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土作為初期支護，模筑鋼筋混凝土作為二次襯砌。初期支護和二次襯砌之間設(shè)置防水層。下穿暗挖段采用雙層襯砌，二襯和三襯之間設(shè)置防水層。

隧道穿越黏土層，按雙側(cè)壁導(dǎo)坑七臺階開挖，開挖步長0.5 m。超前管幕沿隧道外輪廓線均勻布置，長30 m，共設(shè)55根。水平方向直線打設(shè)，縱向按線路縱坡坡度設(shè)置10°傾角。圖2為隧道暗挖段管幕布置示意圖。

圖2 隧道暗挖段管幕布置示意圖

2 荷載結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬

2.1 模型信息

隧道支護體系由超前Φ299管幕、鎖腳錨管及鋼拱架組成，采用三結(jié)點空間線性梁單元進行模擬，可以在保證精度的同時，優(yōu)化各支護結(jié)構(gòu)之間的接觸關(guān)系[5]。根據(jù)工程實況，利用ABAQUS有限元軟件，采用荷載結(jié)構(gòu)法建立隧道支護體系的三維數(shù)值計算模型，見圖3。構(gòu)件的材料參數(shù)如表1所示。

圖3 隧道支護體系計算模型

表1 支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)材料容重γ/(kN·m-3)彈性模量E/GPa泊松比μ外徑d/mm壁厚c/mm管幕7 8002100.229912鋼拱架7 8002100.2——鎖腳錨管7 8002100.2423.5

2.2 圍巖荷載

根據(jù)勘查設(shè)計資料，隧道暗挖段開挖寬度15.2 m，開挖高度13.18 m，覆土厚度7.2 m。土層分為2層，即粉土層(0～5 m)和黏土層(6～20 m)。圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)材料容重γ/(kN·m-3)彈性模量E/GPa泊松比μ粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)粉土190.0200.352822黏土180.0140.253231

李玉峰等[6]基于太沙基破壞模式，構(gòu)建了線性與非線性破壞準則下，淺埋復(fù)合地層隧道圍巖壓力的計算方法。表3給出了基于該方法求得的拱頂及左側(cè)共28根管幕支護范圍內(nèi)的徑向均布荷載(左右對稱位置的超前管幕所受均布荷載值相同)。

表3 管幕徑向均布荷載管幕位置荷載大小/ Pa管幕位置荷載大小/Pa拱頂1#104 995左側(cè)15#107 930左側(cè)2#105 010左側(cè)16#108 560左側(cè)3#105 040左側(cè)17#109 310左側(cè)4#105 090左側(cè)18#110 220左側(cè)5#105 170左側(cè)19#111 310左側(cè)6#105 270左側(cè)20#112 660左側(cè)7#105 400左側(cè)21#114 320左側(cè)8#105 560左側(cè)22#116 420左側(cè)9#105 760左側(cè)23#119 110左側(cè)10#105 990左側(cè)24#122 610左側(cè)11#106 260左側(cè)25#127 280左側(cè)12#106 580左側(cè)26#133 710左側(cè)13#106 960左側(cè)27#142 840左側(cè)14#107 410左側(cè)28#156 400

2.3 超前管幕力學(xué)行為分析

將2.2節(jié)所求得的圍巖荷載施加到支護體系的有限元模型上，計算得到各支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

2.3.1內(nèi)力分析

圖4為采用荷載結(jié)構(gòu)法模擬得到的隧道暗挖段超前管幕的內(nèi)力云圖。分析可知：

1)軸力關(guān)于隧道軸線呈正對稱分布；同一斷面，軸力由中間管幕向兩側(cè)遞減。軸力(拉力)的最大值為63.78 kN，位于圍巖松弛段的中間管幕處；軸力(壓力)最小值為-125.2 kN，主要分布在洞口處和已開挖未支護段。

a)軸力b)剪力

c) 彎矩

2) 剪力關(guān)于隧道軸線呈反對稱分布，同一斷面，外側(cè)管幕的剪力值大于中間管幕的剪力值，剪力最大值為676.3 kN。

3)彎矩分布規(guī)律與剪力分布規(guī)律相似，彎矩最大值為53.05 kN·m，分布在圍巖松弛段。

2.3.2變形分析

圖5a是超前管幕在荷載作用下的豎向位移云圖；圖5b是1#管幕的豎向位移曲線。

由圖可知：

a) 管幕豎向位移云圖

b)1#管幕豎向位移圖

1) 同一隧道斷面，由于外側(cè)管幕埋深較中間管幕大，所承受的圍巖荷載也更大，故其豎向位移值大于中間管幕的豎向位移值。

2) 1#管幕撓度的最大值為11.17 mm，位于掌子面前方圍巖松弛段，撓度曲線整體上呈“凹型”，近似于Peck沉降曲線。

3 地層結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬

3.1 模型信息

確定隧道埋深為7.2 m，圍巖(隧道居中)橫向取160 m，豎向取80 m，縱向取30 m。噴射混凝土、臨時支撐采用四結(jié)點曲面薄殼單元進行模擬；超前管幕、鎖腳錨管及鋼拱架采用三結(jié)點空間線性梁單元進行模擬。隧道支護體系空間位置如圖6所示。

圖6 隧道支護體系空間位置示意圖

土體分為3層，即粉土(0～5 m)、黏土(6～20 m)和砂土(21～80 m)，采用地層結(jié)構(gòu)法模擬雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

3.2 超前管幕力學(xué)行為分析

3.2.1內(nèi)力分析

超前管幕以水平方式打入掌子面前方土體，管幕端部與鋼拱架牢固焊接，與圍巖共同變形，其沉降與其所處位置處土體趨于一致。圖7為各施工工序?qū)?yīng)的超前管幕彎矩云圖，分析可知：

1)沿隧道掘進方向，越靠近掌子面的管幕彎矩越大，遠離掌子面的管幕彎矩較小。

2)彎矩分布由掌子面后方管幕下部受拉過渡到掌子面前方管幕下部受拉，最后在掌子面上方，彎矩達到最大值。

3)隨著施工工序的不斷推進，同一隧道斷面，管幕彎矩的最大值逐步增大，并從左導(dǎo)坑附近逐步移動到拱頂正上方，由此可見，超前管幕是較為有效的承載構(gòu)件。

a) 開挖左上導(dǎo)坑

b) 開挖左下導(dǎo)坑

c) 開挖右上導(dǎo)坑d)

d) 開挖右下導(dǎo)坑

e) 開挖上臺階

g) 開挖下臺階

4)從施工工序分析，開挖右上導(dǎo)坑對超前管幕彎矩最大值影響最大，增長率達到了36.2%；其次為開挖右下導(dǎo)坑，相比之下，開挖下臺階對管幕彎矩最大值影響最小。

3.2.2變形分析

圖8為1#管幕在不同工序下的豎向位移曲線。表4為不同施工工序下1#管幕豎向位移最大值變化表。分析可知：

1) 不同施工步下，1#管幕豎向沉降曲線均為“凹型”，類似于Peck沉降曲線；各施工步均在掌子面附近達到豎向位移的最大值。

2) 沿隧道掘進方向，距離掌子面越近的管幕豎向沉降越大，而遠離掌子面的管幕沉降值減小，并不斷趨于0。

3) 不同施工工序?qū)?#管幕豎向沉降的影響不同，開挖右下導(dǎo)坑影響最大，該施工步1#管幕豎向沉降增長率達到了98.29%；其次為開挖上臺階，相較而言，開挖下臺階對1#管幕豎向沉降的影響最小。

圖8 1#管幕豎向位移曲線

表4 1#管幕豎向沉降最大值變化表施工工序豎向位移/mm增長率/%開挖左上導(dǎo)坑-4.76—開挖左下導(dǎo)坑-6.4034.45開挖右上導(dǎo)坑-8.2128.28開挖右下導(dǎo)坑-16.2898.29開挖上臺階-23.1242.01開挖核心土-25.6811.07開挖下臺階-26.222.1

4 結(jié)果分析

4.1 理論計算

取隧道暗挖段1#管幕為分析對象，進行理論計算。按李玉峰等[6]提出的淺埋復(fù)合地層隧道圍巖壓力計算方法，可得基于管幕半無限長彈性地基梁的1#管幕已開挖支護段撓度曲線表達式為：

由上式計算可得1#管幕不同位置的撓度值，如表5所示，1#管幕的理論撓度曲線如圖9所示。

表5 1#管幕理論撓度值縱向距離/m撓度值/mm縱向距離/m撓度值/mm003.02.400.50.1893.53.021.00.5884.03.811.51.034.54.792.01.475.05.892.51.91300

圖9 1#管幕理論撓度曲線

4.2 對比分析

將2.3節(jié)和3.2節(jié)中通過荷載結(jié)構(gòu)法和地層結(jié)構(gòu)法分別得到的隧道暗挖段1#管幕撓度曲線與理論分析求得撓度曲線進行對比分析，見圖10。分析可知：

1) 1#管幕的理論撓度曲線與荷載結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬得到的撓度曲線形狀相似，而與地層結(jié)構(gòu)法得到的曲線相差較大。

2) 理論撓度曲線與荷載結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬曲線的峰值比較接近，且均是在掌子面前方圍巖松弛段達到撓度最大值，而地層結(jié)構(gòu)法的峰值出現(xiàn)在掌子面處。

圖10 1#管幕撓度曲線對比圖

3) 理論曲線由于邊界條件和初始參數(shù)的設(shè)置，在距掌子面5 m范圍內(nèi)撓度值已趨于0，而荷載結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬解卻有一個漸變的過程。

4) 3條曲線共同點是在管幕初始錨固端豎向沉降值為0，管幕無限遠處豎向沉降值也為0。

5 結(jié)論

1) 荷載結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬中，管幕軸力關(guān)于隧道軸線呈正對稱分布，剪力和彎矩關(guān)于隧道軸線呈反對稱分布。

2) 在地層結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬中，沿隧道掘進方向越靠近掌子面的管幕彎矩越大；不同施工工序?qū)苣粡澗刈兓挠绊懗潭炔煌_挖右上導(dǎo)坑影響最大。

3) 將高麗營隧道1#管幕理論撓度曲線與2種數(shù)值模擬求得的撓度曲線進行對比分析，結(jié)果表明： ① 3條曲線的分布規(guī)律各有差異，但理論撓度曲線與荷載結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬得到的撓度曲線，形狀相似，而與地層結(jié)構(gòu)法得到的曲線與前兩者相差較大。② 3條曲線共同點是在管幕初始錨固端豎向沉降值為0，管幕無限遠處豎向沉降值也為0。③ 通過分析可認為，采用荷載結(jié)構(gòu)法對淺埋軟弱圍巖隧道支護體系進行模擬分析時，計算結(jié)果更接近工程實際。