巖溶地區(qū)隧道施工時(shí)空效應(yīng)的數(shù)值分析

伍廷亮,龍江英,于 泉,邱 鵬

(1.貴陽學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,貴州 貴陽 550005; 2.貴州省土木工程省級(jí)實(shí)驗(yàn)示范中心,貴州 貴陽 550005)

中國是世界上巖溶分布較廣的國家之一,我國北方以山西為中心、南方以貴州為中心的巖溶發(fā)育面積較大[1]。 巖溶發(fā)育的特殊性給隧道施工帶來較大挑戰(zhàn),國內(nèi)外學(xué)者在巖溶地形發(fā)育方面進(jìn)行了廣泛研究,如毛邦燕[2]認(rèn)為在深部巖溶發(fā)育方面,反復(fù)的溶蝕與垮塌是主要原因。趙明階等[3-8]運(yùn)用數(shù)字模擬的方法對巖溶隧道內(nèi)圍巖特征做了大量的研究。但目前依托巖溶地區(qū)隧道施工實(shí)際工程,對隧道周邊地層變形及隧道變形的數(shù)值分析的研究還較少。研究貴州省貴陽市雙龍航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)外環(huán)北路2號(hào)隧道開挖的工程實(shí)例,采用現(xiàn)場量測結(jié)合圖表研究工具的相關(guān)方法,對實(shí)際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理與擬合,在此基礎(chǔ)上對隧道開挖引起地層沉降及隧道變形進(jìn)行了預(yù)測。

1 巖溶地區(qū)隧道開挖應(yīng)力狀態(tài)分析

隧道開挖前的隧道時(shí)空效應(yīng)是各個(gè)方向受力均平衡的一個(gè)高次超靜定結(jié)構(gòu)體,除受到自然或人為破壞,隧道時(shí)空效應(yīng)[9]會(huì)處于相對平衡狀態(tài)或平衡的過程中。為了科學(xué)地進(jìn)行隧道開挖的理論分析,研究是基于假設(shè)隧道開挖前的應(yīng)力狀態(tài)是在隧道時(shí)空效應(yīng)達(dá)到了平衡狀態(tài)情況下進(jìn)行的。在研究隧道開挖時(shí),基本都是對洞室二次應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析。研究基于以下假定:(1)圍巖假定為各項(xiàng)同性連續(xù)的介質(zhì);(2)初始應(yīng)力僅考慮巖土自重;(3)隧道形狀以規(guī)則圓形為主;(4)隧道簡化為無限體中的開挖模型,模型示意圖如圖1所示,其中:δx,δy分別為土體中x方向和y方向應(yīng)力(單位：kN)，γ為土體重度(單位：kN/m3)，h為土層深度(單位：m),λ=δx/δy。

隧道在開挖之后,隧道圍巖力學(xué)狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)2種情況:一種是圍巖處于彈性狀態(tài);另一種是部分圍巖處于塑性狀態(tài),是半彈性狀態(tài)情況。隧道圍巖是高次超靜定結(jié)構(gòu),其在局部進(jìn)入塑性狀態(tài)或受拉情況下破壞,但并不意味圍巖在此時(shí)會(huì)喪失整體穩(wěn)定性,除非圍巖強(qiáng)度損失到極限,使得圍巖極度松弛才有可能發(fā)生整體失穩(wěn)。而隧道襯砌是在主動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生變形,其中拱頂向隧道內(nèi)變形形成“脫離區(qū)”,實(shí)際并未與圍巖脫離,只是不再受圍巖約束。

圖1 無限體中隧道開挖模型Fig.1 Tunnel excavation model in infinite body

底部及兩側(cè)壓入圍巖,引起圍巖對其約束,使得圍巖產(chǎn)生“彈性抗力”。對隧道主動(dòng)荷載與被動(dòng)荷載分析是研究圍巖與襯砌相互作用的重點(diǎn)。

2 工程概況

貴州雙龍航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)外環(huán)北路2號(hào)隧道設(shè)計(jì)總長375 m,隧道設(shè)計(jì)車速80 km/h,隧道建筑線寬為15.25 m,限高為5 m,人行橫通道建筑限界寬2.0 m,限高為2.5 m,左右洞間距為7.82 m;隧道為雙向六車道,單洞凈空斷面面積為133.69 m2,單洞凈空斷面周長42.94 m,單洞斷面凈寬16 m,斷面凈高5 m,工程示意如圖2所示,隧道工程開挖采用了復(fù)合式襯砌。

圖2 貴州雙龍航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)外環(huán)北路2號(hào)隧道Fig.2 Tunnel No.2 in Outer Ring North Road, Shuanglong Airport Economic Zone, Guizhou

隧道工程洞口加強(qiáng)段為Ⅴ級(jí)圍巖,洞身段為Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖,除此之外,還有小溶洞巖溶發(fā)育。工程綜合運(yùn)用了上下臺(tái)階法、 單側(cè)壁法和雙側(cè)壁法等開挖方法。

3 隧道施工監(jiān)控量測

研究相關(guān)數(shù)據(jù)來源主要為對貴州雙龍航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)外環(huán)北路2號(hào)隧道開挖時(shí)里程樁號(hào)K6+685(地表)和里程樁號(hào)K6+692.6(洞內(nèi))進(jìn)行的監(jiān)控量測。工程采用新奧法[10]進(jìn)行隧道開挖,因而新奧法隧道施工數(shù)據(jù)監(jiān)測是工程的重要環(huán)節(jié)[11]。

3.1 隧道洞內(nèi)測點(diǎn)布置

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求工程按以下原則進(jìn)行斷面布置:洞口淺埋段(H≤2B)且圍巖為Ⅴ級(jí)時(shí),按10 m間距布設(shè)斷面;洞內(nèi)Ⅴ級(jí)圍巖段按15 m間距布設(shè)斷面(注:洞內(nèi)若采用預(yù)留核心土法開挖,拱頂沉降觀測點(diǎn)頂部應(yīng)布設(shè)掛鉤或反光貼);洞口Ⅳ級(jí)圍巖段按15 m間距布設(shè)斷面,洞內(nèi)Ⅳ級(jí)圍巖段按25 m間距布設(shè)斷面;Ⅲ級(jí)圍巖段按40 m間距布設(shè)斷面;Ⅱ級(jí)圍巖根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要進(jìn)行斷面布置。監(jiān)控量測洞內(nèi)具體測點(diǎn)布設(shè)示意圖如圖3～圖5所示。

圖3 上下臺(tái)階法施工時(shí)量測斷面布置圖Fig.3 Layout of measurement section during construction by bench cut method

由圖3～圖5可知,根據(jù)隧道施工方法的不同,測點(diǎn)布置有所區(qū)別,上下臺(tái)階法只需在拱頂布置一個(gè)測點(diǎn),其余測點(diǎn)布置在上下施工面水平方向用于監(jiān)測水平方向圍巖變形;單側(cè)壁及雙側(cè)壁施工方法除在隧道正上方拱頂及水平方向布置測點(diǎn)外,還需在相應(yīng)施工圍巖隔墻及單側(cè)拱頂布置測點(diǎn),用于觀測水平方向隔墻變形及單側(cè)拱頂沉降變形。

3.2 地表沉降測點(diǎn)布置

工程在位于Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖的淺埋段進(jìn)行地表下沉位移量量測,在隧道施工的過程中可能產(chǎn)生地表塌陷的地段設(shè)置相應(yīng)個(gè)數(shù)的觀測點(diǎn)。當(dāng)?shù)乇砺裆畲笥?倍隧道開挖寬度時(shí),測點(diǎn)間距為20～50 m;當(dāng)?shù)乇砺裆畲笥谒淼篱_挖寬度且小于2倍隧道開挖寬度時(shí),測點(diǎn)間距為10～20 m;當(dāng)?shù)乇砺裆钚∮谒淼篱_挖寬度時(shí),測點(diǎn)間距為5～10 m。

圖4 單側(cè)壁法施工時(shí)量測斷面布置圖Fig.4 Layout of measurement section during construction by single side wall method

圖5 雙側(cè)壁法施工時(shí)量測斷面布置圖Fig.5 Layout of measurement section during construction with double side wall method

4 隧道開挖對地層造成的影響分析

研究以貴州雙龍航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)外環(huán)北路2號(hào)隧道開挖時(shí)里程樁號(hào)K6+685(地表)和里程樁號(hào)K6+692.6(洞內(nèi))為例,對巖溶地區(qū)隧道開挖Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖結(jié)合圖表研究手段進(jìn)行理論分析,其中洞內(nèi)拱頂與地面向下的位移為正,向上的位移為負(fù);洞內(nèi)兩側(cè)向上的位移為正,向下的位移為負(fù),相關(guān)位移數(shù)據(jù)記錄見表1和表2。2個(gè)Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖斷面的變形位移積累量-量測時(shí)間間隔變化關(guān)系見圖6和圖7。

由圖6和圖7的變化關(guān)系可得:(1)除去量測誤差,根據(jù)地層及隧道變形積累量-時(shí)間變化關(guān)系曲線(對數(shù)曲線),巖溶地區(qū)隧道開挖在前4～7 d變形和非巖溶地區(qū)的隧道變形基本一樣,都是變形隨時(shí)間增長較快,但隨后變形的時(shí)長會(huì)比非巖溶地區(qū)隧道長大約1倍,洞內(nèi)的變形時(shí)間相較于地面的變形時(shí)間較短;(2)隧道開挖距離開挖斷面K6+685越遠(yuǎn)時(shí)對地層的影響越小,當(dāng)開挖到一定距離時(shí),對其地層的影響將趨于零。

表1 K6+685(地表)量測數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì)

表2 K6+692.6量測數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì)

注:綠色線是紅色線的二維擬合曲線。圖6 K6+685地面量測變形積累量與量測時(shí)間變化關(guān)系Fig.6 K6+685 relationship between ground measurement deformation accumulation and measurement time

5 隧道開挖后變形積累量預(yù)測

隧道開挖后變形積累量一般是以拱頂?shù)南鲁量偭亢推鸸熬€位置的圍巖壁面間水平收斂變形的總量為最終變形量[12]。在新奧法的施工過程中,如果能盡早預(yù)估得出隧道開挖最終變形量的數(shù)值,將會(huì)對指導(dǎo)隧道建設(shè)的設(shè)計(jì)與施工都具有重要意義。目前,隧道開挖后變形位移積累量的預(yù)測方法主有位移容許速率法和極限速率法,極限速率法指對起拱線位置的圍巖壁面間水平收斂變形回歸方程做t→+∞的運(yùn)算,從數(shù)學(xué)上計(jì)算隧道開挖后長時(shí)間位移變形積累量的大小[13]。結(jié)合施工量測數(shù)據(jù),采取極限速率法,運(yùn)用圖表對數(shù)分析法對地表位移變形積累平均值和洞內(nèi)變形位移積累平均值變化的規(guī)律進(jìn)行預(yù)測,相關(guān)預(yù)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。

圖7 K6+692.6洞內(nèi)變形積累量與時(shí)間變化關(guān)系Fig.7 K6+692.6 relationship between cave deformation accumulation and time

由表3可得,30 d內(nèi)地表變形位移積累平均值預(yù)測值為6.818 mm,洞內(nèi)變形位移積累平均值為4.712 mm,都比工程預(yù)留變形量小。

6 結(jié)論

結(jié)合巖溶地區(qū)隧道開挖實(shí)際工程,對隧道洞內(nèi)圍巖變形量及隧道周邊地表沉降量進(jìn)行了監(jiān)測統(tǒng)計(jì),通過對變形曲線函數(shù)擬合分析得到以下結(jié)論:

(1) 巖溶地區(qū)隧道開挖在前4～7 d變形和非巖溶地區(qū)的隧道變形基本一樣,都是變形隨時(shí)間增長得很快,但后來變形隨著時(shí)間而緩慢增長的時(shí)長會(huì)比非巖溶地區(qū)的隧道要長約1倍。

表3 地表沉降預(yù)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

(2) 隧道開挖面附近地表沉降較大,遠(yuǎn)離隧道開挖斷面,隧道施工對地層變形的影響較小或者沒有影響,地層的變形也會(huì)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 巖溶地區(qū)隧道開挖對地層造成的影響主要是受到巖溶溶洞的影響,巖溶溶洞在隧道開挖后受到外因的影響,一些力學(xué)特性變化的時(shí)間延長。新奧法設(shè)計(jì)施工與管理同樣適用巖溶地區(qū)隧道開挖,根據(jù)巖溶地區(qū)隧道開挖的具體情況來具體運(yùn)用新奧法對地表沉降采取預(yù)測干預(yù),盡量使巖溶地區(qū)隧道開挖對地層造成的影響降到最低。