城區(qū)大斷面淺埋小凈距隧道全斷面開挖條件下圍巖力學特性分析

江 帆

福州市市政建設(shè)開發(fā)有限公司，福建 福州 350000

0 引言

近年來，一部分山嶺地區(qū)城市快速路的建設(shè)已經(jīng)進入新的發(fā)展時期，因受建設(shè)條件限制需要采用小凈距或者連拱等特殊的隧道結(jié)構(gòu)形式［1］。其中，小凈距隧道具有兩隧道施工獨立、風險較小、造價較低等特點，較好地解決了雙洞隧道接線問題。但由于隧道間距較小，小凈距隧道襯砌及圍巖的力學行為變得更為復雜。

對此國內(nèi)學者對此開展了一系列理論分析［2-5］、數(shù)值模擬［6-8］、模型試驗［9］和工程實踐［11-12］的研究，在淺埋小凈距隧道圍巖壓力方面取得了較為豐富的研究成果。然而，在圍巖壓力計算方面，特別是淺埋大跨條件下隧道圍巖荷載作用模式不明確，數(shù)值模擬所采用系數(shù)與工程實際可能存在一定出入，無法廣泛應(yīng)用，為此有必要對淺埋小凈距隧道圍巖壓力的分布和發(fā)展規(guī)律此進行深入研究。

本文將實際工程得到的相關(guān)參數(shù)用于大跨淺埋小凈距公路隧道的有限元建模，在分析圍巖壓力的基礎(chǔ)上，總結(jié)施工力學行為的主要規(guī)律和時空特性，為圍巖壓力計算、支護設(shè)計提、施工安全、質(zhì)量及進度管控工作具有一定的指導意義。

1 工程背景及開挖方式

本文以福州市工業(yè)北路延伸線文林山主線機動車隧道工程為例，工業(yè)北路延伸線位于福州市西片區(qū)，為南北向骨架路網(wǎng)之一。其中，主線機動車隧道沿現(xiàn)狀工業(yè)路往北延伸，穿越文林山至梅峰路。隧道左線長1176m，右線長1140m，均為單洞單向4 車道。隧道凈寬17.976m，拱高8.6m，含仰拱拱高11.5m。

本工程地質(zhì)是剝蝕殘丘地貌，隧道段地形起伏較大，高程約為。根據(jù)相關(guān)勘察設(shè)計文件，文林山隧道右線YK2+698～YK2+730、YK3+490～3+810，左線ZK2+694～YK2+735、ZK3+480～3+816 區(qū)間段地層均為V 級圍巖，隧道洞身主要位于砂土狀、碎塊狀強風化花崗巖中，其埋置深度為淺埋、超淺埋，采用復合式襯砌。

圖1 文林山機動車隧道的橫斷面示意圖 （單位：m）

文林山主線機動車隧道主要采用全斷面法、CD 法以及上下臺階法進行分段施工。隧道二襯采用C35 鋼筋混凝土，厚70cm；初期支護使用噴射C25 混凝土+I25a 鋼拱架，厚31cm，并輔以多道系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿進行加固。

為研究小凈距隧道開挖過程中圍巖壓力分布，故選用對圍巖擾動最大的全斷面法對隧道進行開挖，其施工橫截面示意圖如圖2 所示：

圖2 全斷面施工橫截面示意圖

其中：Ⅰ—左洞隧道；Ⅱ—左洞道系統(tǒng)錨桿支護區(qū)域；Ⅲ—右洞隧道；Ⅳ—右洞道系統(tǒng)錨桿支護區(qū)域；Ⅴ—中夾巖柱。

整個施工過程主要分為2 施工步驟：

（1）對左洞隧道Ⅰ進行開挖，同時進行左洞隧道初期支護Ⅱ，每次循環(huán)進尺；

（2）對右洞隧道Ⅲ進行開挖，同時進行右洞隧道初期支護Ⅳ，每次循環(huán)進尺；

2 計算模型的建立

2.1 基本假定

本文數(shù)值模擬計算采用有限差分數(shù)值平臺FLAC3D建立數(shù)值分析模型，以此來模擬隧道開挖過程中圍巖壓力的變化情況。

巖土材料在物理力學特性上存在較大隨機性和復雜性，并且小凈距隧道修建過程中開挖與支護工序十分復雜，為了能更有效地利用FLAC3D對此過程進行數(shù)值模擬，本文將對數(shù)值仿真過程采取一定的簡化：

（1）圍巖簡化為均質(zhì)且各項同性的連續(xù)介質(zhì)，其材料特性考慮為理想彈塑性體，力學特性假定遵循摩爾-庫倫強度準則；

（2）只考慮自重應(yīng)力場，忽略構(gòu)造應(yīng)力場；

（3）忽略地表建筑與擴建隧道之間的相互影響；

（4）忽略超前支護對圍巖的有利作用；

（5）只考慮初期支護，二次襯砌作為安全儲備考慮；

（6）初期支護中系統(tǒng)錨桿的作用效果，將以提高支護區(qū)域內(nèi)圍巖的粘聚力c 和內(nèi)摩擦角Φ 來代替，其參數(shù)提高為20%。

2.2 模型參數(shù)

碎塊狀強風化花崗巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，隧道初期支護系統(tǒng)采用線彈性本構(gòu)模型，各項物理力學參數(shù)具體見表1。

表1 圍巖及襯砌參數(shù)

2.3 邊界條件

建模時為了有限的減少邊界條件對模擬結(jié)果的影響，模型在隧道左右邊墻各自向外再延伸3 倍洞徑。模型水平方向上總寬度約為8 倍洞徑，；隧道頂部至模型地表面約為左右，隧道底部至下邊界取。模型豎直方向上總高度約為3 倍洞徑，。左右洞隧道凈距為。為了模擬開挖過程對圍巖壓力的時空效應(yīng)，模型設(shè)置了了進深。

最終模型尺寸為（寬度高度進深）。圍巖采用6 面體實體單元，共計36280 個實體單元，39228 個節(jié)點（圖3）。隧道初支采用Liner 單元，共計3906 個節(jié)點和7520 個單元（圖4）。

其中地表面為自由邊界，未受任何約束；側(cè)面為法向位移約束邊界，允許豎直方向的位移；底面施加固定支座，約束所有位移。

圖3 淺埋大斷面小靜距隧道三維數(shù)值模型示意圖

圖4 二次襯砌模型示意圖

2.4 基本假定

根據(jù)前述開挖過程及施工工序（圖2），在FLAC3D平臺上模擬開挖V 級圍巖區(qū)間段隧道，共計40 個開挖步（圖5），其關(guān)鍵開挖步對應(yīng)工況如表2 所示。

圖5 施工工序平面示意圖

表2 圍巖及襯砌參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

關(guān)于淺埋小凈距隧道圍巖壓力與隧道凈距、埋深、圍巖級別的關(guān)系，以及小凈距隧道的施工力學行為，已有較多研究。下面結(jié)合文林山機動車隧道全斷面開挖，借助有限差分軟FLAC3D分析淺埋大斷面小凈距隧道的圍巖壓力分布和發(fā)展進行分析。

3.1 圍巖壓力

3.1.1 先行左洞

垂直和水平圍巖壓力監(jiān)測點布置分別如圖6（a）、（b）所示。將第1 步及以后施工步獲取的左洞擴建隧道監(jiān)測點的法向和切向壓力轉(zhuǎn)化為垂直向和水平向的圍巖壓力。

圖6 左洞圍巖壓力測點布置

圖7 為不同開挖階段上部圍巖作用在左洞隧道支護結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力分布圖。

圖7 開挖過程中左洞垂直圍巖壓力分布

根據(jù)左洞開挖掌子面距監(jiān)測截面0.1D 這條豎向圍巖壓力曲線所示：左洞開挖掌子面在監(jiān)測斷面后方，距離約為0.1D，此時穩(wěn)定的垂直圍巖壓力可以作為監(jiān)測面上左洞擴建隧道的初始應(yīng)力狀態(tài)，其壓力分布大致呈“U”字型；隨著左洞隧道的持續(xù)進尺，圍巖壓力分布由“U”型向“W”型過渡，并且在距離監(jiān)測斷面0.5D 內(nèi)，其豎向圍巖壓力持續(xù)增大，其中靠近擴挖面積較大一側(cè)變化幅度更大。右洞開挖后，隧道兩側(cè)靠外的部分拱肩處垂直圍巖壓力繼續(xù)呈現(xiàn)增大趨勢，然而其增加幅度較左洞隧道開挖（距離監(jiān)測斷面內(nèi)0.5D）小；而拱頂以及兩側(cè)拱肩處的垂直圍巖壓力存在有減小的現(xiàn)象。右洞開挖后，左洞先行隧道的圍巖壓力受其影響，隧道拱肩至拱頂部分其圍巖壓力出現(xiàn)一定的增加，靠近右洞一側(cè)圍巖壓力增大值較左側(cè)大，最大增量達0.08MP；兩側(cè)邊墻受其影響較小，尤其是遠離右洞一側(cè)的邊墻，其影響可忽略不計。

左洞隧道兩側(cè)水平圍巖壓力如圖8（a）、（b）所示。在左洞開挖過程中，水平圍巖壓力持續(xù)增大，拱腳處圍巖壓力大于拱頂及拱肩。右洞開挖施工令兩側(cè)水平圍巖壓力也繼續(xù)呈現(xiàn)增大趨勢。同時，靠近右洞一側(cè)水平圍巖壓力的增量大于左側(cè)水平圍巖壓力值的增量，最大增量為0.15MP。

圖8 開挖過程中左洞水平圍巖壓力分布

3.1.2 后行右洞

垂直和水平圍巖壓力監(jiān)測點布置分別類似圖6（a）、（b）所示。將第31 步及以后施工步獲取的右洞洞隧道監(jiān)測點的法向和切向壓力轉(zhuǎn)化為垂直向和水平向的圍巖壓力，如圖9 和圖10（a）、（b）所示。

如圖9 和圖10 所示，右洞隧道監(jiān)測面上的垂直圍巖壓力及水平圍巖壓與如左洞隧道類似。對比圖7 和圖9、圖8 和圖10 可知，在淺埋小凈距隧道開挖過程中，先行洞所受圍巖壓力（垂直、水平向）大于后行洞所受圍巖壓力。且對于垂直圍巖壓力而言，隧道內(nèi)側(cè)（靠中夾巖柱）大于外側(cè)，而隧道兩側(cè)分布的水平圍巖壓力則大致相同。

圖9 開挖過程中左洞垂直圍巖壓力分布

圖10 開挖過程中右洞水平圍巖壓力分布

4 結(jié)論

（1）淺埋大跨小凈距隧道垂直和水平圍巖壓力發(fā)展隨開挖工序發(fā)展的趨勢基本一致，發(fā)展速率略有不同，水平壓力發(fā)展速率大于垂直壓力。

（2）右洞開挖后，隧道兩側(cè)靠外的部分拱肩處垂直圍巖壓力繼續(xù)呈現(xiàn)增大趨勢，靠近右洞一側(cè)圍巖壓力增大值較左側(cè)為多；兩側(cè)水平圍巖壓力也繼續(xù)呈現(xiàn)增大趨勢，靠近右洞一側(cè)水平圍巖壓力的增量大于左側(cè)水平圍巖壓力值的增量。

（3）先行洞所受圍巖壓力（垂直、水平向）大于后行洞所受圍巖壓力。且對于垂直圍巖壓力而言，隧道內(nèi)側(cè)（靠中夾巖柱）大于外側(cè)，而隧道兩側(cè)分布的水平圍巖壓力則大致相同。

（4）本文在數(shù)值模擬過程中選定為全斷面開挖，而實際工程中大斷面小凈距隧道常采用分步開挖方法，下一步研究中應(yīng)考慮不同開挖功法影響下小凈距隧道圍巖壓力的分布和發(fā)展模式。