超大斷面小凈距隧道應(yīng)力場演化研究

蔣慶，范宏運，李濤，周宗青

(1.山東高速濟萊城際公路有限公司，山東 濟南 250014； 2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心)

1 引言

隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，道路路寬不斷擴展，穿山隧道的建設(shè)也面臨著隧道斷面增大、凈距減小等施工難題，給隧道安全施工帶來了新的挑戰(zhàn)。

超大斷面小凈距隧道的一般特征為兩隧道洞口中心線間距小于1.5倍洞口半徑，此類隧道能夠很好地適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，便于隧道線路選線以及施工規(guī)劃。由于外部地質(zhì)環(huán)境的各向異性，促使超大斷面小凈距隧道在施工過程中還需考慮由于自身斷面大、凈距小等特點帶來的問題，即先行洞圍巖以及中夾巖柱受施工擾動導(dǎo)致內(nèi)部節(jié)理、裂隙、斷層失穩(wěn)等現(xiàn)象。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在研究超大斷面小凈距隧道施工方面取得了豐碩成果，中隔壁法(CD法)和雙側(cè)壁法在超大斷面小凈距隧道施工方面都得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的效果。但是對于超大斷面小凈距隧道圍巖塑性區(qū)時空效應(yīng)及其應(yīng)力場演化等方面的研究卻少之甚少?；诖?，該文以濟南市東南二環(huán)繞城高速公路大嶺隧道進口段為研究對象，綜合考慮工程實際地質(zhì)條件及計算需求等，對采用臺階法及CD法施工的超大斷面小凈距隧道圍巖空間變形規(guī)律進行對比分析，確定CD法為超大斷面小凈距隧道施工的優(yōu)勢工法，對CD法施工過程中超大斷面小凈距隧道圍巖塑性區(qū)的時空效應(yīng)及應(yīng)力場演變過程進行探討，為該類隧道的施工及設(shè)計提供參考。

2 工程概況

濟南繞城高速公路濟南連接線工程淺埋小凈距段設(shè)計采用CD法及臺階法施工，洞口段盡量人工開挖，先行洞與后行洞均先開挖靠近中巖柱的小導(dǎo)洞，每循環(huán)進尺長度為1～2倍拱架間距(即0.6～1.2 m，具體視圍巖情況而定)，左、右線掌子面錯開2倍洞徑以上距離(數(shù)值模擬中取50 m)。此外，嚴(yán)格控制爆破施工，由于在施工過程中，后行洞因爆破產(chǎn)生的震動波對先行洞初期支護造成威脅，因此要求后行洞爆破震動速度不超過8 cm/s。

大嶺隧道作為該項目建設(shè)過程中的難點工程，其施工安全問題亟待解決。根據(jù)設(shè)計資料，大嶺隧道地處中低山丘陵區(qū)，揭露地層主要由第四系殘坡積土層及基巖組成，其隧道地質(zhì)剖面圖詳見圖1。其中，大嶺隧道左右線進口段為Ⅴ級圍巖，且多為碎土石，強風(fēng)化灰?guī)r，圍巖層間結(jié)合差，巖體破碎，巖芯多呈塊狀、碎塊狀及少量短柱狀，圍巖自穩(wěn)能力差。

圖1 大嶺隧道地質(zhì)剖面圖(單位：m)

依據(jù)設(shè)計資料，大嶺隧道采用CD法以及臺階法施工，單次開挖均為1～2榀拱架間距。其中，臺階法各開挖分部間錯開10～15 m，施工示意圖如圖2所示；CD法各開挖分部間錯開5～7 m，施工示意圖如圖3所示。

圖2 臺階法施工示意圖

圖3 CD法施工示意圖

3 模型構(gòu)建及數(shù)值模擬

FLAC3D作為一款經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，其計算單元均為四面體，采用顯式拉格朗日算法和混合離散法技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動。此外，由于FLAC3D軟件在計算過程中無需形成剛度矩陣，因此FLAC3D在使用較小內(nèi)存的情況下就可以求解較大規(guī)模的三維問題。但是在模型構(gòu)建方面，由于內(nèi)嵌的Fish語言存在的局限性，導(dǎo)致FLAC3D無法在軟件內(nèi)部建立標(biāo)準(zhǔn)的隧道模型，需借助Ansys等軟件輔助建模。該文通過Auto CAD軟件建立隧道的平面模型，再借助Ansys軟件對平面模型進行立體化，以構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的隧道三維模型。

3.1 力學(xué)參數(shù)選取

根據(jù)設(shè)計資料，濟南繞城高速公路濟南連接線工程大嶺隧道進口段上層覆蓋掩體主要是中風(fēng)化灰?guī)r，為提高數(shù)值模擬分析的效率，將隧道上層覆蓋巖體全部簡化為中風(fēng)化灰?guī)r，以排除其他巖體對數(shù)值模擬的干擾，灰?guī)r的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 隧道圍巖基本物理參數(shù)

隧道主洞洞身支護采用φ25 mm中空注漿錨桿、鋼筋網(wǎng)片、0.3 m厚C25噴射混凝土，H200×200型鋼拱架，Ⅴ級圍巖型鋼拱架縱向間距為0.6 m/榀，Ⅳ級圍巖型鋼拱架縱向間距為0.8 m/榀，設(shè)臨時仰拱。但是在數(shù)值模擬過程中，由于初期支護以及二次襯砌中均存在鋼筋等材料，對數(shù)值模擬結(jié)果造成偏差。因此，在定義隧道結(jié)構(gòu)材料時，需要對初期支護以及二次襯砌材料的原有參數(shù)進行等效處理，等效處理后的參數(shù)見表2。

表2 隧道結(jié)構(gòu)材料等效后基本物理參數(shù)

3.2 計算模型構(gòu)建

考慮到隧道模型在數(shù)值模擬過程中需要反復(fù)使用，在建立隧道圍巖模型時，將隧道圍巖整體簡化成立方體，以提升數(shù)值模擬的效率。為保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性以及真實性，左洞的隧道埋深定義為25 m，右洞的隧道埋深定義為30 m。對于隧道圍巖模型的左右邊界，考慮到隧道的邊界效應(yīng)對數(shù)值模擬結(jié)果的影響，理論上應(yīng)使隧道圍巖左右邊界的距離為3～5倍洞徑，該文取3倍洞徑，即左右邊界的距離為180 m。在進行數(shù)值模擬過程中，需完整地模擬隧道開挖的全部工序，這也就要求隧道模型有足夠的長度來完成隧道開挖的所有工序。為此，將隧道圍巖模型的長度定義為44 m，以保證數(shù)值模擬過程的完整性以及真實性。

依據(jù)濟南繞城高速公路濟南連接線大嶺隧道設(shè)計圖紙可知，左右洞隧道跨度均定義為20.1 m，隧道高度定義為15.3 m，左右洞隧道凈距定義為13.2 m。其中，左右洞進口段采用CD法進行施工，當(dāng)圍巖級別達(dá)到Ⅳ級時，改變施工方法為臺階法。

結(jié)合Flac3D及Ansys軟件，實現(xiàn)對大嶺隧道的半精細(xì)化建模。首先，利用Auto CAD軟件構(gòu)建隧道的平面2D模型，形成.sat文件，導(dǎo)入到Ansys軟件中進行劃分網(wǎng)格、三維拉伸等處理，形成.dec文件，導(dǎo)入Flac3D，形成隧道的三維立體模型，詳見圖4、5。

圖4 隧道三維模型圖

圖5 雙洞細(xì)節(jié)圖

3.3 數(shù)值模擬

隧道模型構(gòu)建完成后，對隧道模型施加邊界約束，約束立方體模型底面以及環(huán)向四面的位移變化，頂面定義為自由邊界。計算過程中，為保證數(shù)值模擬的真實性，忽略巖體自身重力以外的其他力，得到如圖6所示的初始地應(yīng)力模型。由圖6可知：受隧道地表高程的影響，隧道初始地應(yīng)力模型呈現(xiàn)出微偏壓的應(yīng)力分布狀態(tài)。

圖6 初始地應(yīng)力模型(單位：Pa)

隧道開挖支護數(shù)值模擬過程中，當(dāng)采用CD法施工時，單循環(huán)進尺1.2 m；采用臺階法施工時，單循環(huán)進尺1.6 m。CD法施工過程中，隧道開挖完成后，及時拆除橫撐，布設(shè)二次襯砌。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 空間變形規(guī)律

4.1.1 拱頂沉降規(guī)律

圖7為左洞CD法施工拱頂沉降曲線。CD法施工過程中，隧道1部開挖完成后，拱頂圍巖沉降突變，變形速率及變形量較大，圍巖穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)掉塊、甚至塌方等工程事故。隨著隧道2部、3部的開挖，隧道拱頂沉降速率變小且變形量趨于穩(wěn)定。

圖7 CD法拱頂沉降曲線

圖8為右洞臺階法施工拱頂沉降曲線。

圖8 臺階法拱頂沉降曲線

由圖8可知：受先行洞開挖的影響，隧道右洞拱頂圍巖在開挖前即出現(xiàn)小變形。隧道右洞上臺階開挖完成，隧道拱頂圍巖出現(xiàn)較大沉降，且變化速率較大。由此可知，該階段隧道圍巖穩(wěn)定性極差，施工過程中應(yīng)加強支護，避免工程事故。上臺階開挖完成后，隧道拱頂沉降速率降低，最終達(dá)到穩(wěn)定值。

4.1.2 邊墻收斂規(guī)律

圖9為CD法施工左、右洞邊墻收斂曲線。圖10為臺階法施工左、右洞邊墻收斂曲線。

圖9 CD法左、右洞邊墻收斂曲線

圖10 臺階法左、右洞邊墻收斂規(guī)律

由圖9(a)可知：CD法施工過程中，隧道左洞(先行洞)1、2部開挖時，邊墻圍巖收斂值變化平緩，隧道3部開挖時，邊墻收斂值出現(xiàn)突變，且變形量較大。隧道開挖完成后，邊墻收斂值出現(xiàn)波動，頻率較大，幅度較高，說明隧道邊墻圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖9(b)可知：隧道右洞(后行洞)邊墻圍巖收斂規(guī)律與隧道左洞大體一致，但由于受先行洞施工影響，在隧道開挖前期，邊墻收斂即出現(xiàn)小幅度的變化，且最終收斂值相對于左洞較小。

由圖10可知：臺階法施工過程中，隧道左洞(先行洞)上臺階的開挖導(dǎo)致邊墻收斂出現(xiàn)突變，且速率較快、變形量較大。此外，隧道右洞(后行洞)受先行洞開挖影響，邊墻收斂出現(xiàn)變化，且變化均勻、變形量較小。隧道左洞上臺階開挖完成后，邊墻收斂值以大頻率、小幅度進行波動，說明邊墻圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。隧道下臺階開挖過程中，隧道邊墻收斂出現(xiàn)小幅度變化。隧道右洞(后行洞)的邊墻收斂規(guī)律和隧道左洞大體一致，但是最終收斂量相對于左洞較小。

4.2 塑性區(qū)分布研究

塑性區(qū)作為反映隧道圍巖危險程度的重要指標(biāo)之一，對研究超大斷面小凈距隧道安全施工有著極大的參考價值。由此，在研究隧道塑性區(qū)分布的過程中，選取0～10 m開挖斷面為研究對象，其塑性區(qū)的形態(tài)、大小以及分布情況見圖11。

隧道開挖意味著隧道圍巖存在發(fā)生形變的必然性，由此說明，隧道開挖代表隧道圍巖進入塑性狀態(tài)。隧道某開挖部的施工，將必然導(dǎo)致其他開挖部的塑性區(qū)出現(xiàn)擴散現(xiàn)象，即塑性區(qū)面積增大。在隧道安全施工方面，根據(jù)圖11塑性區(qū)的分布結(jié)果，施工應(yīng)注意以下問題：

(1) 采用臺階法施工：① 前文中提及過，1部開挖將導(dǎo)致隧道拱頂沉降量出現(xiàn)急劇變化。根據(jù)分布圖也可看出，在開挖隧道1部時，隧道拱頂?shù)乃苄詤^(qū)分布最大，意味著隧道開挖風(fēng)險越大，越應(yīng)注意加強支護等措施；② 采用臺階法施工時，下臺階的開挖將導(dǎo)致隧道邊墻塑性區(qū)出現(xiàn)急劇上升，意味著隧道邊墻易發(fā)生工程事故，在施工過程中應(yīng)提高警惕。

(2) 采用CD法施工：① 隧道圍巖塑性區(qū)主要分布在隧道拱肩位置，說明采用CD法施工作業(yè)過程中，在開挖隧道1、3部時，最容易發(fā)生工程事故；② 在隧道各部完成開挖后，需要拆除隧道中隔壁與圍巖之間的橫撐，即拆撐工序。在拆撐過程中，圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)較大范圍的擴散現(xiàn)象，由此判斷，拆撐在隧道施工過程中存在較大的危險。

4.3 圍巖應(yīng)力演化

圍巖應(yīng)力演化主要反映隧道內(nèi)部的受力情況，對隧道安全施工以及內(nèi)部受力分析起到很大的作用(圖12)。

圖11 各部開挖過程塑性區(qū)分布簡化圖

由圖12可知：采用臺階法施工過程中，左洞1部開挖完成后，隧道掌子面附近圍巖應(yīng)力值增大，特別是拱頂附近，應(yīng)力集中區(qū)面積以及應(yīng)力值都大幅增大。左洞2部開挖完成后，1部圍巖應(yīng)力值出現(xiàn)削弱現(xiàn)象，但是應(yīng)力分布面積增大。采用CD法施工時，在左洞隧道1部開挖完成后，隧道圍巖的應(yīng)力值出現(xiàn)突變。左洞2、3部開挖過程中，隧道圍巖應(yīng)力值上升，但上升幅度較小。左洞4部開挖完成后，由于左導(dǎo)坑的先行開挖，導(dǎo)致左導(dǎo)坑圍巖的整體應(yīng)力值較右導(dǎo)坑小。

右洞開挖過程中，洞周圍巖豎向應(yīng)力的演化過程與左洞基本相同。但中夾巖墻處豎向應(yīng)力集中程度繼續(xù)增大。右洞開挖完成后，左洞內(nèi)外側(cè)豎向應(yīng)力均發(fā)生了增大，頂部和底部豎向應(yīng)力變化范圍比左洞大。

5 結(jié)論

以超大斷面小凈距隧道應(yīng)力場演化為研究出發(fā)

圖12 圍巖應(yīng)力演化簡圖

點，基于有限差分軟件Flac3D對此類隧道進行數(shù)值模擬分析，綜合考慮工程實際以及計算的必要性，對超大斷面小凈距隧道的空間變形規(guī)律、塑性區(qū)分布以及應(yīng)力場演化過程進行了深入研究，得到如下結(jié)論：

(1) 在超大斷面小凈距隧道施工前期，由于隧道開挖促使拱頂及邊墻圍巖出現(xiàn)位移突變，穩(wěn)定性降低。此外，先行洞的開挖對后行洞的圍巖穩(wěn)定性造成影響，促使后行洞圍巖在未開挖即出現(xiàn)較小的變形。

(2) 根據(jù)超大斷面小凈距隧道在施工過程中塑性區(qū)分布情況及應(yīng)力演化過程，確定了隧道開挖部分對隧道不同部位圍巖穩(wěn)定性的影響程度。采用臺階法施工時，上臺階開挖對隧道圍巖穩(wěn)定性影響最大，下臺階開挖對隧道邊墻穩(wěn)定性影響最大；采用CD法施工時，拆撐導(dǎo)致隧道圍巖塑性區(qū)突變，危險性最大，建議該工序施工時應(yīng)加強安全防護工作，避免工程事故的出現(xiàn)。