復(fù)雜地質(zhì)隧道施工的沉降變形分析

藍(lán) 華,高 永,李寒雄

(1.廣西壯族自治區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣西 南寧 530020;2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400044;3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的擴(kuò)大，高等級(jí)公路隧道在黃土地區(qū)的修筑工程越來越多。相較于傳統(tǒng)的巖質(zhì)隧道，黃土因其特殊的成分和工程地質(zhì)條件，導(dǎo)致黃土隧道存在圍巖強(qiáng)度低、自承載力弱、開挖變形大的問題[1-2]。為明確黃土隧道受力變形特征，提升隧道承載能力，有效控制沉降，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了多方研究[3-5]。目前黃土隧道受力狀態(tài)和變形特征的分析方法主要包括經(jīng)驗(yàn)公式法[6]、數(shù)值分析法[7-8]、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法[9]等。如基于大量工程資料計(jì)算給出的不同圍巖級(jí)別差異經(jīng)驗(yàn)公式，包括平衡拱理論的圍巖計(jì)算方式、圍巖淺埋隧道計(jì)算公式等[10-12]；基于隧道結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值仿真模擬，如針對(duì)大斷面黃土隧道地基沉降的數(shù)值計(jì)算分析，地基加固處理，針對(duì)軟巖小凈距隧道施工開挖進(jìn)行土層應(yīng)力狀態(tài)分析等[13]；根據(jù)模型試驗(yàn)和施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行黃土穩(wěn)定性的計(jì)算分析，如針對(duì)不同大斷面濕陷性黃土隧道的沉降、變形測(cè)量，得到隧道施工中的變形控制措施，給出合適的隧道施工方法等[14-15]。

本文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，以黃土隧道工程為研究對(duì)象，針對(duì)隧道施工過程中弧形導(dǎo)坑法施工工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，得到黃土隧道圍巖開挖后的變形特征，并根據(jù)隧道沉降變形規(guī)律給出隧道施工的有效建議。

1 黃土隧道模型構(gòu)建

1.1 工程背景

隧道位于青海省西寧市城北，是丹拉國(guó)道主干線過境西寧的主要高速路段之一。整個(gè)隧道采用左右線分離4車道設(shè)計(jì)，左線ZK2+600～ZK5+205段長(zhǎng)2 454 m，右線YK2+660～YK5+190段長(zhǎng)2 530 m。隧道限寬10.75 m，限高5.0 m，屬于V級(jí)圍巖，采用復(fù)合式襯砌。

根據(jù)隧道建設(shè)選址設(shè)計(jì)，隧道位于青藏高原向黃土高原的過度地帶。鉆探揭示，隧址區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)黃土、上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土以及人工填土。人工填土分布在左線K2+960～K3+180段，右線K3+080～K3+240段，填方最大揭示高度達(dá)35 m。新近堆積黃土主要分布在隧道進(jìn)口和右側(cè)K4+170～K4+210段，該層厚度在4～7 m，頂板標(biāo)高2 329.79～2 386.94 m。濕陷性黃土分布在ZK3(K4+200)、ZK4(K5+190)段，濕陷等級(jí)為Ⅵ級(jí)自重性濕陷黃土，天然密度60%～70%，含少量云母碎片、透明淋濾型石膏，設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為V級(jí)。

1.2 淺埋黃土隧道施工

大斷面黃土隧道施工方法主要有弧形導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法、預(yù)留核心土多臺(tái)階法等[16-18]。不同方法具有各自的施工特征，如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能對(duì)地表沉降更好的控制，但施工工序復(fù)雜，臨時(shí)支護(hù)多，難以采用大型機(jī)械設(shè)備[19]；CRD法對(duì)拱頂下沉控制有著很強(qiáng)的效果，施工工序較簡(jiǎn)單，成本較低，但施工難度大[20]；弧形導(dǎo)坑法使用范圍廣、工序簡(jiǎn)單，成本低，且結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)安全性，但開挖施工中易對(duì)土體造成擾動(dòng)，形成較大沉降，因而通常應(yīng)用于較大地表沉降地段[21]。

本項(xiàng)目根據(jù)施工進(jìn)程安排、施工成本，采用弧形導(dǎo)坑法施工。即按高度由上至下將開挖斷面分為3個(gè)臺(tái)階。通過預(yù)留核心土和輔助支護(hù)以保持施工的穩(wěn)定性，為具體的施工流程見圖1。

圖1 隧道弧形導(dǎo)坑施工流程

2 弧形導(dǎo)坑施工過程模擬

2.1 模型建立

選擇隧道最大開挖跨徑處K3092作為研究對(duì)象。K3092隧道埋深10 m，最大開挖跨徑和開挖高度分別為16.69 m和12.16 m。設(shè)定模型向下取3倍隧道高度35 m，左右取4倍跨徑68 m，隧道軸線方向取60 m。由上至地表，認(rèn)為不受范圍外土體和縱向邊界影響。

為提高結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性，采用ANSYS軟件中4節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行隧道支護(hù)和周邊圍巖網(wǎng)格劃分，設(shè)定縱向單元長(zhǎng)度為1 m，對(duì)平面進(jìn)行縱向拉伸得到三維模型。將組合得到的三維模型導(dǎo)入到FLAC 3D中，如圖2所示。整個(gè)模型劃分為65 220個(gè)單元，共68 869個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 隧道施工三維模型

設(shè)定模型左右兩側(cè)為X向、底面為Y向、前后為Z向，并施加約束，頂面為自由面。僅在考慮重力作用下，對(duì)隧道開挖施工進(jìn)行模擬，獲得重力作用下初始地應(yīng)力場(chǎng)，如圖3所示?？梢钥闯觯亓?chǎng)作用下，隧道底層最大沉降值達(dá)到21.7 cm，可見黃土地欠密實(shí)性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)施工過程模擬，獲得不包括重力作用場(chǎng)下施工造成的沉降位移和穩(wěn)定初始應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)位移進(jìn)行“清零”處理。

圖3 初始地應(yīng)力場(chǎng)

2.2 施工過程的模擬

施工開挖過程中，假定掌子面始終超前支護(hù)3 m，開挖后立即噴射混凝土、鋼架結(jié)構(gòu)和鎖腳錨管并注漿，施加初期支護(hù)，弧形導(dǎo)坑法開挖界面見圖4。

圖4 弧形導(dǎo)坑法開挖面示意圖

開挖過程中，預(yù)留6 m核心土縱向長(zhǎng)度，先行開挖上部弧形導(dǎo)坑，滯后掌子面6 m開挖中部右側(cè)臺(tái)階，滯后中部臺(tái)階3 m開挖下部右側(cè)臺(tái)階，左右側(cè)臺(tái)階、中部核心土、下部核心土交錯(cuò)1 m。滯后下臺(tái)階12 m進(jìn)行仰拱開挖。模擬過程中，設(shè)定施工步長(zhǎng)3 m，共分34次完成51 m的開挖，開挖支護(hù)各17次，如圖5為施工縱截面圖。

圖5 施工過程縱截面圖

3 隧道施工穩(wěn)定分析

3.1 圍巖豎向位移

隧道開挖中，圍巖初始應(yīng)力示范，應(yīng)力狀態(tài)改變，出現(xiàn)卸荷位移。如圖6為隨隧道開挖進(jìn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)面圍巖豎向位移云圖。隧道上部圍巖形成一個(gè)U形整體沉降區(qū)，由隧道表面延伸到拱腳處，邊界接近垂直，拱頂和拱腳沉降基本一致。當(dāng)掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)面前，在隧道中線上方地表處出現(xiàn)隧道圍巖豎向最大位移。隨著埋深增加，沉降逐漸較小，在地表處出現(xiàn)最大沉降。當(dāng)隧道開挖掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)面時(shí)，隧道上方產(chǎn)生卸荷，拱頂沉降增大，并向地表發(fā)展，隨著埋深增加，沉降逐漸增加。對(duì)距掌子面33 m處獲得位移云圖分析發(fā)現(xiàn)，在垂直方向以左右邊墻形成最大豎向沉降，在距隧道中線20 m范圍內(nèi)，沉降值隨隧道中線距離增加而下降。由地表至隧道拱腳處垂直向，沉降量較為接近，在8 m深度范圍，仰拱位置形成最大沉降和最大鼓起較為接近。

(a) 距離掌子面-20 m

表1中給出了拱頂位移沉降變化，可以看出，掌子面前方20 m范圍產(chǎn)生的最大沉降僅1.13 m，并未出現(xiàn)明顯的沉降變化。隨著開挖工作的推進(jìn)，在20～12 m范圍，沉降逐漸增長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)入12～3 m范圍，沉降速度增加，在3 m時(shí)的沉降速度達(dá)到最大值。當(dāng)開挖推進(jìn)到掌子面時(shí)，拱頂沉降量達(dá)到38.22 mm，占最大沉降的33%，仰拱底部上揚(yáng)22.87 mm，占整個(gè)上揚(yáng)總量的25%。開挖推進(jìn)到仰拱后，速率迅速變小，沉降量趨于穩(wěn)定，拱頂沉降量累計(jì)到了73.18 mm，仰拱底部上揚(yáng)量累積到60.42 m，仰拱回填后形成的沉降趨于穩(wěn)定。

表1 拱頂和拱底沉變形累積量Table 1 Accum deformation of vault and arch floor距掌子面拱頂沉降/mm仰拱底不上揚(yáng)/mm-201.130.38-124.012.11-321.6312.99038.2222.87345.6933.081274.4965.0420111.483.2933115.289.19

淺黃黃土隧道開挖中引起的橫向方位地表沉降擬合曲線見圖7所示，其中橫軸表示相對(duì)于隧道中軸線距離?？梢钥闯?，在距隧道中線約2倍隧道跨徑(35 m)沉降趨于穩(wěn)定，且地表沉降隨隧道中心距離減小而增大，當(dāng)距中心線一倍跨距(19 m)時(shí)，沉降變化明顯增大，表明隧道開挖對(duì)圍巖影響主要在掌子面前方一倍跨徑范圍內(nèi)。隨著間距的進(jìn)一步減小，直到距隧道中心線8 m，沉降變化趨于穩(wěn)定，最終在中心線處形成最大地表沉降，最大沉降量為98.2 mm。初支封閉前，沉降變化速度減緩，仰拱開挖后，沉降速度增大，直到初期支護(hù)封閉仰拱回填，變化速度趨近于零。

圖7 隧道開挖圍巖沉降變化曲線

3.2 隧道圍巖水平位移

圖8給出了隧道開挖過程中圍巖監(jiān)測(cè)面的水平位移變化云圖?？梢钥闯觯陂_挖掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)面前，隧道圍巖最大水平位移量?jī)H4.3 mm，收斂幅度較小。當(dāng)開挖到監(jiān)測(cè)面時(shí)，拱腳和拱腰收斂增大，當(dāng)掌子面離開監(jiān)測(cè)面15 m后(下臺(tái)階通過)，收斂速度趨于穩(wěn)定，此時(shí)拱頂尚未開挖，初支護(hù)并未封閉。下臺(tái)階通過時(shí)的水平位移增長(zhǎng)量較小，并在初支封閉后趨于穩(wěn)定。

(a) 距離掌子面-20 m

圖9 中給出了拱腳和拱腰的水平位移變化曲線。拱腰作為弧形導(dǎo)坑拱腳，在初始開挖階段就形產(chǎn)生了明顯的收斂，當(dāng)開挖至中下臺(tái)階時(shí)，拱腰收斂迅速增大，中臺(tái)階通過時(shí)，拱腰收斂速度達(dá)到最大。當(dāng)下臺(tái)階通過監(jiān)測(cè)面，拱腳的收斂速度達(dá)到最大，隨后收斂速度迅速下降。整體可以看出，拱腰收斂值略大于拱腳收斂值，拱腳是初期支護(hù)和仰拱土體的支撐，拱腰僅對(duì)初期支護(hù)起到支撐作用。

圖9 監(jiān)測(cè)面圍巖水平位移變化曲線

3.3 隧道圍巖壓力

圖10和圖11給出了隧道開挖過程中圍巖壓力變化云圖?；⌒螌?dǎo)坑開挖后，水平應(yīng)力增幅較小，僅為最大水平應(yīng)力的12%，豎向應(yīng)力迅速增加到最大值的74%。隨著開挖工作的持續(xù)進(jìn)行，開挖面臺(tái)階通過監(jiān)測(cè)面，應(yīng)力增大，當(dāng)下臺(tái)階經(jīng)過監(jiān)測(cè)面后，應(yīng)力逐漸下降，在通過監(jiān)測(cè)面時(shí)的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力分別達(dá)到最大值的71%和84%。整個(gè)開挖過程中，最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰處，最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂，且最大水平應(yīng)力為最大豎向應(yīng)力的88%，二者較為接近。當(dāng)初期支護(hù)封閉后，應(yīng)力仍呈現(xiàn)出較小幅度的增長(zhǎng)，一直持續(xù)到二襯施作后，應(yīng)力趨于穩(wěn)定，且存在稍許下降。

(a)距離掌子面-6 m

(a)距離掌子面-6 m

3.4 施工沉降控制策略

通過上述對(duì)淺埋大跨徑黃土隧道弧形導(dǎo)坑施工的沉降變形和應(yīng)力變化規(guī)律，提出隧道開挖施工過程中控制施工沉降的建議。

a.加強(qiáng)拱腳強(qiáng)度。隧道上方圍巖整體沉降明顯，由地表向下延伸至隧道上臺(tái)階拱腳，其中地表沉降達(dá)到拱頂沉降80%以上，拱頂與拱腳沉降比差異較大。由于采用三臺(tái)階法無底部臨時(shí)支持，下臺(tái)階拱腳收斂對(duì)中部仰拱形成一個(gè)擠壓趨勢(shì)，導(dǎo)致仰拱上鼓明顯[22]。從隧道位移表現(xiàn)可以看出，加強(qiáng)隧道拱腳處可以減少水平收斂力來抑制拱頂上鼓現(xiàn)象，提升支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，通過在隧道上方圍巖提供支撐腳，可減少地表沉降，抑制地表裂縫現(xiàn)象。加強(qiáng)拱腳強(qiáng)度可采用鎖腳錨固，并進(jìn)行注漿處理，施工中要注意鎖腳錨管與水平面大于45°，保證加固區(qū)貼近初支結(jié)構(gòu)。

b.提高初期支護(hù)和超前支護(hù)。黃土圍巖強(qiáng)度低、自承力差，初期支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定具有決定作用，因而提高初期支護(hù)強(qiáng)度有利于保持整體支護(hù)能力。掌子面開挖圍巖的拱頂沉降已經(jīng)達(dá)到總沉降的33.18%，因此做好超前支護(hù)能有效控制拱頂總沉降量。當(dāng)掌子面通過，在超前支護(hù)構(gòu)成一個(gè)加固圈，降低圍巖應(yīng)力釋放，能均勻過度到初期支護(hù)上。

c.減少封閉距離。在隧道支護(hù)封閉前，沉降和收斂持續(xù)增加，一直持續(xù)到支護(hù)封閉后才趨于穩(wěn)定，且封閉前，拱頂沉降和水平收斂達(dá)到了總變量的85%以上，因此，盡快的封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)，形成環(huán)狀受力整體，在一定程度上能夠?qū)ψ冃尉哂泻芎玫目刂谱饔谩?/p>

d.盡快封閉開挖面。從開挖施工變形量可知，圍巖裸露階段的變形始終大于初支支護(hù)完成后的變形量，因此，在開挖后及時(shí)初噴混凝土層，能有效地平衡結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

4 結(jié)論

針對(duì)大斷面黃土隧道施工特征，以工程實(shí)例為對(duì)象，對(duì)弧形導(dǎo)坑法施工工藝進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，獲得黃土隧道圍巖開挖后的位移變形特征和應(yīng)力變化，并對(duì)隧道變形沉降規(guī)律給出有效的防治措施。研究結(jié)果主要有：

a.弧形導(dǎo)坑法開挖中，掌子面隧道上部圍巖形成一個(gè)U形的整體沉降區(qū)，由隧道表面延伸到拱腳處，邊界接近垂直，拱頂和拱腳沉降基本一致。隧道開挖對(duì)圍巖影響主要集中在掌子面前方20 m，橫向距隧道中線35 m范圍內(nèi)。其中在掌子面前方6 m，橫向距隧道中線20 m的沉降影響顯著。

b. 掌子面到達(dá)前，圍巖沉降占總沉降的24%～45%。最大沉降發(fā)生在掌子面至初支護(hù)封閉階段。拱部圍巖沉降隨深度增加變化并不明顯。初支封閉后，圍巖沉降和應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

c.工程施工中，可通過加強(qiáng)拱腳強(qiáng)度、提高初期支護(hù)和超前支護(hù)、減少封閉距離，盡快封閉開挖面來有效控制圍巖沉降變形。