小凈距偏壓隧道在特殊素填土施工順序研究

陳光楊 寧曉駿 費(fèi)維水 李揚(yáng) 薛揮杰

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會交通擁堵問題越發(fā)嚴(yán)重，地下空間開發(fā)和利用變得越來越重要，且地下公路隧道建設(shè)是解決交通擁堵的有效方法。在地下空間的開發(fā)利用中，由于區(qū)域與環(huán)境的不同，隧道建設(shè)遇到各種各樣的問題，淺埋偏壓隧道往往是比較困難的問題。因此，通過研究不同施工順序?qū)\埋暗挖區(qū)間隧道圍巖變形、襯砌內(nèi)力、塑性區(qū)分布情況，對類似偏壓小凈距隧道項(xiàng)目的施工有重要參考。

重慶曾家?guī)r區(qū)間隧道主要穿過第四系全新統(tǒng)人工填土、中風(fēng)化泥巖，本文著重以重慶曾家?guī)r隧道施工為背景，通過二維數(shù)值計(jì)算，對不同隧道施工順序引起的圍巖變形、襯砌內(nèi)力、塑性區(qū)分布進(jìn)行比較，分析在隧道潛在偏壓情況下，哪種施工順序更加安全可靠，為研究淺埋暗挖及偏壓隧道施工提供參考價值。

1 工程概況

重慶曾家?guī)r隧道位于奧園小區(qū)上方以明洞隧道通過，以暗挖隧道形式下穿金開大道。隧道區(qū)表覆蓋層為第四系全新統(tǒng)素填土，表層填土由于園林建設(shè)活動，填土稍密；下層塊石含量較大，空隙大，土層較為松散、稍濕，粘聚力很小，僅有3 kPa，是較為特殊的回填土，其主要成分為砂泥巖碎石、塊石，含少量粉質(zhì)粘土，碎塊石占比約10%～50%，粒徑多為20～350 mm，少量超過500 mm，回填時間10 a以上，分布無規(guī)律，厚5.20～48.4 m。

由于曾家?guī)r隧道為小凈距偏壓隧道，且多數(shù)區(qū)段埋置于特殊回填土中(粘聚力為3 kPa)，采用CRD法施工，標(biāo)準(zhǔn)段為Ⅵ級加強(qiáng)A，隧道開挖斷面支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 CRD法標(biāo)準(zhǔn)斷面支護(hù)參數(shù)

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算方法及條件

(1)計(jì)算中，圍巖采用M-C彈塑性本構(gòu)模型，初期支護(hù)和二次襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

(2)兩層初期支護(hù)(第一層初支：噴層+鋼架；第二次初支：噴層+鋼架)中的噴層和鋼架分別采用梁單元模擬。

(3)初始應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力場。

(4)依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》，并結(jié)合工程類比和計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，施工過程模擬時，開挖+初期支護(hù)階段的應(yīng)力釋放比率取為50%，二次襯砌施做后，應(yīng)力100%完全釋放[1]。

2.2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)、計(jì)算方案

結(jié)合具體工程實(shí)例，以勘察資料中的最不利剖面9-9為典型斷面，采用第二次變更設(shè)計(jì)參數(shù)，本段左右洞施工工法均采用CRD法，運(yùn)用Midas GTS/NX二維有限程序進(jìn)行模擬計(jì)算，整個模型寬360 m，高139 m，如圖1所示。本模型左右邊界為水平約束，底部為固定約束。

圖1 9-9典型斷面模型示意

計(jì)算所采用的巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表2

表中各參數(shù)的選取依據(jù)如下：

(1)填土的彈性模量取為30 MPa，填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中等風(fēng)化泥巖的力學(xué)參數(shù)依據(jù)地勘給出的建議值；

(2)小導(dǎo)管注漿加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)參考設(shè)計(jì)單位計(jì)算模型中的設(shè)定值；

(3)隧道基底加固、注漿加固墻體的物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)復(fù)合地基設(shè)計(jì)理論及相關(guān)資料綜合確定，其等效彈性模量可用式(1)計(jì)算：

按照彈性力學(xué)理論，彈性模量與壓縮模量間存在關(guān)系：

(1)

式中，E為彈性模量，EP為壓縮模量，μ為泊松比。

若已知復(fù)合地基壓縮模量與泊松比，便可依據(jù)式(1)求出復(fù)合地基彈性模量。根據(jù)變形一致原則，采用《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于旋噴樁復(fù)合地基壓縮模量計(jì)算式(2)可得：

EPc=m·EPi+(1-m)·EP0

(2)

式中，EPc為旋噴樁復(fù)合地基壓縮模量，EPi為旋噴樁壓縮模量，EP0為土體壓縮模量，m為樁置換率[2]。

將式(1)代入式(2)便可推出復(fù)合地基彈性模量的計(jì)算式(3)：

(3)

式中，Ec為旋噴樁復(fù)合地基彈性模量，μc為復(fù)合地基泊松比[2]。

在考慮土體彈性模量為30 MPa，旋噴樁間距為1.5 m×1.5 m，2 m×2 m，3 m×3 m梅花形布置(對應(yīng)樁置換率為0.349,0.196,0.087)的情況進(jìn)行組合[3-4]，得到不同工況下的復(fù)合地基彈性模量，如表3所示。

表3 不同工況下復(fù)合地基彈性模量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)土體彈性模量為30 MPa，旋噴樁間距3 m×3 m梅花形布置，地基彈性模量從偏安全角度考慮取Ec=1 000 MPa。

(4)為計(jì)算簡便，在隧道的數(shù)值分析中,一般將鋼拱架通過剛度等效的方法考慮,即直接換算到橫隔墻中。其彈性模量按式(4)計(jì)算：

(4)

式中，E為等效后初期支護(hù)的彈性模量，Ec為噴射混凝土彈性模量，Eg為鋼拱架彈性模量，Sc為噴射混凝土截面積，Sg為鋼拱架截面積[5]。

(5)鎖腳錨桿、二襯的物理力學(xué)參數(shù)按規(guī)范取值得到。

本次計(jì)算通過改變左、右洞施工順序，建立3種計(jì)算情況：①先開挖右洞再開挖左洞；②先開挖左洞再開挖右洞；③左右隧道同時開挖。其中，計(jì)算中的右洞是指為埋深略淺一側(cè)的隧道，左洞為埋深略深一側(cè)的隧道。

2.3 位移和受力評價標(biāo)準(zhǔn)

目前，初期支護(hù)多采用工程類比方式確定其支護(hù)參數(shù)。由于本次計(jì)算施工工序復(fù)雜，包括兩層初支，還有中隔墻及臨時仰拱、鎖腳錨桿等，引起支護(hù)受力多次轉(zhuǎn)換，且在節(jié)點(diǎn)處存在受力集中現(xiàn)象。通過軸力、彎矩和剪力計(jì)算安全系數(shù)來評價初支體系的安全性，可靠性不高。因此，本次依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》[6]，采用極限相對位移作為評價標(biāo)準(zhǔn)。本隧道開挖跨度超過12 m，且為土層隧道，規(guī)程中尚未有相關(guān)建議值。為此，借鑒大跨度黃土隧道極限相對位移標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。取拱頂相對下沉0.55%～0.8%作為極限相對位移，換算極限相對位移約為55～80 mm。

表4 跨度12 m

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 隧道變形及結(jié)構(gòu)受力

采用不同開挖順序時，隧道拱頂沉降、水平收斂及地表變形結(jié)果見表5。不同開挖順序下，C25噴層(包括噴層1和噴層2)和鋼架(包括鋼架1和鋼架2)受力情況見表6、表7。需要說明的是，對于噴層1和噴層2、鋼架1和鋼架2均是分開建模，表中計(jì)算結(jié)果均是指兩層中的最大值。

表5 隧道圍巖變形統(tǒng)計(jì) mm

表6 隧道初期支護(hù)噴層內(nèi)力最大值統(tǒng)計(jì) mm

表7 隧道初期支護(hù)鋼架內(nèi)力最大值統(tǒng)計(jì) mm

從表中結(jié)果可看出，采用先右后左、先左后右、左右同步3種不同開挖順序下隧道的拱頂沉降最大值均發(fā)生在左洞拱頂，分別為55、57、57 mm。洞內(nèi)水平收斂最大值均發(fā)生在右洞，分別為25、39、52 mm。從變形量值看，先右后左的方式略小，但3種開挖方式下的隧道拱頂沉降及水平收斂均相差較小。

從噴層和鋼架內(nèi)力看，采用先右后左、先左后右、左右同步3種不同開挖順序下隧道噴層及鋼架內(nèi)力最大值均發(fā)生在左洞。從彎矩大小來看，3種開挖方式下的最大彎矩值相差在10%以內(nèi)。

3.2 隧道圍巖變形及塑性區(qū)分布

不同計(jì)算條件下隧道圍巖變形及塑性區(qū)分布分別見圖2、圖3和圖4。從塑性區(qū)分布看，先右后左時的隧道塑性區(qū)范圍略小于其他2種情況。

(a)左洞

(a)左洞

(a)左洞

(a)左洞 (b)右洞(1)先右后左開挖

(1)先右后左開挖

4 結(jié)論

(1)依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，先右后左(先淺后深)、先左后右(先深后淺)和同步開挖3種開挖順序，其圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力相差較小。由于采用的巖土本構(gòu)模型為M-C模型，難以反映應(yīng)力路徑的影響以及加卸載的區(qū)別。而施工順序的模擬，其實(shí)質(zhì)是應(yīng)力路徑的變換，雖然有些能反映應(yīng)力路徑的本構(gòu)模型，但計(jì)算參數(shù)較多，參數(shù)確定較為困難，從而引起3種開挖順序下，其受力變形差別較小。從隧道圍巖塑性區(qū)分布看，先左后右的開挖方式，圍巖塑性區(qū)范圍相對較小。

(2)由于本項(xiàng)目是小凈距偏壓隧道，先右后左(先淺后深)在右洞形成時，會有壓力拱效應(yīng)，能夠?qū)ψ蠖刺峁?個拱角推力，從而使其結(jié)構(gòu)受力更加安全、可靠。

(3)實(shí)際施工采用何種開挖順序，還需要參考類似隧道案例，依據(jù)工程類比，建議采用先較淺埋一側(cè)開挖方法。