小凈距隧道錨開(kāi)挖參數(shù)優(yōu)化分析*

鄒典寬 李耘宇 彭瀚賢 吳雁杰

(1.武漢蔡甸經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)投資集團(tuán)有限公司 武漢 430100；2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063； 3.廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州 510220)

鄰近隧道施工時(shí)，對(duì)既有隧道和圍巖結(jié)構(gòu)的影響較為復(fù)雜，需要監(jiān)測(cè)隧道施工是否對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)造成破壞，以及其施工擾動(dòng)是否對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)造成影響[1]。小凈距隧道的施工難點(diǎn)在于中隔巖柱受力狀態(tài)復(fù)雜、難以控制其穩(wěn)定性[2]。合理的凈距是確保中隔巖柱穩(wěn)定性的關(guān)鍵，因此，許多學(xué)者都對(duì)小凈距隧道的開(kāi)挖參數(shù)進(jìn)行了研究，張桂生等[3]提出以隧道中巖墻應(yīng)力突變時(shí)的凈距作為隧道合理凈距的相關(guān)理論；王更峰等[4]通過(guò)計(jì)算分析魁岐雙線八車(chē)道小凈距隧道在采取不同開(kāi)挖方式和不同凈距情況下的相關(guān)參數(shù)，得出V級(jí)圍巖條件下的合理凈距為0.55B(B為隧道寬度，下同)；湯勁松等[5]通過(guò)對(duì)IV級(jí)圍巖地層中茅山東隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，提出將塑性區(qū)的分布作為合理凈距判斷的指標(biāo)之一；張永興等[6]利用強(qiáng)度折減法，提出將安全系數(shù)突變時(shí)的凈距作為合理凈距；龔建武等[7-8]計(jì)算了淺埋小凈距隧道的圍巖壓力特征，得出當(dāng)隧道凈距小于0.5B時(shí)，內(nèi)側(cè)圍巖壓力強(qiáng)烈受到凈距影響的結(jié)論。

本文結(jié)合實(shí)際工程，通過(guò)分析掌子面錯(cuò)距，開(kāi)挖臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中中夾土柱力學(xué)特征、圍巖塑性區(qū)塑性區(qū)、地表沉降等參數(shù)的影響進(jìn)行相關(guān)分析，以期得出能夠有效限制錨洞附近地層沉降、降低圍巖應(yīng)力值、減小中夾土柱區(qū)域受擾動(dòng)程度的較為合理參數(shù)取值。為更好地掌握小凈距隧道錨洞周?chē)鷳?yīng)力分布情況，并及時(shí)有效地對(duì)相對(duì)薄弱區(qū)域設(shè)置支護(hù)，提供相應(yīng)的技術(shù)參考。

1 工程概況

本文以宜昌市伍家崗長(zhǎng)江大橋主橋北側(cè)隧道式錨碇結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，該橋位于湖北省宜昌市，南起點(diǎn)軍區(qū)江城大道，北連伍家崗區(qū)花溪路。伍家崗長(zhǎng)江大橋隧道錨結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 隧道錨結(jié)構(gòu)圖

隧道式錨碇結(jié)構(gòu)位于長(zhǎng)江北岸低丘山體內(nèi)，與最近公路相距40 m，與長(zhǎng)江相距約480 m。主錨塞體呈前小后大的楔形狀，軸線傾角為40°。隧道錨雙洞中心距離37.50 m，最小凈距約21.50 m，結(jié)合小凈距隧道錨洞室變截面、大傾角的特點(diǎn)，實(shí)際工程中選擇臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖，其中，前錨室段斷面較小、圍巖條件較好，采用兩臺(tái)階法開(kāi)挖，其余部分采用三臺(tái)階法開(kāi)挖。

2 建立模型

2.1 計(jì)算模型

利用FLAC3D軟件進(jìn)行建模，充分考慮到開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w擾動(dòng)的影響，選取模型計(jì)算范圍為150 m×140 m×60 m。隧道錨模型示意圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 數(shù)值模型示意圖 圖3 隧道錨模型示意圖

模型共有343 387個(gè)單元，189 267個(gè)結(jié)點(diǎn)。設(shè)置外部網(wǎng)格尺寸為1.2～6 m；精細(xì)化處理隧道錨處網(wǎng)格，尺寸取1～1.2m，并選取摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則作為巖體的本構(gòu)關(guān)系模型。

對(duì)于邊界條件，考慮三維模型地表面自由，底面及四周僅施加法向約束，由于隧道錨大部分屬于淺埋錨洞，因此可以不考慮構(gòu)造應(yīng)力帶來(lái)的影響，僅計(jì)算初始地應(yīng)力。

2.2 圍巖及支護(hù)計(jì)算參數(shù)

隧道錨洞口處巖體質(zhì)量較差，存在強(qiáng)風(fēng)化區(qū)，為V級(jí)圍巖。錨塞體段巖體大部分為IV級(jí)圍巖，少部分為III級(jí)圍巖，相較于V級(jí)圍巖穩(wěn)定性較高且適合錨洞洞室開(kāi)挖。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定錨洞圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

為了較為準(zhǔn)確地控制隧洞開(kāi)挖之后的圍巖變形速率與變形值，在架設(shè)錨桿之外，采取架設(shè)工字鋼鋼拱架、鋪裝鋼筋網(wǎng)、噴射C30混凝土的方式進(jìn)行初期加固。由于超前支護(hù)在效果上相當(dāng)于提升了圍巖穩(wěn)定性，在本文建立的計(jì)算模型中，將大管棚與注漿錨桿的超前支護(hù)作用列入考慮，圍巖參數(shù)超前支護(hù)范圍內(nèi)得到相應(yīng)提高，圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

同時(shí)，為了使計(jì)算更加貼近工程實(shí)際，依據(jù)等效原則并利用式(1)對(duì)鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的支護(hù)作用的彈性模量進(jìn)行換算，且將換算后的模量添加到噴射混凝土中。

式中：E為鋼拱架換算后的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面積；Eg為鋼拱架換算前的彈性模量；Sc為噴射混凝土的截面積。

3 掌子面錯(cuò)距對(duì)錨洞力學(xué)特性的影響

3.1 中夾土柱力學(xué)特性的影響

本次選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，在接近先行洞一側(cè)設(shè)置測(cè)點(diǎn)1，在接近后行洞一側(cè)設(shè)置測(cè)點(diǎn)2，選取測(cè)點(diǎn)3設(shè)置于測(cè)點(diǎn)1、2中心處。4.8 m錯(cuò)距下中夾土柱特征點(diǎn)沉降值沿縱向的變化曲線見(jiàn)圖4，測(cè)點(diǎn)1、2、3對(duì)應(yīng)的沉降曲線變化趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)出先增加再降低最后增加并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

圖4 4.8 m錯(cuò)距下中夾土柱特征點(diǎn)沉降值沿縱向變化曲線圖

再對(duì)比相同縱深位置沉降值，可以看到1號(hào)測(cè)點(diǎn)為三者中的最大值最高可達(dá)3.11 mm，而3號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降值則最小僅為0.91 mm。其原因?yàn)楫?dāng)先后導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖后，錨洞臨空面一側(cè)受到圍巖應(yīng)力，同時(shí)，中夾土柱區(qū)域也受到傳遞而來(lái)的圍巖應(yīng)力作用。而左右導(dǎo)洞傳遞的圍巖應(yīng)力在中夾土柱區(qū)方向相反，導(dǎo)致3號(hào)測(cè)點(diǎn)處部分變形被抵消，這也是3號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降值均小于1 mm的原因。并且，由圖4中可知不同測(cè)點(diǎn)的沉降值在距后行洞掌子面約10 m處迅速減小，均在掌子面前方約6 m處趨于穩(wěn)定。

針對(duì)測(cè)點(diǎn)1，從位移響應(yīng)的角度分析，將掌子面錯(cuò)距分為0，2.4，4.8，7.2，9.6共5組，以距洞口縱向距離為變量研究測(cè)點(diǎn)1沿縱向沉降值的變化規(guī)律，不同錯(cuò)距下測(cè)點(diǎn)1沉降值沿縱向變化曲線圖見(jiàn)圖5。

圖5 不同錯(cuò)距下測(cè)點(diǎn)1沉降值沿縱向變化曲線圖

由圖5可見(jiàn)，1號(hào)測(cè)點(diǎn)的位移響應(yīng)最明顯，是中夾土柱沉降狀況最具代表性的測(cè)點(diǎn)。在錯(cuò)距不同的情況下，測(cè)點(diǎn)1沿縱向沉降曲線變化趨勢(shì)完全一致。當(dāng)錯(cuò)距逐漸增大，沉降值的變化幅值不超過(guò)5.8%。隨著距洞口縱向距離不斷增加，除了錯(cuò)距為0 m之外，在距洞口縱向距離大于50 m處測(cè)點(diǎn)1的沉降值幾乎不產(chǎn)生變化，這一現(xiàn)象也反映出掌子面錯(cuò)距的變化對(duì)于縱深方向測(cè)點(diǎn)1沉降值幾乎不造成影響。

當(dāng)錯(cuò)距為4.8 m時(shí)，中夾土柱特征點(diǎn)Y向位移沿縱向變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 4.8 m錯(cuò)距下中夾土柱特征點(diǎn)Y向位移沿縱向變化曲線圖

由圖6可見(jiàn)，錨洞開(kāi)挖后，靠近先行洞的1號(hào)測(cè)點(diǎn)，附近中夾土柱偏移方向向先行洞一側(cè)(即Y軸負(fù)方向)。而靠近后行洞2號(hào)測(cè)點(diǎn)，附近中夾土柱偏移方向向后行洞一側(cè)。處在中夾土柱中心位置的3號(hào)測(cè)點(diǎn)，其橫向位移在-0.19 mm與0.22 mm之間上下浮動(dòng)，幾乎可以忽略。由此可見(jiàn)中夾土柱區(qū)幾乎不受錨洞開(kāi)挖的影響。

不同錯(cuò)距下2號(hào)測(cè)點(diǎn)Y向位移沿縱向變化曲線圖見(jiàn)圖7。

圖7 不同錯(cuò)距下2號(hào)測(cè)點(diǎn)Y向位移沿縱向變化曲線圖

由圖7可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)1、2的變化曲線沿X軸呈近似對(duì)稱(chēng)分布，且位移值均表現(xiàn)出“減小→增大→再減小”的變化趨勢(shì)。且對(duì)比端點(diǎn)位移值，左端點(diǎn)處2號(hào)測(cè)點(diǎn)位移幅值超過(guò)1號(hào)測(cè)點(diǎn)約1 mm，且據(jù)洞口縱向距離超過(guò)70 m后三者位移值接近統(tǒng)一，可知后行洞洞口位移值大于先行洞洞口處，這是由于軟弱土層對(duì)其影響較大。

由圖7可得，5種錯(cuò)距取值對(duì)Y向位移沿縱向的位移值僅產(chǎn)生極小影響，除錯(cuò)距為0 m之外，曲線變化趨勢(shì)大致相同甚至部分重疊。為減小橫向位移，選取2.4 m或4.8 m錯(cuò)距作為合理掌子面施工錯(cuò)距較為合理。

不同工況下特征點(diǎn)處沉降值及其變化值具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同錯(cuò)距下中夾土柱特征點(diǎn)降值對(duì)比

由表2可見(jiàn)，錯(cuò)距不同情況下，中心線位置的土體沉降值變化率最低僅為1.6%，最高則不超過(guò)3.3%，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。相較而言，靠近錨洞處，距中心線11 m位置土體沉降值較明顯，其變化幅值也相對(duì)更大，最高可達(dá)0.19 mm，可以從中看出中夾土柱區(qū)靠近錨洞一側(cè)在施工擾動(dòng)的影響下沉降值大于中心線位置。

不同錯(cuò)距下中夾土柱沉降值變化曲線見(jiàn)圖8。

圖8 不同錯(cuò)距下中夾土柱沉降值變化曲線圖

由圖8可見(jiàn)，先行洞內(nèi)側(cè)土體沉降值相較于后行洞內(nèi)側(cè)高出約1 mm，且沉降曲線向先行洞內(nèi)側(cè)發(fā)生偏移。當(dāng)掌子面錯(cuò)距不斷增大時(shí)，中夾土柱區(qū)域的沉降值僅發(fā)生輕微的改變。如在距離中心線-11 m處，當(dāng)錯(cuò)距為0 m時(shí)，沉降值為3.68 mm；當(dāng)錯(cuò)距為9.6 m時(shí)，沉降值為4.29 mm，增幅僅為16.5%。綜合以上變化參數(shù)可知，對(duì)于中夾土柱區(qū)域的沉降而言，掌子面錯(cuò)距的影響并不顯著。

3.2 塑性區(qū)發(fā)展的影響

利用數(shù)值軟件分析掌子面錯(cuò)距為0，2.4，4.8，7.2，9.6 m時(shí)塑性區(qū)發(fā)展情況，整理其結(jié)果見(jiàn)表3，另選取掌子面錯(cuò)距為2.4和4.8 m時(shí)隧道錨塑性區(qū)分布情況見(jiàn)圖9。

表3 塑性區(qū)體積計(jì)算結(jié)果

圖9 隧道錨塑性區(qū)分布圖

由表3與圖9可知，選取不同錯(cuò)距情況下，隧道錨中塑性區(qū)的分布基本一致，主要集中在錨塞體后半部分，而右側(cè)塑性區(qū)分布區(qū)域相對(duì)較大是因?yàn)槭艿绞┕さ亩螖_動(dòng)影響。錨塞體部分地層分界線處發(fā)生較大范圍剪切破壞，應(yīng)注意保持這一區(qū)域的錨洞圍巖穩(wěn)定性，及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)?？傮w而言，錯(cuò)距不同對(duì)隧道錨塑性區(qū)體積影響可不予考慮，且不同錯(cuò)距對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)體積之間沒(méi)有明顯聯(lián)系或差別。

4 臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)錨洞力學(xué)特性影響

4.1 拱頂及臨時(shí)仰拱影響

在開(kāi)挖階段，為使圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，需施作初期支護(hù)和臨時(shí)仰拱，為研究拱頂與臨時(shí)仰拱的沉降與變形，同將臺(tái)階長(zhǎng)度分為5組，分別測(cè)定該臺(tái)階長(zhǎng)度下，雙洞拱頂沉降值與仰拱變形值的變化規(guī)律，并將先行洞與后行洞各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

典型斷面處不同臺(tái)階長(zhǎng)度下雙洞拱頂沉降值與仰拱變形值分別見(jiàn)圖10與圖11。

圖10 典型斷面處不同臺(tái)階長(zhǎng)度下雙洞拱頂沉降值

圖11 典型斷面處不同臺(tái)階長(zhǎng)度下仰拱變形值

由圖10、11可知，拱頂沉降值與仰拱變形值都隨臺(tái)階長(zhǎng)度的增加而有所增大，且二者的變化幅度基本保持一致。臺(tái)階長(zhǎng)度由2.5 m增大至20 m過(guò)程中，拱頂沉降值變化率僅為2.05%，仰拱變形值變化率僅為0.81%。

綜合雙洞拱頂沉降值與仰拱變形值可知，臺(tái)階長(zhǎng)度越長(zhǎng)，先行洞與后行洞豎向收斂也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這也說(shuō)明豎向上洞室向內(nèi)部收斂趨勢(shì)越強(qiáng)烈。

4.2 橫向收斂的影響

以上述分組對(duì)典型斷面處洞身收斂值進(jìn)行測(cè)定，得到結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 典型斷面處不同臺(tái)階長(zhǎng)度下洞身橫向收斂值

由圖12可見(jiàn)，臺(tái)階長(zhǎng)度從2.5 m增加到20 m，先行洞洞身收斂值相應(yīng)地由5.48 mm增加到5.59 mm，增幅達(dá)到2.0%。由此可說(shuō)明增加臺(tái)階的長(zhǎng)度，會(huì)引起先行洞與后行洞二者洞身收斂值增大，并使得洞周?chē)鷰r向內(nèi)部變形呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

雖然臺(tái)階長(zhǎng)度越小，對(duì)地表沉降、橫向及豎向收斂造成的影響越小，但當(dāng)進(jìn)行實(shí)際施工時(shí)，必須考慮施工環(huán)境的因素。若采用較小的臺(tái)階長(zhǎng)度，會(huì)導(dǎo)致施工中的互相干擾增強(qiáng)，同時(shí)工人及機(jī)車(chē)設(shè)備的作業(yè)空間也會(huì)相應(yīng)減少，不利于施工安全。為了在施工組織與圍巖穩(wěn)定性控制中找到一個(gè)平衡點(diǎn)，建議選取5 m作為臺(tái)階法開(kāi)挖的臺(tái)階長(zhǎng)度。

5 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬方法，研究并探討了采用三臺(tái)階開(kāi)挖法的小凈距隧道錨施工參數(shù)的合理選擇。并通過(guò)設(shè)置不同掌子面錯(cuò)距、不同臺(tái)階長(zhǎng)度，以對(duì)比這些因素對(duì)錨洞力學(xué)特性的影響規(guī)律，以此得出合理參數(shù)的選取范圍以作為具體組織施工的參照，完善施工方法。

分析以掌子面錯(cuò)距、臺(tái)階長(zhǎng)度為變量進(jìn)行的參數(shù)測(cè)定，得出以下結(jié)論。

1) 掌子面錯(cuò)距對(duì)中夾土柱沉降值的影響規(guī)律呈現(xiàn)出先增加再降低，最后增加并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，先后導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖后，錨洞臨空面一側(cè)受到圍巖應(yīng)力，同時(shí)中夾土柱區(qū)域受到施工擾動(dòng)產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力作用，此時(shí)表現(xiàn)為先行洞處中夾土柱沉降值最高。

2) 中夾土柱區(qū)幾乎不受錨洞開(kāi)挖的影響且掌子面錯(cuò)距對(duì)其影響并不顯著。

3) 不同掌子面錯(cuò)距情況下，隧道錨中塑性區(qū)的分布基本一致，主要集中在錨塞體后半部分。掌子面錯(cuò)距與塑性區(qū)體積并無(wú)具體對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4) 采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，臺(tái)階長(zhǎng)度的縮短有助于洞周?chē)鷰r形成閉環(huán)，從而減少圍巖變形。隨著臺(tái)階長(zhǎng)度增加，地表沉降隨之增大，但地表沉降增幅逐漸減小。

5) 臺(tái)階長(zhǎng)度能加速上洞室向內(nèi)部收斂，并使得洞周?chē)鷰r向內(nèi)部變形呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。