淺埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)效應(yīng)模擬分析

陳佐洪 白乾本 牟明俊 陳 強(qiáng)

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100070）

0 前言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國高速公路建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大。高速公路多處于山嶺地區(qū)，經(jīng)常會(huì)穿越小型坡體的淺埋偏壓隧道，是山嶺隧道中常見的一種隧道類型。由于淺埋偏壓隧道圍巖分布?jí)毫O為復(fù)雜，這就導(dǎo)致雙洞或單洞隧道的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布不均勻，因此在隧道施工中容易出現(xiàn)山體開裂、襯砌開裂等問題，大大增加施工難度和工程成本。

國內(nèi)很多學(xué)者對(duì)具有淺埋、偏壓、小凈距等特征的隧道進(jìn)行研究，例如王春國[1]采用 FLAC3D 有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件對(duì)小凈距隧道施工中的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律和施工方法進(jìn)行分析；黎成[2]利用FLAC3D系統(tǒng)對(duì)小凈距隧道施工階段受力變化進(jìn)行了分析；劉正剛等[3]對(duì)淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力進(jìn)行探討，并分析不同斜坡坡度、不同埋深、不同凈距對(duì)圍巖壓力的影響。這些研究分別對(duì)淺埋偏壓小凈距隧道淺埋、偏壓以及小凈距等特征進(jìn)行分析，但是對(duì)隧道施工中的襯砌開裂、巖體開裂等問題研究較少。

因此，該文依托某淺埋偏壓小凈距段隧道施工，采用有限差分軟件，對(duì)該類型的淺埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了模擬分析。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

擬建隧道穿越山嶺地區(qū)而建設(shè)，隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，呈南東～北西向。左洞起止里程樁號(hào)為ZK11K84+175～ZK11K85+263，設(shè)計(jì)長度1088 m，進(jìn)、出口隧道路面設(shè)計(jì)高程分別為120.32 m、138.63 m，最大埋深約125.5 m；隧道右洞起止里程樁號(hào)為K84+178～K85+241，設(shè)計(jì)長度1063 m，進(jìn)、出口隧道路面設(shè)計(jì)高程分別為120.32 m、138.09 m，中心最大埋深約133.2 m；為分離式長隧道。

隧道凈空為14.75m×5.00m，左右洞之間的凈距約為9.70m，為淺埋偏壓小凈距隧道。隧道的圍巖性質(zhì)較差，均為Ⅴ級(jí)圍巖，且因?yàn)樽笥叶粗g凈距較小，導(dǎo)致后開挖的隧道對(duì)先行開挖的隧道存在很大影響，增加了隧道施工難度。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 水文條件

擬建隧道區(qū)域地表水體不發(fā)育，主要為溝谷洼地雨季匯水，水量受大氣降水補(bǔ)給影響，洞身段基巖由細(xì)砂巖等構(gòu)成，屬相對(duì)隔水層，但遇節(jié)理裂隙發(fā)育等破碎帶聯(lián)通地下裂隙，對(duì)隧道洞身施工有影響。地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，其中松散巖類孔隙水主要接受大氣降雨垂直分散滲入補(bǔ)給，其次是基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，水量有限且動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定，受季節(jié)性影響比較明顯；基巖裂隙水則主要接受大氣降雨垂直分散滲入補(bǔ)給，其次是松散巖類孔隙水滲入補(bǔ)給，具有徑流途徑短、水力坡度大、受季節(jié)影響明顯等特點(diǎn)。這就導(dǎo)致隧道區(qū)地下水較為豐富，對(duì)隧道的施工影響較大。

1.2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及工程物探等結(jié)果顯示，擬建隧址區(qū)地層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，上覆為第四系殘坡積（Q4el+dl）粉質(zhì)黏土、碎石等，下伏為寒武系水口群中亞群（∈sh2）細(xì)砂巖、頁巖。節(jié)理裂隙較為發(fā)育，偶見炭質(zhì)頁巖夾層，層間結(jié)合較差，粉質(zhì)黏土容易引起淺層滑動(dòng)問題，砂巖和頁巖對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力影響較大。

2 偏壓小凈距隧道施工方法

受擬建隧道地形條件、地質(zhì)條件的影響，隧道出現(xiàn)嚴(yán)重的偏壓情況。為控制山體滑動(dòng)、減小襯砌結(jié)構(gòu)受力，采取多種工程措施。為保障擬建隧道施工安全，減小襯砌結(jié)構(gòu)受力，在隧道施工中采取預(yù)應(yīng)力錨索加固山體、低預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿加強(qiáng)支護(hù)以及小導(dǎo)管環(huán)向注漿加固的措施。

具體施工方法如下：1）分別在左線和右線隧道的右側(cè)設(shè)置偏壓耳墻。2）針對(duì)山體變形情況，采用預(yù)應(yīng)力錨索加固山體。3）采用φ25mm的低預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿對(duì)中間巖柱進(jìn)行加固，以增強(qiáng)中間巖柱的結(jié)構(gòu)受力。4）采用φ42mm×4mm小導(dǎo)管對(duì)隧道拱部軟弱圍巖以及松散、無黏結(jié)土層、自穩(wěn)能力差的砂層進(jìn)行環(huán)向注漿加固[5]。5）對(duì)左右線隧道之間的巖柱采用鋼花管進(jìn)行注漿加固。此外，為防止淺層滑坡，在右洞的洞頂設(shè)置植草防護(hù)。

擬建隧道設(shè)計(jì)為左線先行開挖，待左線洞身襯砌強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后，再從右線出口開始采用預(yù)留核心土法進(jìn)行開挖，開挖循環(huán)進(jìn)尺小于1 m，施工工序如圖1所示。

圖1 預(yù)留核心土法施工工序

3 力學(xué)數(shù)值模擬方法

3.1 選擇計(jì)算參數(shù)

根據(jù)擬建隧道工程的勘察資料以及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到模型中不同地層和支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 不同地層和支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)

3.2 建立數(shù)值模型

為了直觀地模擬擬建隧道的地質(zhì)以及實(shí)際開挖情況，采用摩爾庫侖分析模型對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行分析，并采用彈性模型，由此可知，隧道支護(hù)[4]模型的最上層為粉質(zhì)黏土，中間層為砂巖，最下層為中風(fēng)化頁巖，隧道斷面寬度B=15.4 m，洞高H=10.85 m，兩隧道凈距L=9.7 m，隧道偏壓為15°，所建三維數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 擬建隧道三維數(shù)值計(jì)算模型

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

以隧道左線ZK11K84+75處和ZK11K84+155兩處為例，拱頂沉降隨開挖步變化數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線圖如圖3和圖4所示。

從圖3、圖4曲線的趨勢(shì)可以看出，隧道左線兩處拱頂沉降變化的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本一致，都是在掌子面開挖接近監(jiān)測(cè)儀器時(shí)，拱頂沉降的變化量增大，隨著掌子面開挖越來越遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)儀器，拱頂沉降的曲線逐漸趨于平穩(wěn)。

圖3 隧道左線 ZK11K84+75拱頂沉降隨開挖步變化曲線

圖4 隧道左線 ZK11K84+155拱頂沉降隨開挖步變化曲線

4 結(jié)果分析

4.1 應(yīng)變分析

4.1.1 地表沉降

在隧道中心線左右兩側(cè)分別設(shè)置10個(gè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)結(jié)果曲線圖如圖5所示。

從圖5曲線變化趨勢(shì)可以看出，在隧道開挖過程中，右線地表沉降變化幅度要遠(yuǎn)大于左線，且隨著右線開挖撐子面越接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地表沉降變化幅度越大，逐漸形成“W”形狀。當(dāng)左洞開挖完成后，監(jiān)測(cè)到左右洞正上方地表沉降分別為3.4mm、2.2mm；當(dāng)右洞開挖完成后，監(jiān)測(cè)到左右洞正上方地表沉降分別為7.0mm、6.6mm。由上述地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，右洞開挖引起左洞正上方的地表沉降變化量占左洞正上方的地表沉降總變化量的67%，由此可見，后行開挖的右洞對(duì)先行開挖左洞的地表沉降有較大影響。

圖5 地表沉降變化曲線圖

4.1.2 隧道沉降

待隧道開挖完成后，總體觀察發(fā)現(xiàn)右線隧道略向右傾斜，其原因是先行左線隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)后行右線隧道的開挖起到一定的穩(wěn)定作用。當(dāng)左線開挖完成后，監(jiān)測(cè)到左右線正上方地表沉降分別為2.71mm、1.93mm，左右線拱頂沉降分別為6.02mm、0.45mm；當(dāng)右線開挖完成后，監(jiān)測(cè)到左右線正上方地表沉降分別為5.21mm、5.72mm，左右線拱頂沉降分別為8.16mm、9.32mm，沉降數(shù)值均在隧道施工的允許沉降范圍以內(nèi)。從隧道沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，由右線開挖引起的左線正上方地表沉降變化量約占總變化量的66%，由右線開挖引起的左線拱頂沉降變化量約占總變化量的55%。由此可見，后行開挖的右線第先行開挖的左線正上方地表沉降和拱頂沉降影響都比較大，但是右線開挖對(duì)左線地表沉降的影響要遠(yuǎn)大于對(duì)左線拱頂?shù)挠绊懀霈F(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在右線開挖時(shí)，地表未采取任何工程措施，而拱頂則進(jìn)行了支護(hù)施工。

4.2 應(yīng)力分析

在應(yīng)力模擬分析中，選取隧道特征部位的主應(yīng)力最值進(jìn)行分析，具體分析結(jié)果見表2。

從表2相關(guān)數(shù)據(jù)中可以得到以下應(yīng)力分析結(jié)論：1）隨著左線隧道的開挖，圍巖的應(yīng)力場(chǎng)重分布，兩線隧道拱腰、拱頂以及夾巖處的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均出現(xiàn)了大幅度增加。例如，左線拱腰主應(yīng)力最大值由開挖前的0.68MPa增加到右線開挖完成后的1.20 MPa；與此同時(shí)，受隧道偏壓的影響，左線拱腰、拱頂?shù)闹鲬?yīng)力均略大于右線。2）隨著右線隧道的開挖，夾巖的豎向主應(yīng)力在不斷增大，增大到1.70MPa，略大于左線開挖完成后的主應(yīng)力，由此可以看出，先行開挖左線隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)后行開挖的右線隧道也起到一定的穩(wěn)定作用，最大主應(yīng)力1.70 MPa小于巖石的最低抗拉強(qiáng)度2.0 MPa，因此不會(huì)造成破壞。3）在隧道開挖過程中，左線隧道拱腰的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均出現(xiàn)了小幅度的增加，由此可見，由于左右線隧道的開挖造成的應(yīng)力重分布，左右線隧道的拱頂和拱腰處的主應(yīng)力呈增加趨勢(shì)，隨之也會(huì)增加隧道襯砌結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力，進(jìn)而增加左右線隧道間夾巖的主應(yīng)力和剪應(yīng)力，最終導(dǎo)致左右線隧道拱腰處應(yīng)力比較集中。

表2 隧道特征部位的主應(yīng)力最值 （單位：MPa）

4.3 受力分析

在受力模擬分析中，選取隧道襯砌結(jié)構(gòu)特征部位的彎矩和軸力進(jìn)行分析，見表3。

表3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)特征部位的彎矩和軸力

從表3的相關(guān)數(shù)據(jù)中可以得到以下結(jié)論：1）隨著左線隧道的開挖，圍巖的應(yīng)力場(chǎng)重分布，左線隧道拱腰和拱頂處的彎矩和軸力均出現(xiàn)了大幅度增加，且因?yàn)橛揖€隧道的拱腰更靠近左線隧道，所以在左線隧道開挖過程中對(duì)右線拱腰的影響要大于拱頂，但受力相對(duì)較小。2）隨著右線隧道的開挖，左線隧道拱腰和拱頂?shù)膹澗睾洼S力大幅度增加增加，如左線隧道拱腰的彎矩增幅達(dá)到了41%，左線隧道拱頂?shù)膹澗卦龇_(dá)到了22%；左線隧道拱腰的軸力增幅為3.6%，左線隧道拱頂?shù)妮S力增幅為6.8%，通過計(jì)算可知，左線隧道軸力的變化量要小于彎矩的變化量。由此可見，右線隧道的開挖對(duì)左線隧道彎矩的影響大于軸力的影響。3）受隧道偏壓和左線先行開挖的影響，左線隧道拱腰、拱頂?shù)氖芰η闆r均大于右線，因此在開挖施工中要加強(qiáng)左線相關(guān)部位的監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取相應(yīng)的加固措施。

5 結(jié)論

該文采用有限差分軟件建立數(shù)值模型，對(duì)以某淺埋偏壓小凈距段隧道施工工程為背景的淺埋偏壓小凈距隧道在施工擾動(dòng)下的力學(xué)行為進(jìn)行了分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)模型數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：1）在隧道偏壓的影響下，左線隧道的沉降、應(yīng)力和受力等情況均比右線隧道的大，因此在隧道開挖施工中要加強(qiáng)對(duì)左線隧道的監(jiān)測(cè)。2）在隧道開挖后，左右線隧道拱腰、拱頂以及夾巖的主應(yīng)力均出現(xiàn)了大幅度增加，導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)和夾巖的剪應(yīng)力也增大了，最終表現(xiàn)為左右線隧道拱腰處應(yīng)力集中。3）與左線隧道軸力的變化量相比，右線隧道的開挖對(duì)左線隧道彎矩的影響大于軸力的影響。