多孔小凈距隧道巖土體變形機(jī)理研究

池春生，張財(cái)強(qiáng)，張 帆

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350004)

1 概述

小凈距隧道的特點(diǎn)是中間巖柱較薄，兩洞的凈距比較小，施工時(shí)容易相互影響，因此對(duì)于較長(zhǎng)隧道一般不采用。一般只有當(dāng)相鄰兩洞凈距超過(guò)各自的影響寬度之后，隧道之間的施工才會(huì)互不影響、互相獨(dú)立[1]。根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，雙洞隧道最小凈距不宜小于(1.0～4.0)B，不同圍巖等級(jí)有不同的最小凈距的要求，如果兩個(gè)隧道之間的距離小于規(guī)范規(guī)定的距離，就認(rèn)為兩隧道是小凈距隧道。

目前，在小凈距隧道的設(shè)計(jì)、施工研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了一些研究工作，但都主要集中在兩個(gè)隧道之間的理論推導(dǎo)[3-7]、數(shù)值分析[8-10]與實(shí)際監(jiān)測(cè)[11]中，對(duì)于多孔小凈距，且隧道形狀大小不盡相同的隧道群研究較少，JTG/T D70—2010公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[12]記錄了小凈距隧道的圍巖壓力的計(jì)算結(jié)果，但其主要針對(duì)兩個(gè)形狀大小相同的隧道同時(shí)開(kāi)挖的情況，并且缺少對(duì)多孔小凈距隧道在先后開(kāi)挖過(guò)程中的位移變形和塑性區(qū)發(fā)展的描述。由此可見(jiàn)，在多孔小凈距隧道方面還未形成一套較為完整、實(shí)用的設(shè)計(jì)方法、施工方案以及配套技術(shù)。

結(jié)合福建平潭隧道工程項(xiàng)目開(kāi)展研究，通過(guò)深入分析開(kāi)挖過(guò)程中圍巖位移及塑性區(qū)發(fā)展，可以給實(shí)際施工過(guò)程一些良好的建議。

2 工程背景

龍興嶺五洞小凈距隧道，分別為兩個(gè)機(jī)動(dòng)車道，兩個(gè)非機(jī)動(dòng)車道，一個(gè)電力隧道。隧道總長(zhǎng)為500 m，隧道長(zhǎng)度占路線總長(zhǎng)的21.98%。隧道斷面圖如圖1所示。

隧道進(jìn)洞口處地形較為平緩，隧道洞身圍巖為全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中～微風(fēng)化花崗巖，裂隙發(fā)育，巖體破碎；開(kāi)挖中地下水多以點(diǎn)滴狀或淋雨?duì)畛雎?，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)～Ⅵ級(jí)。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算內(nèi)容

本次計(jì)算所采用的軟件是曙光有限元軟件，通過(guò)將所有工序依次模擬，得出每種工況下的位移和塑性區(qū)發(fā)展情況，分析研究其變化規(guī)律。根據(jù)龍興嶺隧道地質(zhì)縱剖面圖，選取具有代表性的機(jī)動(dòng)車道最大埋深的斷面進(jìn)行模擬。

3.2 施工工法及工序

計(jì)算涉及五條隧道，參考龍興嶺隧道設(shè)計(jì)資料，機(jī)動(dòng)車道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，非機(jī)動(dòng)車道采用CD法施工，電力隧道全斷面開(kāi)挖。五條隧道的開(kāi)挖示意圖見(jiàn)圖2。

為方便之后的敘述，將五條隧道分別進(jìn)行編號(hào)，從A至E分別代表非機(jī)動(dòng)車道、機(jī)動(dòng)車道以及電力隧道。各個(gè)隧道的不同開(kāi)挖部分也做編號(hào)如圖2所示，隧道編號(hào)再加開(kāi)挖截面編號(hào)可以表示該開(kāi)挖截面，例如A1代表左側(cè)非機(jī)動(dòng)車道右側(cè)上臺(tái)階開(kāi)挖塊。

每次開(kāi)挖完一個(gè)截面后下一個(gè)施工步便進(jìn)行該截面的初期支護(hù)施作，初期支護(hù)包括噴射混凝土、鋼拱架或鋼格柵以及錨桿。待隧道整個(gè)斷面全部開(kāi)挖完成以后下一個(gè)施工步便進(jìn)行該隧道斷面的二襯施作。另外，參考龍興嶺隧道設(shè)計(jì)資料，開(kāi)挖順序?yàn)锳洞與D洞同時(shí)開(kāi)挖，而后C洞開(kāi)挖，而后B洞開(kāi)挖，最后進(jìn)行E洞的開(kāi)挖?；诖?，將龍興嶺小凈距隧道群開(kāi)挖的施工工序分成33個(gè)施工步，如表1，表2所示。

表1 各施工步施工過(guò)程(一)

表2 各施工步施工過(guò)程(二)

3.3 計(jì)算參數(shù)

圍巖參數(shù)采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系和摩爾庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，用各向同性的平面材料單元進(jìn)行模擬；隧道襯砌材料采用線彈性材料，用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；錨桿材料采用桿單元進(jìn)行模擬。

隧道初期支護(hù)包括噴射混凝土、鋼拱架或鋼格柵以及錨桿。鋼拱架及鋼格柵的作用應(yīng)用等效方法進(jìn)行考慮[13]，即將鋼拱架或鋼格柵的彈性模量等效折算給混凝土，其計(jì)算方法為：

E=E0+SgEg/Sc

(1)

其中，E為折算后混凝土彈性模量；E0為原混凝土彈性模量；Sg為鋼拱架截面積；Eg為鋼材彈性模量；Sc為混凝土截面積。

隧道周邊圍巖破碎，為Ⅴ級(jí)圍巖，地層巖土體成分自上而下依次是有坡積粉質(zhì)黏土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、中風(fēng)化凝灰熔巖以及微風(fēng)化凝灰熔巖。參考隧道地勘資料，各巖土層采用的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示，初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)及二襯物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4，表5。

表3 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

表4 各隧道錨桿物理力學(xué)參數(shù)

表5 各隧道襯砌及臨時(shí)支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

3.4 計(jì)算模型

計(jì)算采用二維有限元進(jìn)行模擬，模型的縱向長(zhǎng)度以每延米進(jìn)行考慮。模型在隧道群水平方向左右各取60 m(約為機(jī)動(dòng)車道隧道斷面最大寬度的4倍)，模型在豎直方向上下各取實(shí)際隧道埋深尺寸，約為27.5 m。模型設(shè)定隧道底部有水平和垂直方向約束，兩側(cè)有水平方向約束無(wú)垂直方向約束。全部開(kāi)挖完成以后的最終計(jì)算模型如圖3所示。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 塑性區(qū)分析

從全部33個(gè)施工步中，選擇了一些有代表性的塑性區(qū)分布圖如圖4～圖7所示。

從圖4可以看出，即在非機(jī)動(dòng)車道的開(kāi)挖過(guò)程中，塑性區(qū)伴隨著非機(jī)動(dòng)車道每個(gè)臺(tái)階的開(kāi)挖以及初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)的施作而不斷變化。在每個(gè)臺(tái)階的開(kāi)挖完成后，塑性區(qū)主要集中分布在該臺(tái)階的拱腳及拱腰處，分布范圍較小。在將臨時(shí)支護(hù)拆除以及施作二次襯砌以后，整個(gè)非機(jī)動(dòng)車道隧道形成一個(gè)整體，受力性能較好，塑性區(qū)主要分布在非機(jī)動(dòng)車道的拱腳及拱腰處，且分布范圍較小，圍巖較為穩(wěn)定，襯砌支護(hù)安全。

從圖5可以看出，即在右機(jī)動(dòng)車道的開(kāi)挖過(guò)程中，左側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖完以后導(dǎo)坑右側(cè)產(chǎn)生了一定范圍的塑性區(qū)，同理右側(cè)導(dǎo)坑也在開(kāi)挖完成以后在導(dǎo)坑左側(cè)產(chǎn)生較大塑性區(qū)，由于左右導(dǎo)坑間距較小，塑性區(qū)完全貫通，兩個(gè)導(dǎo)坑中間的圍巖大范圍出現(xiàn)屈服，圍巖變形較大，中間圍巖極為不穩(wěn)定。待將臨時(shí)支護(hù)拆除以及施作二次襯砌以后，隧道周邊圍巖塑性區(qū)分布較小，主要集中在拱腳處，兩側(cè)拱腳呈一個(gè)向外凸出的三角形形狀，整體來(lái)說(shuō)，分布區(qū)域不大，圍巖較安全，圍巖支護(hù)較為穩(wěn)定。另外，可以看出，雖然右側(cè)機(jī)動(dòng)車道與右側(cè)非機(jī)動(dòng)車道距離較近，但右側(cè)機(jī)動(dòng)車道的開(kāi)挖對(duì)右側(cè)非機(jī)動(dòng)車道塑性區(qū)的發(fā)展基本沒(méi)有影響，右側(cè)非機(jī)動(dòng)車道塑性區(qū)分布情況與其剛開(kāi)挖完成后的塑性區(qū)分布情況基本一致。

從圖6可以看出，即在左機(jī)動(dòng)車道的開(kāi)挖過(guò)程中，與右機(jī)動(dòng)車道類似，在機(jī)動(dòng)車道左右導(dǎo)坑中間產(chǎn)生較大塑性區(qū)，且塑性區(qū)連通，圍巖極為不穩(wěn)定。二襯施作完成以后，塑性區(qū)主要集中分布在拱腳處，拱腳呈一個(gè)向外凸出的三角形形狀，整體來(lái)說(shuō)，分布區(qū)域不大，圍巖較安全。另外，可以看出，左側(cè)機(jī)動(dòng)車道的開(kāi)挖對(duì)左側(cè)非機(jī)動(dòng)車道的塑性區(qū)發(fā)展基本沒(méi)有影響，但使得右側(cè)機(jī)動(dòng)車道的塑性區(qū)分布區(qū)域增大，右側(cè)機(jī)動(dòng)車道的拱腰處開(kāi)始產(chǎn)生塑性區(qū)，拱腳處的三角形塑性區(qū)面積也相應(yīng)增大。

從圖7可以看出，即在電力隧道的開(kāi)挖過(guò)程中，電力隧道周邊圍巖基本無(wú)塑性區(qū)產(chǎn)生，圍巖較為穩(wěn)定，電力隧道的開(kāi)挖也對(duì)相鄰的右側(cè)非機(jī)動(dòng)車道的塑性區(qū)發(fā)展基本沒(méi)有影響。

4.2 圍巖變形分析

最終五洞隧道群的數(shù)值計(jì)算圍巖變形結(jié)果見(jiàn)圖8。

從圍巖變形結(jié)果可以看出，開(kāi)挖完成后圍巖的最大變形量在2.4 cm左右，另外，在淺埋工況下，隧道開(kāi)挖引起的“卸載效應(yīng)”不容忽視，特別是在多孔隧道開(kāi)挖時(shí)，隧道群拱底會(huì)形成較大的底板隆起。從整體的變形結(jié)果可以看出，隧道周邊的圍巖變形主要是拱頂沉降和拱底回隆，因此在五個(gè)隧道每個(gè)隧道的拱頂和拱底都設(shè)置特征點(diǎn)，提取其變形量，考察在特殊位置上的隧道變形量。

1)非機(jī)動(dòng)車道位移分析。

作出非機(jī)動(dòng)車道拱頂及拱底位移變化圖見(jiàn)圖9。

從圖9可以看出，在左側(cè)非機(jī)動(dòng)車道的開(kāi)挖過(guò)程中，其拱頂位移逐漸增大；右側(cè)機(jī)動(dòng)車道與其距離較遠(yuǎn)，故右側(cè)機(jī)動(dòng)車道的開(kāi)挖對(duì)左側(cè)非機(jī)動(dòng)車道的拱頂位移基本沒(méi)有影響，在右側(cè)機(jī)動(dòng)車道的開(kāi)挖過(guò)程中，左側(cè)非機(jī)動(dòng)車道拱頂位移保持穩(wěn)定；而后，由于左側(cè)機(jī)動(dòng)車道與左側(cè)非機(jī)動(dòng)車道相距較近，故在左側(cè)機(jī)動(dòng)車道的開(kāi)挖過(guò)程中，左側(cè)非機(jī)動(dòng)車道拱頂位移略微增大，并最終達(dá)到最大值。

左側(cè)非機(jī)動(dòng)車道的拱底隆起伴隨著其自身的開(kāi)挖而不斷增大，而后其變形一直穩(wěn)定在14 mm左右，直到左側(cè)機(jī)動(dòng)車道的中部導(dǎo)坑的開(kāi)挖導(dǎo)致周邊圍巖的沉降，從而使得左側(cè)非機(jī)動(dòng)車道的拱底變形略微減少，而后其拱底變形一直穩(wěn)定在12 mm左右。右側(cè)非機(jī)動(dòng)車道也有類似的變形規(guī)律。

2)機(jī)動(dòng)車道位移分析。

作出機(jī)動(dòng)車道拱頂及拱底位移變化如圖10所示。

從圖10可以看出，機(jī)動(dòng)車道拱頂位移的突變主要發(fā)生在機(jī)動(dòng)車道中部導(dǎo)坑的施工過(guò)程中。另外，左側(cè)機(jī)動(dòng)車道的開(kāi)挖會(huì)使右側(cè)機(jī)動(dòng)車道的拱頂位移略微增大，并最終達(dá)到最大值。

機(jī)動(dòng)車道隧道拱底變形主要是由于其自身隧道的開(kāi)挖引起的。機(jī)動(dòng)車道隧道拱底隆起的變形是在中部導(dǎo)坑的施工過(guò)程中發(fā)生的，中部導(dǎo)坑的施工面積較大，其開(kāi)挖造成應(yīng)力場(chǎng)的重新分布使得洞室周邊圍巖應(yīng)力集中，圍巖性質(zhì)較差，底板圍巖就容易向上隆起。最終機(jī)動(dòng)車道的底板變形穩(wěn)定在24 mm左右。

3)電力隧道位移分析。

作出電力隧道拱頂及拱底位移變化圖如圖11所示。

從圖11可以看出，在五個(gè)隧道的開(kāi)挖過(guò)程中，電力隧道的拱頂和拱底變形較小。在電力隧道開(kāi)挖之前，受到其他四個(gè)隧道的開(kāi)挖擾動(dòng)影響，電力隧道拱頂及拱底位移在1 mm左右上下波動(dòng)。在電力隧道自身開(kāi)挖后，電力隧道拱頂變形穩(wěn)定在3.5 mm左右。

4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析。

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，K0+865位置主洞拱頂沉降為4.8 cm，左右輔洞拱頂最大沉降為3.2 cm。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，隧道在開(kāi)挖并支護(hù)后變形存在一段持續(xù)變化，并逐漸穩(wěn)定的過(guò)程。但數(shù)值計(jì)算僅僅計(jì)算至完成支護(hù)的施工步，對(duì)隧道的持續(xù)變形沒(méi)有涉及。

對(duì)比上述計(jì)算結(jié)果圖可以看出，左右非機(jī)動(dòng)車道的拱頂變形量最終穩(wěn)定在9 mm左右，拱底變形量最終穩(wěn)定在12 mm左右。左右機(jī)動(dòng)車道的拱頂變形量最終穩(wěn)定在18 mm左右，拱底變形量最終穩(wěn)定在24 mm左右。機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道四條隧道的拱頂及拱底變形趨勢(shì)類似，呈“S”形。非機(jī)動(dòng)車道和機(jī)動(dòng)車道的隧道拱頂位移主要與其自身隧道的開(kāi)挖過(guò)程有關(guān)，并在相鄰隧道開(kāi)挖后拱頂位移達(dá)到最大值。非機(jī)動(dòng)車道和機(jī)動(dòng)車道的隧道拱底主要與其自身隧道的開(kāi)挖過(guò)程有關(guān)，并在自身隧道開(kāi)挖完成后達(dá)到最大值，而后相鄰隧道的開(kāi)挖致使周邊圍巖發(fā)生沉降，自身隧道的拱底變形也將略微減少。電力隧道的整體變形都較小。

數(shù)值模擬計(jì)算采用規(guī)范中Ⅴ級(jí)巖石的參數(shù)，但根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，由于隧道埋深較淺，隧道周邊圍巖條件更差，隧道周邊多以土為主，造成數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差距較大。

5 結(jié)論

采用同濟(jì)曙光二維有限元軟件，基于五洞的小凈距隧道群的開(kāi)挖過(guò)程，將其分成33個(gè)施工步并對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，得出以下結(jié)論和建議：

1)當(dāng)機(jī)動(dòng)車道隧道的左右導(dǎo)坑施工完成后，機(jī)動(dòng)車道隧道中部圍巖塑性區(qū)完成貫通，圍巖不穩(wěn)定變性較大。在隧道群全部施工完成后，塑性屈服區(qū)主要分布在機(jī)動(dòng)車道隧道的拱腳處以及非機(jī)動(dòng)車道隧道的側(cè)墻處，但其塑性區(qū)面積較小，發(fā)展范圍有限，圍巖基本穩(wěn)定，襯砌支護(hù)安全。電力隧道基本沒(méi)有塑性區(qū)出現(xiàn)，周邊圍巖較為穩(wěn)定。因此在機(jī)動(dòng)車道隧道的開(kāi)挖過(guò)程中，需要盡快保證初襯的施作，以確保“早封閉”；機(jī)動(dòng)車道隧道的拱腳和非機(jī)動(dòng)車道隧道的側(cè)墻這些部位在施工過(guò)程中應(yīng)該予以重視，并及時(shí)對(duì)其變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2)隧道的拱頂沉降及拱底隆起主要是由自身隧道的開(kāi)挖引起的，非機(jī)動(dòng)車道隧道的變形在其自身隧道的開(kāi)挖過(guò)程中不斷增大，而機(jī)動(dòng)車道隧道的變形主要由其中部導(dǎo)坑的開(kāi)挖引起。機(jī)動(dòng)車道隧道和非機(jī)動(dòng)車道隧道的拱頂、拱底變形情況類似，均呈“S”形，并在最后保持穩(wěn)定。相鄰隧道的開(kāi)挖，容易導(dǎo)致自身隧道的拱頂沉降增大而拱底隆起變形減少，所以拱底變形的最大值出現(xiàn)在自身隧道開(kāi)挖完成后而拱頂變形的最大值出現(xiàn)在相鄰隧道的開(kāi)挖完成后。因此在機(jī)動(dòng)車道隧道進(jìn)行中部導(dǎo)坑的施工時(shí)，要特別注意對(duì)拱頂變形及拱底沉降的監(jiān)測(cè)，初期支護(hù)也應(yīng)及時(shí)封閉。在相鄰隧道的開(kāi)挖時(shí)，拱頂變形會(huì)達(dá)到最大值，也應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。