淺埋偏壓隧道超前支護方式比選與非對稱優(yōu)化分析

王永林

(中鐵十七局集團第一工程有限公司 山東青島 266555)

1 引言

山嶺隧道在建設(shè)過程中，由于穿越地表山體，經(jīng)常遇到各種不良地質(zhì)條件，尤其在隧道洞口段，淺埋偏壓的特征會對隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響，開挖過程中極易發(fā)生垮塌。為此，選取合適的超前預(yù)支護方式是十分重要的。

徐前衛(wèi)等[1]針對淺埋偏壓隧道，基于現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬，分析了圍巖變形規(guī)律與支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。岳洪武等[2]采用有限元軟件建立了管棚預(yù)注漿超前支護、僅采用管棚支護以及無任何超前支護作用下的隧道開挖模型，結(jié)果表明管棚預(yù)注漿超前支護的加固效果最好。張廣乾等[3]依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，將雙層注漿小導(dǎo)管與其他超前支護方法進行對比分析，驗證了其在隧道洞口施工中的適用性。劉文武[4]采用數(shù)值手段分析南山堡隧道不同超前支護方案下隧道圍巖、支護結(jié)構(gòu)的變形情況，選出較優(yōu)方案并在此基礎(chǔ)上進行隧道洞口施工措施的優(yōu)化。汪祥國[5]建立二維數(shù)值模型，分析不同抗滑樁長度對淺埋偏壓隧道結(jié)構(gòu)受力變形特性和圍巖的穩(wěn)定性，并對抗滑樁與隧道距離進行優(yōu)化。高世軍等[6]對隧道工程地質(zhì)情況進行綜合分析，認為地形偏壓和地質(zhì)構(gòu)造偏壓的復(fù)合作用是引起地表大變形和支護結(jié)構(gòu)破壞的重要原因。潘文韜等[7]采用現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合數(shù)值模擬手段研究偏壓隧道的適宜工法，并針對偏壓特性對支護結(jié)構(gòu)進行非對稱優(yōu)化，結(jié)果表明偏壓隧道宜采用CD法進行施工，對初期支護與錨桿進行非對稱設(shè)計能改善襯砌受力狀態(tài)。

上述研究中，盡管針對淺埋偏壓隧道的施工力學(xué)特性、施工工法、施工工序、超前支護方式已有較多研究，但由于巖土體的復(fù)雜多變性以及隧道淺埋偏壓程度的不同，隧道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計多針對初期支護進行研究，對超前支護的非對稱優(yōu)化設(shè)計還較少。因此，本文依托永新石橋隧道，對淺埋偏壓隧道的洞口段施工進行三維數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測分析，得出最優(yōu)的超前支護方式，并對其進行非對稱優(yōu)化設(shè)計[8-9]。

2 工程背景

永新石橋隧道為一座分離式隧道，左洞起訖樁號為ZK120+090～ZK121+680，全長1 590 m；右洞起訖樁號為YK120+055～YK121+700，全長1 645 m。

2.1 洞口段地質(zhì)條件

左線隧道洞口段(ZK120+090～ZK120+160)整體位于一低丘山腳，坡度約為20°～30°，地形偏壓明顯。地表覆蓋層厚度較小，隧道與地表最小垂直距離不足6 m。隧道洞口段下伏石炭系下統(tǒng)大塘階(C1d)石灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖、劣質(zhì)煤，入口處石灰?guī)r巖溶發(fā)育，巖體破碎，且洞身多為全強風(fēng)化碎石土質(zhì)圍巖，穩(wěn)定性較差。

2.2 洞口段隧道結(jié)構(gòu)

隧道采用復(fù)合式襯砌，初期支護由系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、濕噴混凝土、工字鋼拱架組成，二次襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，無紡?fù)凉げ?防水板作為防水層，隧道拱部、邊墻預(yù)留變形量12 cm，仰拱不預(yù)留變形量，如圖1所示。

圖1 隧道洞口段襯砌斷面

2.3 洞口段施工工法

為保障進洞安全，隧道洞口段(ZK120+090～ZK120+160)Ⅴ級圍巖擬采用三臺階七步開挖預(yù)留核心土法進行施工。

3 超前支護方式比選

3.1 數(shù)值模擬

3.1.1 計算模型

采用有限差分軟件，對永新石橋隧道洞口段建立數(shù)值模型。模型以斜面代替山體坡度，斜面傾角為25°，縱向長度取為40 m，由于縱向坡度較小，計算中不考慮縱向坡度?？紤]到隧道開挖影響范圍一般在3～5倍洞徑距離內(nèi)，模型橫向尺寸取為80 m，模型最大高度取為60 m，上邊界自由，其他各側(cè)面受法向位移約束。土體材料采取摩爾庫倫本構(gòu)模型，其余材料均采用線彈性模型，所有單元均為實體單元。數(shù)值模擬嚴格按照隧道洞口段施工工法進行開挖，即采用三臺階七步預(yù)留核心土法進行施工[10]，以研究不同超前預(yù)支護方式對淺埋偏壓隧道的適用性。計算模型如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值計算模型

3.1.2 計算工況

選取兩種典型的超前預(yù)支護方式:管棚注漿、雙層超前小導(dǎo)管注漿進行對比研究。管棚直徑108 mm，壁厚6 mm，單節(jié)長6 m，管棚的間距為40 cm，外插角1°～2°，管棚總長度為40 m，在拱頂 120°范圍內(nèi)進行超前預(yù)支護，并進行壓密注漿。

雙層超前小導(dǎo)管直徑為42 mm，壁厚4 mm，小導(dǎo)管長度為4 m，縱向間距為3 m，環(huán)向間距為40 cm，呈梅花形布置。小導(dǎo)管外插角分別為緩傾角10°～14°和陡傾角30°～40°，上下兩層交錯布置，在拱部120°范圍內(nèi)進行超前預(yù)支護，并進行壓密注漿。

3.1.3 測點布置

在模型中心斷面位置處(y＝0)設(shè)立監(jiān)測斷面，監(jiān)測隧道二襯拱頂、拱腰、墻腰、墻腳、拱底共8個位置處的位移大小。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 圍巖變形分析

管棚與雙層小導(dǎo)管預(yù)支護在圍巖變形特征上基本一致，這里以管棚超前預(yù)支護為例，分析淺埋偏壓隧道的圍巖變形特征，圍巖的豎直、水平位移見圖3。

圖3 管棚超前支護下圍巖豎向、水平位移云圖

由圖3可知，淺埋偏壓隧道圍巖變形呈現(xiàn)出非對稱分布[11]，深埋側(cè)的拱頂至右拱腰范圍內(nèi)的圍巖變形量遠大于隧道周邊其他位置處的圍巖變形，左墻腳至拱底范圍內(nèi)的圍巖向上隆起變形量較大，隧道整體有順時針向山頂偏轉(zhuǎn)的趨勢。為進一步對比分析管棚、雙層小導(dǎo)管超前支護對圍巖變形控制的效果，提取了監(jiān)測斷面(y＝0)處拱頂、拱底的豎向變形，左右墻腰的水平收斂隨隧道施工的變化曲線，見圖4。

圖4 周邊圍巖變形曲線

由圖4可知，監(jiān)測斷面處的拱頂沉降隨著掌子面的開挖推進逐漸增大，管棚超前支護下拱頂最大沉降為20.48 mm，雙層小導(dǎo)管超前支護下拱頂最大沉降為28.76 mm，管棚超前支護下的最大拱頂沉降比雙層小導(dǎo)管超前支護減少了27.8%。由于山體偏壓作用，墻腰收斂呈非對稱分布，深埋側(cè)右墻腰水平收斂大于淺埋側(cè)左墻腰水平收斂，兩種超前支護方式下墻腰收斂和拱底隆起值差異不大，原因在于管棚與雙層小導(dǎo)管僅在隧道拱頂局部范圍內(nèi)進行注漿，注漿形成的加固體起到的支承效果難以覆蓋整個隧道開挖區(qū)域，實際施工中還應(yīng)輔以其他加固手段來保障施工安全。

3.2.2 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

偏壓對隧道二襯的內(nèi)力分布有較明顯的影響，二襯內(nèi)表面拱頂至右拱腰范圍、拱底至左墻腳范圍存在較大的拉應(yīng)力。為此，計算監(jiān)測斷面(y＝0)處拱頂、右拱腰、左墻腳、拱底四個測點的軸力、彎矩和安全系數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 二襯彎矩、軸力、安全系數(shù)

由表1可知，拱頂、拱底的受力相比拱腰、墻腳位置處更大，兩種超前支護方式下左墻腳的安全系數(shù)均為最小，為襯砌結(jié)構(gòu)受力最不利位置[12]。管棚超前支護下的最小安全系數(shù)為2.81，雙層小導(dǎo)管超前支護下的最小安全系數(shù)為2.88，兩者相差不大且都滿足規(guī)范要求。

3.3 現(xiàn)場實測分析

現(xiàn)場受施工質(zhì)量和施工環(huán)境多變的影響，存在許多不可控因素，單純的數(shù)值模擬結(jié)果不能準確分析隧道施工過程中圍巖、支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。現(xiàn)場施工采用管棚注漿作為超前預(yù)加固方式。

選取永新石橋隧道左線入口段的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，圖5、圖6分別為入口段典型斷面(ZK120+110)的拱頂沉降、墻腰收斂變化曲線。

圖5 典型斷面隧道拱頂累積沉降變形曲線

圖6 典型斷面隧道墻腰收斂變形曲線

由圖5可知，隧道拱頂沉降在前5 d先小幅增大，當施工開挖到斷面附近時，沉降值迅速增大，整個過程歷時10 d左右，隨后趨于穩(wěn)定。實測曲線整體規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果一致，實測數(shù)據(jù)大于數(shù)值模擬結(jié)果。

由圖6可知，隧道墻腰收斂變化曲線大致呈“臺階”狀增長，在第5～15天，上、中、下臺階的開挖導(dǎo)致墻腰收斂值迅速變化，由于仰拱施工的滯后性，曲線在15～18 d變化和波動較小，仰拱施工后，墻腰又進行了一定程度的收斂，在第25天左右墻腰收斂達到穩(wěn)定，說明仰拱施工對墻腰的影響比對拱頂大。

4 管棚非對稱優(yōu)化設(shè)計

數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，支護結(jié)構(gòu)受力和變形存在不對稱性，管棚對稱分布于拱部范圍可能會造成淺埋側(cè)支護過剩、而深埋側(cè)強度不足的情況。為改善支護結(jié)構(gòu)整體受力，充分發(fā)揮材料的承載性能，對管棚超前支護體系進行非對稱優(yōu)化設(shè)計，在保持原管棚布置角度120°不變的情況下，將管棚依次沿著隧道外輪廓向深埋側(cè)偏移，如圖7所示，圖中所示為管棚對稱布置以及偏移角度依次為10°、20°、30°、40°的情況，分別對應(yīng)下文的工況一、二、三、四、五。

圖7 管棚非對稱布置示意

為直觀表現(xiàn)管棚非對稱布置對襯砌受力的影響，提取不同工況相應(yīng)測點的彎矩、軸力大小，并作出安全系數(shù)圖，如圖8所示。

圖8 不同工況下安全系數(shù)對比

由圖8可知，4種管棚非對稱優(yōu)化設(shè)計對右墻腰、左拱腰、左墻腳的安全系數(shù)影響較大。隨著管棚偏移角度的增加，右墻腰與左墻腳的安全系數(shù)不斷增大，這兩個位置處的襯砌結(jié)構(gòu)受力得到明顯改善。左拱腰的安全系數(shù)隨著管棚偏移角度的增加不斷減小，因而盲目將管棚朝著深埋側(cè)傾斜是不可取的。

將不同工況下右墻腰、左拱腰、左墻腳的安全系數(shù)進行對比，發(fā)現(xiàn)管棚偏移角度為20°時(與地形偏壓角度相近)襯砌結(jié)構(gòu)的受力最為合理，左墻腳的應(yīng)力集中程度顯著降低，偏移角度超過20°時，淺埋側(cè)安全系數(shù)減幅較大，而深埋側(cè)安全系數(shù)增幅并不明顯。

5 結(jié)論

本文以永新石橋隧道洞口段為工程背景，基于數(shù)值模擬分析結(jié)合實測數(shù)據(jù)，對淺埋偏壓隧道洞口段管棚和雙層小導(dǎo)管超前預(yù)支護方式進行比選，并對管棚進行非對稱優(yōu)化設(shè)計，得到以下結(jié)論:

(1)淺埋偏壓隧道洞口段更適用的方法為管棚注漿加固。管棚注漿加固在控制拱頂沉降方面，要優(yōu)于雙層超前小導(dǎo)管，在對墻腰收斂與拱底隆起變形的控制上，兩種超前加固方式差別不明顯。

(2)兩種超前加固方式對土體的加固范圍有限，雙層小導(dǎo)管注漿受到注漿范圍的限制，更容易引發(fā)隧道圍巖失穩(wěn)，在實際施工中還應(yīng)輔以其他加固手段來保障施工安全。

(3)管棚非對稱優(yōu)化設(shè)計結(jié)果表明，管棚沿著隧道外輪廓向深埋側(cè)偏移角度大致與地形偏壓角度相同時，深埋側(cè)墻腰、淺埋側(cè)墻腳安全系數(shù)顯著增大，淺埋側(cè)拱腰安全系數(shù)仍處于較大值，20°為最佳偏移角度。

以上結(jié)論均是基于不考慮流固耦合的基礎(chǔ)上得到的。本文對管棚進行非對稱設(shè)計僅考慮了地形偏壓因素，未考慮地質(zhì)構(gòu)造偏壓的影響，后續(xù)研究可綜合流固耦合與構(gòu)造偏壓多重因素進行分析，以得到更加普適性的結(jié)論。