淺埋小凈距隧道含軟弱夾層段開挖變形與圍巖應(yīng)力分析

萬桂軍,劉春舵,關(guān)瑞士,黃均華,張 奇

(1.中建國際投資(貴州)有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州正習(xí)高速公路投資管理有限公司,貴州 遵義 563000)

0 引言

受地形等因素的影響，工程中常采用小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式[1]，在建貴州省正習(xí)高速公路設(shè)計2標(biāo)段的12座隧道均采用小凈距隧道。目前，國內(nèi)外學(xué)者對淺埋小凈距隧道的研究已取得較豐富的研究成果。Lei等[2]利用非對稱荷載隧道開挖模擬試驗系統(tǒng)，研究了小凈距隧道的破壞機(jī)理及荷載特性，發(fā)現(xiàn)隧道圍巖微裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展及深埋側(cè)淺層拉裂是隧道破壞的關(guān)鍵階段。李樹鵬等[3]依托某隧道的設(shè)計及施工，建立了小凈距隧道三維計算模型，對其開挖過程中位移場、應(yīng)力場隨空間變化規(guī)律進(jìn)行了分析。李松濤等[4]以某特大斷面隧道為工程背景，結(jié)合圍巖變形和結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了小凈距公路隧道CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的力學(xué)效應(yīng)。在開挖淺埋隧道開挖變形方面，Yasletty等[5]運用Abaqus研究了不同埋深和地質(zhì)條件下隧道開挖過程中圍巖的變形特征和應(yīng)力變化特征。牛林新等[6]通過理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬對比分析了淺埋隧道新奧法開挖過程中的拱頂沉降、圍巖收斂和地表變形規(guī)律。夏元友等[7]基于土體不可壓縮假設(shè)，結(jié)合地層沉降理論推導(dǎo)了淺埋隧道開挖上方土體的水平位移計算公式，并驗證了公式的適用性。董鵬等[8]對淺埋隧道覆巖變形沉降研究發(fā)現(xiàn)，上覆層中變形的時空演化過程與巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、掌子面推進(jìn)過程、初襯支護(hù)作用及水文地質(zhì)條件有關(guān)。在對含軟弱夾層隧道的研究方面，吳旭平等[9]采用FLAC3D對含軟弱夾層淺埋隧道不同施工條件進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，結(jié)合圍巖變形現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析了其圍巖變形特性，建立了該類隧道圍巖變形分級控制量化指標(biāo)。黃鋒等[10]以穿越斷層帶的高速公路隧道工程為背景，利用室內(nèi)相似模型試驗，對無支護(hù)條件下軟弱夾層圍巖松動區(qū)、破壞區(qū)的發(fā)展過程進(jìn)行了研究。郭富利等[11]依據(jù)軟弱夾層與掌子面圍巖的典型組合情況，結(jié)合堡鎮(zhèn)隧道所揭示的不同圍巖室內(nèi)三軸試驗結(jié)果，建立了含軟弱夾層圍巖的力學(xué)模型，探討了含軟弱夾層圍巖變形破壞的形成演化過程。

淺埋小凈距隧道開挖過程中，隧道圍巖的應(yīng)力分布與深埋隧道有較大差異[12]。因此，王康[13]結(jié)合濟(jì)南東南二環(huán)延長線隧道工程，研究了超大斷面小凈距隧道開挖過程中圍巖的變形時空特征和荷載釋放規(guī)律，并推導(dǎo)了超大斷面小凈距隧道圍巖壓力計算公式。騰俊洋等[14]研究了拱頂壓力、水平側(cè)應(yīng)力和圍巖破裂范圍的變化規(guī)律，并根據(jù)小凈距淺埋偏壓隧道的受力特點，推導(dǎo)了圍巖壓力的計算公式。孫振宇等[15]統(tǒng)計分析了41座小凈距隧道的圍巖壓力情況及圍巖壓力的演化特點，得到了圍巖壓力與隧道埋深、凈距和開挖跨度之間的關(guān)系，并提出了小凈距隧道圍巖壓力的計算方法。武松等[16]研究了大斷面淺埋隧道開挖漸近破壞過程與機(jī)制，分析了開挖過程中圍巖應(yīng)力和位移變化規(guī)律。此外，陽軍生等[17]、張軍偉等[18]也對小凈距、淺埋隧道的施工力學(xué)效應(yīng)和圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

以上研究成果對理解和進(jìn)一步研究淺埋小凈距隧道有一定的指導(dǎo)意義。但是，在大多數(shù)研究成果中，所建立的數(shù)值計算模型地表面采用水平面，與實際起伏不平的地面有較大差距。另外，關(guān)于含軟弱夾層的淺埋小凈距隧道的研究成果仍較少。鑒于此，本研究根據(jù)正習(xí)高速公路沙田隧道實際地形、地質(zhì)特征，建立三維計算模型，分析小凈距隧道含軟弱夾層淺埋段的開挖變形特征與力學(xué)效應(yīng)。

1 工程概況與模型建立

1.1 工程概況

正習(xí)高速公路沙田隧道地處貴州省桐梓縣松坎鎮(zhèn)茅壩村，隧道設(shè)計行車速度80 km/h，分左、右線，隧道右幅建筑與左幅建筑的限界及內(nèi)輪廓對稱布置，帶仰拱隧道內(nèi)輪廓高8.6 m，寬10.8 m，外輪廓高9.8 m，寬12.3 m。左右線橫向最小凈距15 m，左線起止里程為ZK78+671.5～ZK79+820，長1 148.50 m，右線起止里程為K78+680～K79+855，總長1 175 m，隧道最淺埋深約14.5 m，最大埋深97 m。隧址區(qū)地貌單元屬于構(gòu)造剝蝕中低山丘陵地貌，地勢起伏大。

隧道位于松坎向斜南東翼，區(qū)域地層總體向北西傾。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔揭露，隧道淺埋段出露3套地層，分別為上覆第四系坡殘積(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土和少量殘坡積(Q4el+dl)碎石土，下伏三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)的砂巖及頁巖地層。隧道淺埋段主要以強(qiáng)～中風(fēng)化砂巖為主，局部夾有灰黑色含炭軟弱夾層及薄層的煤，鉆探揭露厚度約1.2 m。圍巖節(jié)理裂縫發(fā)育，完整性差，巖體無自穩(wěn)能力。

隧址區(qū)覆蓋層分布較少，厚度較小，地下水類型主要為基巖裂隙水，開挖時多以面狀滴水為主，局部可出現(xiàn)線流。由于該區(qū)位于松砍向斜軸部附近，巖層傾角較陡，且局部存在小的次級褶曲及揉皺現(xiàn)象，層間結(jié)合差，圍巖在地下水的浸潤下可能產(chǎn)生軟巖變形及拱頂離層崩塌問題。

1.2 計算模型及參數(shù)

本研究通過FLAC3D數(shù)值分析軟件模擬分析淺埋小凈距隧道的開挖特性，隧道開挖跨度12.3 m，高度9.8 m。模型上表面取至地表面，按地表實際起伏情況建立三維數(shù)值計算模型(圖1)，模型長120 m，寬110 m。隧道左右兩線橫向凈距15 m，模型橫向邊界距隧道外側(cè)距離約為隧道開挖跨度的3倍，下邊界到洞底跨度約為開挖高度的3倍。模型中軟弱夾層厚1.2 m，夾層走向與隧道軸線夾角為65°，夾層傾角為70°，軟弱夾層與隧道的相對關(guān)系及最淺斷面位置情況如圖2所示。在單元劃分時，對隧道及周圍巖體、軟弱夾層部分采取單元加密處理，模型共337 781個單元和60 546個節(jié)點。

圖2 夾層與隧道相關(guān)位置關(guān)系

鑒于本研究的計算主要側(cè)重于小凈距隧道含軟弱夾層淺埋段開挖變形特征與力學(xué)效應(yīng)定性規(guī)律的探索與分析，因此，不同地層巖土體力學(xué)參數(shù)主要參考實際工程地質(zhì)勘查報告，并參考現(xiàn)行公路隧道設(shè)計規(guī)范提供的巖土體力學(xué)參數(shù)綜合選取。由于隧道二次襯砌施作較晚，故在模擬過程中不考慮二襯的作用。隧道初期支護(hù)中噴射混凝土采用C20濕噴混凝土，厚度為20 cm，錨桿型號為φ25 mm，長度為3 m，間距1.5 m×1.5 m，鋼拱架采用I18工字鋼，間距50 cm。開挖模擬中錨桿和鋼架的支護(hù)作用通過提高錨桿作用范圍內(nèi)巖土體彈性模量的方法來等效實現(xiàn)[19-20]。

錨固后圍巖的彈性模量受圍巖本身和錨桿彈性模量的共同影響。因此，錨固后的圍巖的彈性模量可表示為：

(1)

式中，E′為錨固后的圍巖彈性模量；E為圍巖彈性模量；E1為錨桿彈性模量；S1為錨桿排距；為錨桿環(huán)向間距；r為錨桿半徑。

鋼架與噴射混凝土支護(hù)后的等效混凝土彈性模量為：

(2)

最后，依據(jù)各項同性假設(shè)，支護(hù)后錨桿作用范圍內(nèi)圍巖的等效彈性模量為：

(3)

最后根據(jù)勘查資料和現(xiàn)行公路隧道設(shè)計規(guī)范，結(jié)合式(1)～(3)確定圍巖物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

1.3 計算工況

隧道開挖過程按實際施工情況模擬，隧道從出口端向進(jìn)口端方向開挖，其中右線為先行洞，左線為后行洞，先行洞和后行洞掌子面縱向間距為25 m，采用臺階法開挖，上臺階高6.5 m，下臺階高3.3 m，上下臺階間隔15 m。開挖先行洞最淺段前，先行洞掌子面距最淺里程處1.5 m，開挖進(jìn)尺為 3 m。由于本研究的重點是探討當(dāng)先行洞開挖通過最淺斷面時圍巖的變形情況，和后行洞開挖通過最淺斷面時對先行洞在最淺斷面處圍巖的影響，因此，以埋深最淺段的開挖情況確定施工階段，模擬中按施工階段分步計算，各階段均為開挖后初支完成后，圍巖參數(shù)按等效參數(shù)選取，各階段掌子面位置如圖2所示，各施工階段如下。

施工階段Ⅰ：先行洞開挖至距最淺斷面1.5 m處，后行洞開挖至距先行洞掌子面25 m處。

施工階段Ⅱ：先行洞、后行洞各開挖3 m。

施工階段Ⅲ：先行洞、后行洞各開挖25 m，后行洞穿過最淺斷面。

模擬計算以縱向測線的方式監(jiān)測先行洞圍巖沉降變形和水平位移，各縱向測線與斷面交點位置如圖3所示。

圖3 測線與隧道斷面交點位置(單位：m)

2 數(shù)值計算結(jié)果分析分析

2.1 圍巖收斂變形分析

隧道開挖圍巖的變形具有明顯的時空效應(yīng)。提取各施工階段中不同監(jiān)測斷面A～G監(jiān)測線的變形數(shù)據(jù)，以此分析小凈距含軟弱夾層淺埋隧道開挖先行洞圍巖變形的時空規(guī)律。

2.1.1 沉降分析

圖4為3個階段開挖后A～G測線的沉降位移曲線，坐標(biāo)上部為隧道右側(cè)測線沉降曲線，下半部為拱頂及左測的沉降曲線。通過分析得出如下結(jié)論：

(1)隨著掌子面的推進(jìn)，隧道圍巖沉降變形持續(xù)增加，先行洞在距掌子面約15 m(1.25倍洞徑)后沉降量趨于穩(wěn)定，隧道拱頂沉降最大，沉降量隨測線高度的增加而增大。

(2)對比圖4(a)～(c)可發(fā)現(xiàn)，階段Ⅱ開挖完成后，先行洞掌子面前方預(yù)沉降量增加約5%～22%，離掌子面越近增加幅度越大。掌子面后方已開挖部分增幅為1%～8%，同樣離掌子面越近增加幅度越大。在開挖進(jìn)尺范圍(3 m)內(nèi)的圍巖沉降量增幅為27%～52%，其中軟弱夾層部分增幅最大，達(dá)到46%～52%。階段Ⅲ開挖完成后，軟弱夾層部分沉降量增加10%左右，夾層周圍強(qiáng)～中風(fēng)化巖的沉降量約增加1倍。

(3)對比圖4(a)～(c)可見，隧道開挖后軟弱夾層部位沉降量明顯大于周圍強(qiáng)～中風(fēng)化巖的沉降量，最大達(dá)到110 mm，約為強(qiáng)～中風(fēng)化巖的1.9～2.8倍，且沉降發(fā)生突變的圍巖厚度大于軟弱夾層的厚度，形成一個擠出帶，說明軟弱夾層的存在會影響周圍圍巖的沉降變形，影響范圍約為軟弱夾層厚度的3.5～4.8倍，其中拱頂影響范圍最大。

圖4 先行洞各測線沉降位移曲線

2.1.2 水平位移分析

圖5為3個階段開挖后先行洞A～G測線的水平位移曲線，圖中規(guī)定向掌子面右側(cè)方向位移為正，通常隧道開挖后圍巖向洞內(nèi)收斂，因此在水平位移曲線中，位于掌子面左側(cè)點位移一般為正，右側(cè)點位移為負(fù)值，通過分析得到如下結(jié)論。

圖5 先行洞各測線水平位移曲線

(1)隧道開挖各個階段總體上水平位移量隨測線高度的增大而減小，拱頂水平位移量最小，隧道右側(cè)(中夾巖墻一側(cè))的水平位移大于隧道左側(cè)。隨著掌子面的推進(jìn)，隧道圍巖水平方向位移持續(xù)增加，當(dāng)距離掌子面1.35倍洞徑時，圍巖的水平位移趨于穩(wěn)定，說明隧道圍巖的水平方向的變形穩(wěn)定要早于豎直方向。

(2)對比圖5(a)～(c)可見，階段Ⅱ開挖完成后，掌子面前方水平預(yù)變形量增加32.5%～41.8%，與預(yù)沉降相反，其離掌子面越遠(yuǎn)增幅越大；隧道右側(cè)軟弱夾層水平位移增加明顯，最大達(dá)到52.4 mm，增加43.2 mm，隧道右側(cè)軟弱夾層區(qū)水平位移則基本未增加。

(3)對比圖5(a)和圖5 (c)發(fā)現(xiàn)，后行洞開挖后，隧道右側(cè)軟弱夾層的水平位移基本未增加，說明隧道的開挖對已開挖軟弱夾層部分的水平位移影響很小。階段Ⅲ開挖完成后，隧道右側(cè)底部水平位移變化最大，最終形成隨測線高度的增大而減小的分布規(guī)律。

(4)對比圖5(a)～(c)可見，隧道開挖后軟弱夾層部位水平位移量明顯大于周圍強(qiáng)-中風(fēng)化巖的水平位移量，最大達(dá)到97.5 mm，約為強(qiáng)-中風(fēng)化巖的3.4～3.8倍，軟弱夾層對圍巖水平位移的影響范圍約為其厚度的2.9～3.4倍，其影響范圍小于對豎直方向上的影響范圍。

2.2 地表沉降變形分析

模擬中監(jiān)測最淺斷面地表橫向沉降位移和先行洞隧道中線斷面地表面相交線縱向沉降位移，其沉降曲線如圖6、圖7所示。

圖6 各階段最淺斷面地表橫向沉降曲線

圖7 各階段隧道中線與地表面相交線沉降曲線

由圖6可見，由于隧道開挖最淺斷面地表橫向沉降總體呈W形，受軟弱夾層的影響，左線最大沉降處偏向隧道右側(cè)。各個階段右線上方的地表沉降均小于左線，其比例分別為83.48%，78.63%，91.92%，主要原因為左線埋深淺于右線，約為右線的66%，且左線斷面含有軟弱夾層。階段Ⅲ開挖后，左右兩線地表沉降均大幅增加，左線增加量占總沉降的58.8%，右線增加量占總沉降量的60.6%，主要原因為：由于左右兩線掌子面均穿過最淺斷面處，掌子面的虛擬支撐作用減弱或消失。

由圖7可見，階段Ⅰ、階段Ⅱ開挖完成后，掌子面前方地表同樣存在預(yù)沉降，對比圖4(a)和圖4(c)，其地表預(yù)沉降值約為掌子面前方拱頂預(yù)沉降值的84%～97%。對比階段Ⅰ～Ⅲ曲線可知，地表預(yù)沉降值約為最終總沉降值的25%～35%；同時，由于掌子面的推進(jìn)，掌子面后方地表沉降持續(xù)增加，最終當(dāng)監(jiān)測點距掌子面超過1.5倍洞寬后，隨掌子面的半圓穹約束作用的消失地表沉降趨于穩(wěn)定。

2.3 圍巖應(yīng)力分析

在掌子面推進(jìn)過程中，不同部位圍巖的應(yīng)力演化存在較大差異，提取隧道開挖各階段最淺斷面特征點及中夾巖墻的最大、最小主應(yīng)力，分析其隨掌子面推進(jìn)的演化規(guī)律，其值如表2、表3所示。

表2 先行洞最淺斷面特征部位最小主應(yīng)力(單位：kPa)

表3 先行洞最淺斷面特征部位最大主應(yīng)力(單位：kPa)

通過分析表2、表3可得如下結(jié)論：

(1)隧道開挖后圍巖應(yīng)力重分布，隧道拱頂應(yīng)力釋放，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均大幅減小，最小主應(yīng)力由149.1 kPa減小到2.01 kPa，最大主應(yīng)力由433.211 kPa減小到257.431 kPa。

(2)中夾巖墻部分應(yīng)力集中明顯，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均顯著增大，最小主應(yīng)力由164.18 kPa增大到278.91 kPa，最大主應(yīng)力由806.11 kPa增大到1 137.36 kPa。

(3)拱腰和拱腳處的最大、最小主應(yīng)力均呈隧道右側(cè)大于左測的規(guī)律。開挖過程中，拱腰和拱腳處最大主應(yīng)力減小，最終左拱腰減小76.25%，右拱腰減小57.20%，左拱腳減小50.26%，右拱腳減小46.52%，拱腰降幅大于拱腳，隧道左側(cè)大于右側(cè)。

(4)拱腰和拱腳處的最小主應(yīng)力都明顯增大，最終左拱腰增大15.14%，右拱腰增大28.70%，左拱腳增大59.61%，右拱腳增大61.88%。可見，拱腳增幅大于拱腰，隧道右側(cè)大于左側(cè)。相應(yīng)地，由于最大主應(yīng)力的減小和最小主應(yīng)力的增大，圍巖的切應(yīng)力增大，最終在拱腰和拱腳處形成應(yīng)力集中，隧道右拱腳應(yīng)力集中最顯著。

3 結(jié)論

通過FLAC3D模擬了含軟弱夾層小凈距淺埋隧道的開挖，分析了隧道開挖過程中圍巖和地表的變形規(guī)律及圍巖應(yīng)力的變化特征，得到如下主要結(jié)論：

(1)隧道開挖后，掌子面前方未開挖土體存在明顯的預(yù)沉降，其值隨到掌子面距離的增大而減小。在開挖進(jìn)尺范圍內(nèi)的圍巖沉降量增幅為27%～52%，其中軟弱夾層部分增幅最大，達(dá)到46%～52%，軟弱夾層的存在會影響周圍圍巖的沉降變形，影響范圍約為軟弱夾層厚度的3.5～4.8倍，其中拱頂影響范圍最大，拱腳最小。后行洞的開挖對軟弱夾層周圍圍巖的沉降影響大于對軟弱夾層的影響。

(2)隧道開挖后水平位移量隨測線高度的增大而減小，拱頂水平位移量最小，水平方向的變形穩(wěn)定要早于豎直方向。隧道的開挖對已開挖的軟弱夾層部分的水平位移影響很小，軟弱夾層對圍巖水平位移的影響范圍約為其厚度的2.9～3.4倍，其影響范圍小于對豎直方向上的影響范圍。

(3)隧道開挖后，拱頂應(yīng)力釋放，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均大幅減小，中夾巖墻部分應(yīng)力集中明顯，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均顯著增大。拱腰處最大主應(yīng)力降幅大于拱腳，隧道左側(cè)大于右側(cè)，拱腳處最小主應(yīng)力增幅大于拱腰，隧道右側(cè)大于左側(cè)，拱腰和拱腳處形成剪應(yīng)力集中，隧道右拱腳應(yīng)力集中最顯著。