大斷面連拱隧道側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖影響分析

李然王圣濤陳平申志軍潘紅桂侯志強(qiáng)

1.中鐵四局集團(tuán)有限公司，合肥 230023；2.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044

隨著我國(guó)交通建設(shè)的快速發(fā)展，雙向六車(chē)道大跨連拱隧道越來(lái)越多地出現(xiàn)在實(shí)際工程中，因其施工步序繁多，力學(xué)轉(zhuǎn)換復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)安全性的控制難度極高，給設(shè)計(jì)施工帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1］。

側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖是大跨連拱隧道施工過(guò)程中的關(guān)鍵步序，影響到整體施工進(jìn)度及安全，因此研究側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)圍巖的影響具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值及工程意義。孫長(zhǎng)軍等［2］借助數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段，研究了北京地鐵14號(hào)線車(chē)站擴(kuò)挖的施工力學(xué)行為，得出導(dǎo)洞擴(kuò)挖與初期支護(hù)扣拱階段產(chǎn)生的地表沉降為沉降終值的85%，表明導(dǎo)洞擴(kuò)挖是車(chē)站施工的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。李宇等［3］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)并結(jié)合數(shù)值計(jì)算，揭示了相鄰隧道擴(kuò)挖施工的力學(xué)影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)洞開(kāi)挖前后存在明顯的群洞效應(yīng)。孫成偉等［4］依托廣州地鐵東山口站站臺(tái)隧道擴(kuò)挖工程，介紹了工程難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證了隧道大規(guī)模擴(kuò)挖的可行性。黃明利等［5］基于北京地鐵北新橋站工程實(shí)踐，對(duì)比分析了不同PBA（Pile-Beam-Arch）工法擴(kuò)挖連拱車(chē)站的地層穩(wěn)定性，得出三連拱擴(kuò)挖方案顯著優(yōu)于雙連拱擴(kuò)挖方案。吳張中等［6］針對(duì)深圳橫龍山隧道超大異形斷面?zhèn)认驍U(kuò)挖工程，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值分析，闡明了單次擴(kuò)挖寬度變化對(duì)超大隧道圍巖應(yīng)力及變形的影響機(jī)制，得出最優(yōu)擴(kuò)挖寬度為4 m。林叢謀等［7］結(jié)合大帽山原位二擴(kuò)四隧道工程，分析了CD（Center Diaphragm）工法下不同圍巖的地表位移、拱頂沉降、洞周收斂等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，提出了軟弱圍巖穩(wěn)定性控制方法。此外，張頂立等［8-10］探討了大斷面隧道改擴(kuò)建及多洞分部開(kāi)挖對(duì)圍巖支護(hù)工程響應(yīng)的影響規(guī)律，為研究導(dǎo)洞擴(kuò)挖的力學(xué)影響提供寶貴參考。目前關(guān)于連拱隧道圍巖力學(xué)行為的研究主要集中在施工完成后的最終狀態(tài)，而對(duì)導(dǎo)洞擴(kuò)挖引起階段性的圍巖力學(xué)響應(yīng)研究較少。

本文依托嶂背大斷面連拱隧道擴(kuò)挖工程，首先基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析連拱隧道施工力學(xué)響應(yīng)；而后建立三維數(shù)值模型，揭示導(dǎo)洞擴(kuò)挖對(duì)圍巖-支護(hù)相互作用的影響規(guī)律，提出重點(diǎn)關(guān)注部位和支護(hù)措施建議；最后基于數(shù)值分析，評(píng)估側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖的安全風(fēng)險(xiǎn)，為現(xiàn)場(chǎng)施工決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

深圳嶂背隧道段位于深圳龍崗區(qū)，采用大斷面連拱隧道。嶂背隧道為采用鉆爆法開(kāi)挖的雙向6車(chē)道的城市Ⅰ級(jí)主干路，全長(zhǎng)361 m，安全紅線40 m。同時(shí)，地層易因側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖而產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，引起地表不均勻沉降，危及周邊結(jié)構(gòu)。為最大程度削弱對(duì)周邊環(huán)境的不利影響，必須針對(duì)擴(kuò)挖前后圍巖支護(hù)的階段性工程響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析和安全評(píng)價(jià)。

隧址區(qū)主要處于全~強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，圍巖級(jí)別為V級(jí)，上覆5~8 m粉質(zhì)黏土，不考慮地下水。隧道主體埋深介于20~30 m，開(kāi)挖高度11.5 m，總跨度達(dá)到30.9 m（圖1），屬于特大跨隧道［11］。隧道采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)厚0.32 m，初期支護(hù)包括C25噴射混凝土、間距0.5 m的I25a型鋼拱架和鋼筋網(wǎng)。二次襯砌為C35模筑鋼筋混凝土，厚0.8~0.9 m。此外，工程中采用注漿大管棚進(jìn)行超前支護(hù)，管棚直徑108 mm，壁厚6 mm，環(huán)向間距0.4 m，打設(shè)角1°~3°。雙連拱隧道采用對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，中導(dǎo)洞先行，左右兩側(cè)導(dǎo)洞滯后，導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)有兩層作業(yè)人員操作臺(tái)。為滿(mǎn)足機(jī)械作業(yè)空間、加快隧道施工進(jìn)度，將先行開(kāi)挖的側(cè)導(dǎo)洞的跨度由4.9 m擴(kuò)大至6.8 m，初期支護(hù)噴射混凝土厚度從0.32 m增大到0.35 m，其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變。目前中導(dǎo)洞已開(kāi)挖90 m，本文主要分析側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖產(chǎn)生的力學(xué)影響。

圖1 導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后設(shè)計(jì)斷面對(duì)比（單位：cm）

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制標(biāo)準(zhǔn)

為及時(shí)預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)并實(shí)時(shí)反饋，開(kāi)展原位監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括拱頂沉降、水平收斂和地表沉降，根據(jù)JTG/T F60—2009《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》，可以得到各類(lèi)圍巖變形的控制指標(biāo)（表1）。

表1 圍巖變形控制指標(biāo) mm

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪出圍巖變形箱線圖（圖2），其中上邊緣表示最大值，下邊緣表示最小值，中間線表示中位數(shù)，大方框上邊表示上四分?jǐn)?shù)，大方框下邊表示下四分?jǐn)?shù)，大方框內(nèi)的小方框表示平均數(shù)。各監(jiān)測(cè)斷面中導(dǎo)洞拱頂沉降、水平收斂和最大地表沉降的平均值分別為4.6、8.0和3.5 mm，圍巖變形分布比較集中，分別主要介于3~7 mm、7~11 mm和2~5 mm。由實(shí)測(cè)地表沉降（圖3）可知，各斷面地表位移曲線都呈現(xiàn)出典型的沉降凹槽，變形值從中洞拱頂向兩邊不斷減小，且隨埋深加大而略有增大。

圖2 實(shí)測(cè)圍巖變形箱線圖

圖3 實(shí)測(cè)地表沉降槽

2 數(shù)值模型與力學(xué)參數(shù)

為分析擴(kuò)挖側(cè)導(dǎo)洞對(duì)隧道支護(hù)的力學(xué)響應(yīng)和圍巖穩(wěn)定性的影響，采用大型通用有限差分軟件FLAC 3D進(jìn)行三維數(shù)值模擬。根據(jù)實(shí)際工程，取隧道K0+400斷面作為典型斷面，拱頂埋深取25 m。

模型只考慮初期支護(hù)，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，初期支護(hù)的密度ρ和彈性模量E可按面積等效得到ρ=2 430 kg/m3，E=26.40 GPa。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 圍巖及支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)

模型尺寸為250 m（長(zhǎng)）×100 m（寬）×80 m（高）（圖4）。隧道周邊網(wǎng)格設(shè)置緊密，遠(yuǎn)離洞周的網(wǎng)格劃分越來(lái)越疏松。模型邊界采用位移約束，模型兩側(cè)約束橫向位移，底部約束豎向位移，模型上部為自由面。按照工程實(shí)際，施工步驟為中導(dǎo)洞先行，左側(cè)導(dǎo)洞滯后20 m，右側(cè)導(dǎo)洞滯后40 m，初期支護(hù)滯后2 m，單次開(kāi)挖進(jìn)尺為2 m。

圖4 大斷面連拱隧道數(shù)值模型及開(kāi)挖步序

模型中初期支護(hù)采用符合彈性本構(gòu)的shell單元模擬，圍巖采用遵從摩爾-庫(kù)侖彈塑性準(zhǔn)則的實(shí)體單元模擬。側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后兩種工況見(jiàn)圖5。開(kāi)挖工序分為10步，其中在第6步后施作中隔墻，而后再進(jìn)行下一步開(kāi)挖。根據(jù)實(shí)際工程的階段性安全需求，主要考慮1~6步。

圖5 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后兩種工況

3 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后隧道圍巖力學(xué)行為

3.1 地層變形對(duì)比

3.1.1 地層豎向位移對(duì)比

選擇模型中部斷面（y=50 m）作為監(jiān)測(cè)斷面，以抵消邊界效應(yīng)影響。由兩種工況拱頂沉降歷時(shí)曲線（圖6）可以看出，中導(dǎo)洞圍巖變形明顯大于左側(cè)導(dǎo)洞和右側(cè)導(dǎo)洞，兩側(cè)導(dǎo)洞拱頂沉降大致相當(dāng)。這主要是由于中導(dǎo)洞為先行洞室，且處于兩側(cè)導(dǎo)洞之間，中導(dǎo)洞拱頂沉降除受自身開(kāi)挖影響外，還受后行兩側(cè)導(dǎo)洞影響，因此中導(dǎo)洞受力狀態(tài)最為不利，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖6 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后各導(dǎo)洞拱頂沉降歷時(shí)曲線（單位：mm）

側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖將一定程度增大地層沉降，以各導(dǎo)洞拱頂沉降為例，左側(cè)導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞和右側(cè)導(dǎo)洞分別由擴(kuò)挖前的4.6、6.8和4.8 mm增長(zhǎng)至6.8、9.7和7.2 mm。相比于中導(dǎo)洞拱頂沉降，兩側(cè)導(dǎo)洞拱頂沉降受擴(kuò)挖影響更加顯著，左右兩側(cè)導(dǎo)洞拱頂沉降增長(zhǎng)率分別為47.8%和50.0%，明顯大于中導(dǎo)洞的42.6%。

3.1.2 地層水平位移對(duì)比

由兩種工況水平位移歷時(shí)曲線（圖7）可以看出，擴(kuò)挖側(cè)導(dǎo)洞將小幅增加各導(dǎo)洞的水平位移，且增長(zhǎng)率不超過(guò)15%。中導(dǎo)洞和兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)側(cè)拱腰、邊墻的水平位移較大，而擴(kuò)挖側(cè)導(dǎo)洞將加劇隧道變形，工程中應(yīng)通過(guò)打設(shè)縮腳錨桿、施作臨時(shí)仰拱、縮短初期支護(hù)閉合時(shí)間等方法來(lái)防止拱腰、邊墻出現(xiàn)支護(hù)開(kāi)裂。

圖7 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后各導(dǎo)洞測(cè)點(diǎn)水平位移歷時(shí)曲線

3.2 夾巖力學(xué)行為對(duì)比

3.2.1 夾巖應(yīng)力狀態(tài)對(duì)比

側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖之前的夾巖厚度為6.7 m，擴(kuò)挖之后為4.8 m，夾巖力學(xué)狀態(tài)優(yōu)劣直接關(guān)系到隧道施工安全。側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖之前，夾巖僅有表層巖體進(jìn)入松動(dòng)狀態(tài)（圖8紅色區(qū)域，應(yīng)力降低區(qū)），而中部核心巖體仍處于應(yīng)力集中狀態(tài)（圖8藍(lán)色區(qū)域），表明夾巖仍具有較強(qiáng)的承載能力。

圖8 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后壓應(yīng)力云圖（單位：Pa）

3.2.2 夾巖塑性區(qū)對(duì)比

通過(guò)塑性區(qū)云圖（圖9）可以更加直觀地看出，擴(kuò)挖側(cè)導(dǎo)洞將擴(kuò)大夾巖塑性區(qū)（紅色區(qū)域，包括剪破壞、拉破壞），可以通過(guò)夾巖塑性率（夾巖塑性區(qū)面積占夾巖總面積的百分比）來(lái)反映夾巖的安全狀態(tài)。側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖將使得左右?jiàn)A巖塑性率由原先的6.9%和8.0%上升至17.8%和14.5%。既有研究表明夾巖臨界安全狀態(tài)可由塑性區(qū)是否貫通來(lái)界定，擴(kuò)挖以后的塑性區(qū)盡管有所上升，但并未貫通。

圖9 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后塑性區(qū)云圖（紅色區(qū)域代表塑性破壞）

3.3 初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)對(duì)比

3.3.1 初期支護(hù)變形對(duì)比

由兩種工況的初期支護(hù)變形云圖（圖10）可知，初期支護(hù)變形最大值將由擴(kuò)挖前的7.0 mm小幅增長(zhǎng)至擴(kuò)挖后的8.8 mm。中導(dǎo)洞拱肩及拱腰、側(cè)導(dǎo)洞拱腰處的結(jié)構(gòu)變形較大，可能會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、拱架扭曲，應(yīng)強(qiáng)化局部支護(hù)并勤加監(jiān)測(cè)。

圖10 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后初期支護(hù)變形云圖（單位：m）

3.3.2 初期支護(hù)應(yīng)力對(duì)比

根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，C25噴射混凝土的彎曲抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度為13.5 MPa。由模擬結(jié)果（圖11）可知，側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后初期支護(hù)壓應(yīng)力的最大值分別為9.4 MPa和12.1 MPa，較接近噴射混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度。

圖11 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后初期支護(hù)壓應(yīng)力云圖（單位：Pa）

3.4 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖安全評(píng)估

擴(kuò)挖前后隧道圍巖的工程響應(yīng)和安全系數(shù)見(jiàn)表3—表6，其中預(yù)警值/容許值是根據(jù)JTG/T F60—2009《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》并結(jié)合設(shè)計(jì)單位圖紙說(shuō)明得到的。

表3 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后拱頂沉降對(duì)比

表4 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后水平收斂對(duì)比

表5 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后夾巖力學(xué)響應(yīng)對(duì)比

表6 側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖前后初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)對(duì)比

安全系數(shù)計(jì)算公式為

擴(kuò)挖側(cè)導(dǎo)洞給隧道開(kāi)挖力學(xué)行為帶來(lái)較大影響，將使拱頂沉降增長(zhǎng)約40%~50%，使水平收斂增長(zhǎng)約2%~15%，使夾巖塑性率升高約80%~160%，使初支變形、壓應(yīng)力最大值增大約25%~30%。盡管如此，擴(kuò)挖后的各項(xiàng)力學(xué)行為指標(biāo)均未超過(guò)預(yù)警值或容許值，且拱頂沉降、水平位移有較大的安全冗余。

4 結(jié)論

1）側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖導(dǎo)致拱頂沉降增大約40%~50%，水平收斂增大約2%~15%，但仍有較大的安全冗余，圍巖變形穩(wěn)定性受擴(kuò)挖影響較小。

2）側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖后的夾巖塑性率仍不超過(guò)20%，塑性區(qū)并未貫通，可通過(guò)徑向注漿、打設(shè)對(duì)拉錨桿來(lái)保障夾巖安全。

3）側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖使得初期支護(hù)變形、最大壓應(yīng)力增大約25%~30%，可采用高等級(jí)噴射混凝土、更換高強(qiáng)鋼架等措施來(lái)防止初期支護(hù)開(kāi)裂。

4）側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖不會(huì)嚴(yán)重威脅隧道安全，且有二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，因此擴(kuò)挖工程是安全可行的。