超大斷面分岔隧道施工力學(xué)特性模擬及監(jiān)測分析

陳兵 馬杰 何平 屈慧森

1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 100044

引言

近年來為滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我國公路隧道的建設(shè)得到了快速發(fā)展。一方面公路隧道的建設(shè)數(shù)量和長度取得長足發(fā)展，截止2018 年底，中國公路隧道為17738 處、17236.1km，比2017 年分別增加了1509 處、1951.0km［1］。另一方面隨著工程技術(shù)的進(jìn)步及工程經(jīng)驗(yàn)的積累，超大斷面的四車道及以上跨度的隧道屢屢建成通車。其中，超大斷面的地下分岔立交隧道時(shí)有出現(xiàn)，為地下工程的建設(shè)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇及挑戰(zhàn)。

按我國現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊土建工程》（JTG 3370.1—2018），對于兩車道、三車道隧道復(fù)合式襯砌，支護(hù)參數(shù)可參考規(guī)范附表選用；對于四車道隧道，應(yīng)通過工程類比法和計(jì)算分析確定。而超大斷面分岔隧道作為一種新型結(jié)構(gòu)形式，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相關(guān)理論研究仍較為匱乏，其設(shè)計(jì)與施工仍處在探索試驗(yàn)階段。

深圳東部過境高速公路工程蓮塘隧道為國內(nèi)首座真正意義上的地下互通立交工程，隧道分岔部最大開挖斷面跨度30.1m，斷面面積430m2，為目前我國建成的最大斷面公路隧道［2］。對特大斷面隧道而言，為提高斷面利用率，降低工程造價(jià)，只能降低斷面高度，減少扁平率，對洞室安全不利。扁平特大斷面隧道的主要力學(xué)問題有以下幾點(diǎn)：開挖后應(yīng)力重分布變得不利；底腳處應(yīng)力集中過大，要求較大的地基承載力，拱頂不穩(wěn)定；產(chǎn)生較大的松弛地壓［3］。對于跨度大于30m的超大斷面隧道，受開挖跨度、斷面尺寸等影響，圍巖應(yīng)力分布和襯砌受力情況更是會有顯著差異，其施工力學(xué)特性方面尚需更加深入的研究。

1 工程概況

1.1 隧道概況

深圳市東部過境高速公路以蓮塘口岸為起點(diǎn)，向南與香港東部通道相銜接，向東北通過金錢坳立交與深汕、惠鹽高速公路相接，全長32.4km。蓮塘隧道是深圳市東部過境高速公路全線控制性工程。隧道左線分岔部位于蓮塘隧道左線主線段與市政段的交叉口，由兩車道隧道和三車道隧道交匯而成。分岔部由小凈距段和最大斷面段及三個(gè)漸變段組成，縱向長度235.1m，平面布置情況見圖1。隧道分岔部最大開挖斷面30.1m×18.4m（圖2），埋深約64m。

圖2 最大斷面隧道橫斷面（單位： cm）Fig.2 Cross-sectional view of the largest section of the tunnel（unit：cm）

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

蓮塘隧道分岔部洞身穿越的地層主要為石炭系層狀變質(zhì)砂巖，青灰色，受F4、F5 斷裂構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎～破碎，圍巖級別為Ⅲ級～Ⅴ級。

場地地表水主要為季節(jié)性降雨，工區(qū)內(nèi)無河流、水塘，但隧道與西側(cè)的深圳水庫最近的直線距離為158m。經(jīng)綜合評定，隧道段水文地質(zhì)條件較簡單，地下水較貧乏，地層滲透性弱，初步判定不具備產(chǎn)生大量涌水、突水的水文地質(zhì)條件。

2 分岔隧道開挖工法

2.1 分岔隧道結(jié)構(gòu)形式

目前，國內(nèi)大跨分岔隧道存在兩種分岔部結(jié)構(gòu)形式，即有連拱型式的大跨段-連拱段-小凈距段-分離式隧道和無連拱型式的大跨段-小凈距段-分離式隧道。通常情況下，分岔部在隧道進(jìn)、出口位置設(shè)置連拱段；而在埋深較深的分岔隧道中通常取消連拱段，由大拱段直接進(jìn)入小凈距段［4～12］。本工程設(shè)計(jì)階段對上述兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行的分析論證表明，小凈距隧道中夾巖產(chǎn)生的最大豎向變形、最大水平變形的程度均較連拱隧道的中隔墻要小?？紤]到連拱隧道與超大斷面段及小凈距段均存在復(fù)雜的施工轉(zhuǎn)換，對工程安全不利，最終采用了大拱段直接連接小凈距的形式［13］。

2.2 蓮塘隧道分岔段施工方案

施工現(xiàn)場結(jié)合進(jìn)度情況及工期要求，由兩車道隧道段（K線）進(jìn)入分岔段，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖。具體步序如下：

（1）首先在蓮塘隧道左線口岸段兩車道隧道采用全斷面開挖法施工，以兩車道隧道為導(dǎo)洞按15%坡比挑頂進(jìn)入大斷面形成右側(cè)壁上導(dǎo)坑。

（2）待右側(cè)壁上導(dǎo)坑爬坡至K1 +933.5 時(shí)，于漸變段1 處設(shè)橫向通道進(jìn)行擴(kuò)挖，橫向擴(kuò)挖起始點(diǎn)為右側(cè)壁上導(dǎo)坑K1 + 905 處，擴(kuò)挖段為K1 +905 ～K1 +920，擴(kuò)挖距離為15m。

（3）右側(cè)壁上導(dǎo)坑開挖至K1 +985 時(shí)，左側(cè)壁上導(dǎo)坑開始由擴(kuò)挖段向小里程方向和大里程方向雙向掘進(jìn)，同時(shí)，對右側(cè)壁上導(dǎo)坑上挑欠挖段進(jìn)行反刷。

（4）右側(cè)壁上導(dǎo)坑反刷至K1 +880 時(shí)，下導(dǎo)坑開挖，此時(shí)，右側(cè)壁上導(dǎo)坑掌子面里程為K1 +988，左側(cè)壁上導(dǎo)坑大里程和小里程分別為K1 +931 和K1 +900。以右側(cè)壁下導(dǎo)坑為先行洞，左側(cè)壁下導(dǎo)坑為后行洞，均采用臺階法施工由小里程向大里程掘進(jìn)。

（5）右側(cè)壁下導(dǎo)坑上臺階開挖至K1 +925、下臺階開挖至K1 +885 時(shí)，在K1 +925 里程處右側(cè)壁下導(dǎo)坑上臺階向左側(cè)壁下導(dǎo)坑上臺階進(jìn)行橫向擴(kuò)挖，同時(shí)，采用臺階法對市政連接線（SLK線）進(jìn)行施工，掘進(jìn)起點(diǎn)為SLK1 +879，掘進(jìn)方向?yàn)榇罄锍讨列±锍谭较?。?dāng)右側(cè)壁下導(dǎo)坑上臺階開挖至K1 +925、下臺階開挖至K1 +885，左側(cè)壁下導(dǎo)坑上臺階開挖至K1 +908 時(shí)，開始施作大斷面右側(cè)仰拱。

（6）施作仰拱至K1 +940 時(shí)，于大斷面位置組織襯砌臺車拼裝，開始澆筑大斷面二次襯砌，仰拱與二襯間隔60m。此時(shí)，右側(cè)壁上導(dǎo)坑已貫通，左側(cè)壁上導(dǎo)坑掌子面里程為K1 +981，右側(cè)壁下導(dǎo)坑上臺階開挖至K1 +971、下臺階開挖至K1 +945，左側(cè)壁下導(dǎo)坑上臺階開挖至K1 +967、下臺階開挖至K1 +958。

蓮塘隧道分岔段施工方案示意如圖3 所示。

圖3 蓮塘隧道分岔段具體施工方案示意Fig.3 Diagram of the specific construction plan for the bifurcated section of Liantang Tunnel

3 數(shù)值模擬計(jì)算

本文數(shù)值模擬計(jì)算分析中圍巖材料選用內(nèi)切圓法Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。

3.1 計(jì)算模型與參數(shù)

1.襯砌支護(hù)參數(shù)

設(shè)計(jì)階段經(jīng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算及工程類比分析，擬定分岔部最大斷面襯砌支護(hù)參數(shù)，見表1。

表1 襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Lining support design parameters

2.計(jì)算模型的建立

隧道開挖分析通過ANSYS 三維有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。為消除邊界效應(yīng)影響，取模型兩側(cè)到隧道距離為120m（約4 倍隧道跨度），模型下邊界到隧道底部距離為36m（約2 倍隧道高度），模型上邊界到隧道拱頂距離取隧道自然埋深為64m，隧道軸向（掘進(jìn)方向）為70m。計(jì)算時(shí)，模型前、后、左、右四個(gè)面限制水平運(yùn)動(dòng)，底面限制水平、垂直運(yùn)動(dòng)，計(jì)算模型見圖4。根據(jù)地勘資料及《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》選定各材料力學(xué)參數(shù)，見表2。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Numerical calculation model

表2 模型中主要材料力學(xué)參數(shù)Tab.2 Main material mechanical parameters in the model

3.2 最大斷面施工力學(xué)特性模擬

隧道分岔段采用單側(cè)壁上下導(dǎo)洞法施工，上導(dǎo)洞以上下臺階形式開挖，臺階高度4.5m左右。施工分四個(gè)階段：第一階段，開挖上導(dǎo)右側(cè)壁，前進(jìn)方向?yàn)樾±锍讨链罄锍?，開挖至K1 +910 處后向左擴(kuò)挖至左側(cè)壁；第二階段，擴(kuò)挖出上導(dǎo)輪廓后往回開挖左側(cè)壁，前進(jìn)方向?yàn)榇罄锍讨列±锍?，隨后施作初期支護(hù)；第三階段，開挖下導(dǎo)右側(cè)壁，前進(jìn)方向?yàn)樾±锍讨链罄锍蹋_挖至約K1 +920 處后同時(shí)開挖下導(dǎo)左側(cè)壁，下導(dǎo)左側(cè)壁開挖前進(jìn)方向?yàn)榇罄锍讨列±锍蹋坏谒碾A段，下導(dǎo)開挖完畢后施作仰拱，最后施作二次襯砌，先后順序?yàn)樾±锍讨链罄锍獭?/p>

1.圍巖位移場特性

隧道開挖后圍巖收斂變形量是反映開挖對地層擾動(dòng)最直接的體現(xiàn)。圖5 為單側(cè)壁上下導(dǎo)洞法開挖，圍巖最終的位移云圖。

圖5 圍巖最終位移云圖Fig.5 Displacement cloud of surrounding rock

結(jié)果表明，最大水平變形量出現(xiàn)于隧道兩腰處，兩腰相對位移量約為6mm。掌子面最大變形量出現(xiàn)于下導(dǎo)坑位置，最大擠出位移為1.80mm。拱頂最大下沉量11.52mm。

沿隧道軸線方向提取距掌子面不同位置處拱頂沉降做進(jìn)一步分析，結(jié)果如圖6 所示。由圖可知，拱頂變形在距最前導(dǎo)坑掌子面29m處基本趨于穩(wěn)定。

圖6 隧道拱頂沉降曲線Fig.6 Settlement curve of tunnel vault

2.應(yīng)力場特性

圖7 為隧道開挖、支護(hù)完成后圍巖的應(yīng)力云圖。圍巖最大第一主應(yīng)力值為1790kPa，位于巖體受壓安全范圍內(nèi)。

圖7 圍巖應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud in the surrounding rock

圖8a為圍巖受拉破壞圖，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槭芾茐膮^(qū)域?？梢钥闯?，最上部導(dǎo)坑掌子面第三主應(yīng)力小于巖體抗拉強(qiáng)度，因而未出現(xiàn)圍巖受拉破壞。受拉破壞的區(qū)域分布于開挖臺階處，但考慮到施工臺階處的圍巖并不是圍巖荷載的承擔(dān)主體，受拉破壞區(qū)域的存在并不會影響隧道整體穩(wěn)定性。

圖8b為圍巖塑性屈服破壞區(qū)分布云圖，藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗苄郧茐膮^(qū)域。與掌子面受拉破壞區(qū)域分布類似，塑性破壞區(qū)域主要分布于施工臺階兩側(cè)。因此，隧道兩側(cè)布置的超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿對土體進(jìn)行的加固是尤為重要的。

圖8 單側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖破壞區(qū)域Fig.8 Single sidewall pit guide method damage area of surrounding rock

3.鋼拱架應(yīng)力分析

取距洞口12m 處全環(huán)鋼拱架進(jìn)行應(yīng)力分析，圖9 為鋼拱架應(yīng)力分布，圖中受拉表示為正值，受壓表示為負(fù)值。采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)，鋼拱架所受最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為17.53MPa和54.23MPa，均小于鋼架（Q235）的容許強(qiáng)度值195MPa，初支鋼拱架的選取滿足要求。

圖9 單側(cè)壁導(dǎo)坑法下鋼拱架應(yīng)力分布（單位： MPa）Fig.9 Stress distribution of steel arch under single sidewall guide pit method（unit：MPa）

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及分析

1.隧道周邊位移

蓮塘隧道左線K1 +890 斷面為分岔部最大斷面處，隧道拱頂處實(shí)測沉降位移變形量隨時(shí)間變化曲線如圖10a所示。

隨著開挖施工推進(jìn)，隧道拱頂沉降逐漸變大，并且在一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定。由圖10a 可以看到，在施工0 ～15d 內(nèi)，隧道拱頂下沉量逐漸增大，在10d 后拱頂沉降達(dá)到8mm；施工15d后，隧道拱頂下沉基本穩(wěn)定，拱頂最大沉降量為10.7mm。

隧道拱腰變形變化曲線如圖10b 所示。可以看到，隧道拱腰變形規(guī)律與拱頂沉降規(guī)律類似，在施工15d 后基本穩(wěn)定，最大沉降量為7.2mm，約為拱頂沉降量的67.3%。

圖10 K1 +890 斷面變形量隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Curve of deformation with time at section K1 +890

2.鋼拱架應(yīng)力

蓮塘隧道左線K1 +890 斷面處鋼拱架應(yīng)力時(shí)空變化曲線如圖11 所示。由于鋼拱架拱頂測力點(diǎn)是后補(bǔ)點(diǎn)，在隧道隨后的開挖過程中由最初的受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，在鋼拱架封閉成環(huán)后，最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在內(nèi)翼緣為88.3MPa，內(nèi)、外翼緣應(yīng)力最終穩(wěn)定值為45MPa和39MPa；在初期支護(hù)施工封閉成環(huán)后，隧道拱腰和右拱肩處鋼拱架應(yīng)力較小，初支成環(huán)后，拱腰和右拱肩處壓應(yīng)力增大。右拱肩內(nèi)外翼緣最終穩(wěn)定值分別為-30MPa 和-32MPa，右拱腰內(nèi)外翼緣最終穩(wěn)定值分別為-39MPa和-38MPa。

圖11 K1 +890 斷面鋼拱架應(yīng)力時(shí)空變化曲線Fig.11 Spatial and temporal variation curve of steel arch stress at section K1 +890

3.圍巖壓力

蓮塘隧道左線K1 +890 斷面圍巖與初期支護(hù)間壓力，拱頂、左拱肩、左拱腰位置土壓力盒為2018 年4 月27 日布設(shè)，由于施工現(xiàn)場情況比較復(fù)雜，尚未開始記錄讀數(shù)即被破壞；右拱肩、右拱腰位置土壓力盒為2018 年5 月12日布設(shè)，并于偏右側(cè)拱頂位置補(bǔ)充布設(shè)拱頂土壓力盒。

不同位置處圍巖壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖12 所示。由圖可見，隧道拱頂位置和拱肩位置圍巖壓力變化規(guī)律基本一致，圍巖壓力均隨著施工時(shí)間的增大而逐漸增大，且拱頂處圍巖壓力大于拱肩處壓力。在初期支護(hù)施工封閉成環(huán)后，拱頂處圍巖壓力陡增，并且最終在80d穩(wěn)定于247kPa。右拱肩處也在初期支護(hù)施工封閉成環(huán)后圍巖壓力陡增，并且最終在80d 穩(wěn)定于221kPa。隧道拱腰處圍巖壓力小于拱頂和拱肩處圍巖壓力，在初期支護(hù)施工封閉成環(huán)后，拱腰處圍巖壓力先增大后減小，最終穩(wěn)定于50kPa。

圖12 K1 +890 斷面圍巖壓力時(shí)空變化曲線Fig.12 Spatial and temporal variation of the pressure of the surrounding rock at section K1 +890

4.2 監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

1.隧道拱頂沉降及兩腰收斂變形對比

由現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，變形穩(wěn)定后隧道拱頂沉降值為10.7mm，兩腰收斂變形為7.2mm。數(shù)值模擬計(jì)算得出拱頂最大變形量為11.52mm，兩腰收斂變形為5.8mm，兩者基本接近。

2.鋼拱架應(yīng)力對比

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，得到拱架上、下翼緣應(yīng)力分布對比情況，如圖13所示。

由圖13 可以看到，數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本吻合。隧道拱頂處的數(shù)值結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果存在差異，數(shù)值結(jié)果拱頂處上、下翼緣受到壓應(yīng)力作用，大小分別為- 54.23MPa 和-51.51MPa，兩者相差不大。但現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，拱頂處上、下翼緣受到拉應(yīng)力作用，拉應(yīng)力值為44MPa。出現(xiàn)差異的原因可能為拱頂處最早設(shè)置的測力計(jì)遭到破壞后，后期雖進(jìn)行補(bǔ)充布置，已經(jīng)無法反映真實(shí)情況。

圖13 鋼拱架應(yīng)力分布對比（單位： MPa）Fig.13 Comparison of stress distribution of steel arch（unit：MPa）

對于隧道拱肩與拱腰位置處，數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本吻合，拱肩與拱腰位置處鋼拱架受到壓應(yīng)力作用。

3.圍巖壓力對比

對比分析隧道圍巖與初期支護(hù)間壓力的數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，如圖14 所示。

圖14 圍巖與初期支護(hù)間壓力對比（單位： kPa）Fig.14 Comparison of pressure between surrounding rock and initial support（unit：kPa）

由圖14 可見，初期支護(hù)與隧道圍巖之間的壓力數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本一致。隧道拱腰處初期支護(hù)與隧道圍巖接觸壓力較小，而拱頂和拱肩處初期支護(hù)與隧道圍巖接觸壓力較大。

5 結(jié)論

本文以超大斷面蓮塘隧道施工為研究背景，建立蓮塘隧道超大斷面數(shù)值模型，分析單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程圍巖變形與受力特征，并通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析和驗(yàn)證，主要得到如下結(jié)論：

1.單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖Ⅲ級圍巖超大斷面隧道時(shí)，受拉破壞區(qū)域均存在于臺階處，上部導(dǎo)坑掌子面未發(fā)生受拉破壞，塑性破壞分布于開挖臺階兩側(cè)，其余位置處隧道結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)受拉破壞和塑性破壞，開挖施工安全可控。

2.上部導(dǎo)坑若一次性開挖，面積過大，掌子面出現(xiàn)較大范圍塑性屈服破壞區(qū)域，建議上部導(dǎo)坑再次分上下臺階以減小單次開挖面積，可進(jìn)一步減少塑性區(qū)范圍，增強(qiáng)隧道開挖施工的安全。

3.對于本文中跨度30m 的超大斷面隧道，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖，實(shí)測拱頂下沉量為10.7mm，兩腰收斂變形為7.2mm，拱頂處圍巖壓力為203.5kPa，隧道總體安全可控。鋼拱架拱頂計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)差距較大，但現(xiàn)場處于正常工作狀態(tài)。

4.數(shù)值模擬計(jì)算的圍巖變形、鋼拱架應(yīng)力及分布形態(tài)等與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合較好，相關(guān)研究結(jié)果和數(shù)據(jù)可為今后超大斷面隧道的圍巖變形規(guī)律、荷載計(jì)算、受力機(jī)理等研究工作提供借鑒。