淺埋大斷面分岔隧道中夾巖柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

郭志玉

（中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西西安 710024）

0 引言

大斷面分岔隧道作為隧道結(jié)構(gòu)的一種特殊形式，具有一定特點(diǎn)。一般情況下，隧道呈“Y”型分布，同時具有大跨度段、超大跨度段、連拱段、小凈距段、分離段等多個部位[1-4]。在連拱段和小凈距段，兩隧道之間的中夾巖柱厚度較薄，在上部荷載的作用下容易產(chǎn)生屈服和破壞，是大斷面分叉隧道設(shè)計和施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此有必要做進(jìn)一步研究。

唐陶文等[5]基于分岔隧道小凈距段平衡拱的2 種極限情況，結(jié)合普氏理論推導(dǎo)分岔隧道中夾巖柱的圍巖壓力表達(dá)式。賀鵬等[6]以裂隙擴(kuò)展破碎區(qū)貫通與否作為中夾巖柱穩(wěn)定性的評定依據(jù)，分別針對無錨、有錨支護(hù)條件下的圍巖穩(wěn)定性狀況及變形特征進(jìn)行了對比分析。吳德興等[7]認(rèn)為中夾巖柱受力狀態(tài)控制的關(guān)鍵位置為先行洞的外側(cè)拱腳區(qū)域及后行洞開挖期間先行洞外側(cè)拱腳至墻腳及后行洞內(nèi)側(cè)拱腳至墻腳區(qū)域。王夢楠等[8]采用分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)、場振速及聲速監(jiān)測等研究了爆破對中夾巖柱的影響。雷圣偲[9]認(rèn)為淺埋小凈距隧道中夾巖柱的“支點(diǎn)”效應(yīng)較為明顯，深埋小凈距隧道中夾巖柱被包圍在壓力拱下“支點(diǎn)”效應(yīng)被弱化。劉佳[10]結(jié)合工程實(shí)例，針對受力薄弱的中夾巖柱部位提出有效的加固措施。李軍[11]研究中空注漿錨桿長度變化對中夾巖及隧道穩(wěn)定性的影響，得到合理加固參數(shù)。此外，還存在不少類似研究[12-19]，但是針對淺埋大斷面分岔隧道中夾巖柱穩(wěn)定性分析尚有不足之處，例如對隧道分步開挖過程中夾巖柱應(yīng)力轉(zhuǎn)化過程的認(rèn)識還不是特別清楚，中夾巖柱巖體的破壞模式?jīng)]有詳細(xì)的分類等，因此需要對中夾巖柱進(jìn)行更深入的研究。

本文以重慶市曾家?guī)r北延伸穿越跨內(nèi)環(huán)新增通道工程火鳳山隧道為工程背景，對超大斷面分叉隧道不同厚度的中間巖柱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對中夾巖柱兩側(cè)隧道圍巖變形，中夾巖柱壓應(yīng)力、剪應(yīng)力等進(jìn)行了具體分析，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比。

1 工程概況

重慶市曾家?guī)r北延伸穿越跨內(nèi)環(huán)新增通道工程火鳳山隧道左線ZK4+340.332 至ZK4+440.507、右線YK3+962.470 至YK4+108.278 段屬于“大跨+超小凈距區(qū)”，如圖1 所示。以該隧道左線為例，大斷面分叉區(qū)包括以下幾個斷面：14.45m 標(biāo)準(zhǔn)段斷面、17.45m加寬段斷面、20m 加寬段斷面、25m 加寬段斷面、連接線段斷面等五個斷面，每個斷面的支護(hù)參數(shù)與開挖跨度等如表1所示[20]。分叉段左右兩側(cè)分別為14.45m 標(biāo)準(zhǔn)段和連接線，靠近25m 加寬段一側(cè)的中夾巖柱最薄，寬度為1m。

圖1 左線隧道分叉示意圖

表1 隧道支護(hù)參數(shù)表

該工程左線ZK4+370 ～ZK4+430 的圍巖劃分等級為Ⅳ級。隧道圍巖以泥巖為主，中風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎多呈碎石狀碎裂結(jié)構(gòu)，為淺埋隧道。巖體富水性弱，開挖時可能存在較小量的滴水、滲水等現(xiàn)象。巖體自穩(wěn)能力差，開挖時不及時支護(hù)或支護(hù)（處理）不當(dāng)易產(chǎn)生較大規(guī)模的坍塌，側(cè)壁穩(wěn)定性差。BQ 修正值：272.75。其中，25m 加寬段拱頂至地面的距離只有11.4m。

根據(jù)施工計劃，該分叉隧道掘進(jìn)方向如圖2 所示，具體順序?yàn)椋海?）14.45m 標(biāo)準(zhǔn)段左側(cè)單側(cè)壁導(dǎo)坑施工；（2）橫向?qū)Ф崔D(zhuǎn)角處施工；（3）橫導(dǎo)洞施工；（4）14.45m 標(biāo)準(zhǔn)段右側(cè)壁導(dǎo)坑施工；（5）25m 加寬段與20m 加寬段左側(cè)導(dǎo)坑施工；（6）17.45m 加寬段左側(cè)導(dǎo)坑施工；（7）17.45m 加寬段右側(cè)導(dǎo)坑施工；（8）17.45m 加寬段隧道施工。在上述施工過程中，全部采用非爆開挖。

圖2 隧道掘進(jìn)方向示意圖

2 計算參數(shù)反演與計算模型

2.1 E 值反演及計算參數(shù)

地勘資料顯示圍巖為Ⅳ級，圍巖參數(shù)如表2 所示。表2 中的數(shù)據(jù)為現(xiàn)場取樣與室內(nèi)試驗(yàn)的理論值，沒有考慮圍巖結(jié)構(gòu)面以及開挖過程中的損傷與劣化，因此本文首先基于已開挖并趨于穩(wěn)定的某區(qū)段位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，對圍巖參數(shù)進(jìn)行反演分析。相關(guān)研究表明[11]彈性模量E敏感性明顯比其它三個參數(shù)高得多，因此本文將彈性模量E作為位移反分析的反演參數(shù)。

反演借助有限差分 軟 件FLAC 3D 且 采用M-C 模型，共計算三次，在這三次過程中除改變E值外，其余參數(shù)均按表2 所示。三次計算所采用的的E值分別為：E1=1630MPa；E2=815MPa；E3=407.5MPa。

表2 地勘參數(shù)

當(dāng)彈性模量E分別為E1、E2、E3時， 圍 巖 的豎向位移分別為3.2mm、6.4mm、13mm。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，反演段隧道圍巖最終的豎向沉降為13.2mm。因此本次計算采用的彈性模量E為407.5MPa。

2.2 計算模型

本次計算模型見圖3，整個三維計算模型尺寸為：130m（x方向）×60m（z 方向）×72m（y 方向）。巖土屈服條件采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。隧道初期支護(hù)采用實(shí)體單元，臨時支護(hù)采用結(jié)構(gòu)單元shell。模型開挖過程中的掘進(jìn)方向如圖2 所示。為簡化計算，將錨桿與圍巖的彈性模量、強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折合，將鋼支撐與初期支護(hù)的彈性模量進(jìn)行折合[21]，各個斷面的開挖方式及支護(hù)參數(shù)見表1。

圖3 計算模型

本次計算分析共選取4 個斷面來分析不同厚度下中夾巖柱的變形與應(yīng)力，如表3 所示。

表3 不同工況下中夾巖柱厚度（m）

3 計算結(jié)果

3.1 中夾巖柱上部圍巖沉降變形分析

通過模擬計算得出斷面Ⅰ—斷面Ⅳ中圍巖豎向位移均在1.8 ～2.0cm 之間，斷面Ⅰ處的圍巖豎向位移分布云圖見圖4。由于隧道埋深較淺，屬于淺埋隧道，隧道開挖導(dǎo)致的地表沉降值也相對較大，最大值達(dá)到1.24cm。當(dāng)兩隧道之間的中夾巖柱厚度較薄時，連接線與14.45m 標(biāo)準(zhǔn)段的拱頂圍巖豎向沉降均較大，如圖4 斷面Ⅰ所示，標(biāo)準(zhǔn)段的拱頂圍巖豎向沉降為1.9cm，連接線的拱頂圍巖沉降為1.26cm。隨著中夾巖柱厚度的增加，連接線拱頂圍巖豎向沉降值明顯減小，標(biāo)準(zhǔn)段拱頂圍巖豎向沉降值變化不大，當(dāng)中夾巖柱厚度達(dá)到5m 以上時，兩隧道之間的進(jìn)階效應(yīng)明顯降低，圍巖沉降主要集中在標(biāo)準(zhǔn)段隧道上方。

圖4 中夾巖柱上部圍巖豎向沉降分布圖（斷面Ⅰ）

3.2 中夾巖柱巖體豎向應(yīng)力分析

分別計算分叉段隧道中夾巖柱的圍巖豎向應(yīng)力，如圖5 所示。當(dāng)中夾巖柱厚度較小時，兩隧道拱腰間的圍巖豎向應(yīng)力達(dá)到5.5MPa。由于前方大斷面隧道的存在，使得連接線拱頂上方圍巖豎向應(yīng)力均較大（大斷面投影范圍內(nèi)），平均值達(dá)到2.0MPa。隨著中夾巖柱厚度的增加，連接線拱頂上方圍巖豎向應(yīng)力值逐漸下降，當(dāng)中夾巖柱厚度達(dá)到2.5m 時（斷面Ⅱ），連接線拱頂上方圍巖豎向應(yīng)力值恢復(fù)常規(guī)分布狀態(tài)。

圖5 中夾巖柱上部圍巖豎向應(yīng)力分布圖（斷面Ⅱ）

當(dāng)中夾巖柱厚度在2.5 ～4.0m 時（斷面Ⅱ與斷面Ⅲ），圍巖豎向應(yīng)力約為3.5MPa 左右，當(dāng)中夾巖柱厚度達(dá)到5m 以上時，圍巖豎向應(yīng)力約為2.5MPa 左右，兩隧道之間的近接效應(yīng)明顯降低。

3.3 中夾巖柱巖體剪應(yīng)力分析

同時計算分叉段隧道中夾巖柱各斷面的圍巖剪應(yīng)力。斷面Ⅰ時，中夾巖柱由于厚度較薄，受力形式較為復(fù)雜，平均剪應(yīng)力也較大，達(dá)到了3.0MPa，如圖6 所示。此外連接線上部的圍巖剪應(yīng)力也明顯大于其他三種工況，平均值為2.15MPa。隨著中夾巖柱厚度的增大，該部位圍巖剪應(yīng)力逐漸降低，兩隧道之間的近接效應(yīng)逐漸減小，當(dāng)兩隧道之間的凈距達(dá)到5m 以上時，該部位圍巖剪應(yīng)力降低到1.4MPa 左右。

圖6 中夾巖柱上部圍巖剪應(yīng)力分布圖（斷面Ⅰ）

3.4 初期支護(hù)最小主應(yīng)力

計算分叉段兩隧道的初期支護(hù)最小主應(yīng)力，斷面Ⅱ處的初期支護(hù)最小主應(yīng)力如圖7 所示。連接線初期支護(hù)最小主應(yīng)力值較大的部位主要位于右側(cè)拱腰與左側(cè)拱肩處，兩處最小主應(yīng)力值分別為5.8MPa、4.7MPa；14.45m 標(biāo)準(zhǔn)段初期支護(hù)最小主應(yīng)力值較大的部位位于兩側(cè)拱腰處，為3.86MPa。因此連接線隧道的初期支護(hù)整體上在兩側(cè)拱腰處受到了較為明顯的偏壓作用，有可能會造成一定程度的變形，施工過程中必須加強(qiáng)監(jiān)測。

圖7 初期支護(hù)最小主應(yīng)力（斷面Ⅱ）

標(biāo)準(zhǔn)段隧道的初期支護(hù)整體上受力較為均勻，每種工況下的兩側(cè)拱腰最小主應(yīng)力相差不大。

4 圍巖監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到：兩隧道中夾巖柱厚度為1.0m 時，標(biāo)準(zhǔn)段隧道圍巖拱頂最大沉降值為1.95cm，連接線隧道圍巖拱頂最大豎向位移為1.17cm；兩隧道中夾巖柱厚度為3.0m 時，標(biāo)準(zhǔn)段隧道圍巖拱頂最大沉降值為1.88cm，連接線隧道圍巖拱頂最大豎向位移為1.04cm。將此監(jiān)測數(shù)據(jù)與本文模擬計算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到模擬結(jié)果與計算結(jié)果吻合較好，符合工程實(shí)際。

5 結(jié)論

本文首先對隧道變形影響較大的彈性模量E 進(jìn)行反演分析，然后借助FLAC 3D 有限差分軟件對大斷面分叉隧道的中夾巖柱上部圍巖變形、巖柱應(yīng)力、初期支護(hù)等進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：

（1）中間巖柱厚度較薄時，兩隧道拱頂圍巖沉降均較大，隨著巖柱厚度的增大，上部圍巖沉降偏向標(biāo)準(zhǔn)段隧道；

（2）中間巖柱厚度越薄，開挖造成的巖柱豎向應(yīng)力越大，隨著巖柱厚度的增大，巖體豎向應(yīng)力逐漸降低，當(dāng)其厚度增大至5m 以上時，兩隧道之間的近接效應(yīng)逐漸降低；

（3）中間巖柱厚度較薄時，巖柱巖體剪應(yīng)力較大，且由于施工轉(zhuǎn)換的原因，連接線上方的巖體剪應(yīng)力值同樣較大，當(dāng)巖柱厚度達(dá)到3m 以上時，此現(xiàn)象逐漸消失；

（4）由于存在近接效應(yīng)且中夾巖柱厚度較薄，使得連接線隧道的初期支護(hù)左、右兩側(cè)拱腰最小主應(yīng)力相差較大，存在明顯的偏壓現(xiàn)象，當(dāng)巖柱厚度達(dá)到5m 以上時，偏壓現(xiàn)象逐漸減弱。