基于模型試驗的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程模擬研究

馮 展,鄭國平,2,莊一舟,孫海濤

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州市 310014; 2.杭州新奧土木工程技術(shù)有限公司 杭州市 310051;3.核工業(yè)井巷建設(shè)集團有限責(zé)任公司 湖州市 313000)

0 引言

在超大斷面淺隧道施工中,使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能有效控制圍巖變形,對保證施工安全具有十分重要的意義[1]。隧道洞口淺埋段一般巖體破碎,穩(wěn)定性差,施工風(fēng)險高,大斷面隧道一般均采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖,以控制圍巖變形與松弛,確保隧道整體穩(wěn)定與支護受力安全。

李躍強等[2-4]利用FLAC3D軟件模擬了多種工況下大斷面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工流程;汪衛(wèi)華等[5-7]對雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法進行了優(yōu)化分析;孫海濤等[8-10]運用數(shù)值分析方法研究了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中隧道的相關(guān)影響因素;劉少峰等[11]基于圍巖開挖擾動時應(yīng)力響應(yīng)原理,通過模型試驗,建立巖質(zhì)隧道的縱向變形規(guī)律曲線,獲得隧道開挖最大徑向位移與施工工藝的變化規(guī)律;馮義[12]針對國內(nèi)新近出現(xiàn)的低跨比雙洞八車道,依托相關(guān)實際工程,進行了室內(nèi)模型試驗和必要的數(shù)值模擬分析;江浩等[13]分析了模型試驗中相似材料的選用原則和關(guān)鍵問題,然后基于兩種不同的幾何相似程度,比較討論了模型幾何相似程度對隧道模型和隧道原型結(jié)構(gòu)之間應(yīng)力與彎矩結(jié)果的影響程度,研究結(jié)果表明,幾何相似程度決定了模型相似比尺設(shè)計的合理性。

四車道超大斷面隧道圍巖自穩(wěn)能力降低,且雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工流程復(fù)雜?，F(xiàn)有文獻對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程的分析主要基于數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測,前者與采用的物理參數(shù)密切相關(guān),荷載釋放系數(shù)等參數(shù)受人為因素影響較大,而后者能采集到的數(shù)據(jù)有限,費時費力且成本高昂,且針對四車道超大斷面隧道開展模型試驗的研究尚不多。因此,文章依托溫州大羅山隧道,采用模型試驗方案,對其開挖和支護過程進行模擬,以期為依托隧道和類似工程提供參考。

1 室內(nèi)模型試驗設(shè)計

參考浙江省內(nèi)首座高速公路單洞四車道小凈距隧道工程,進行本次試驗設(shè)計。結(jié)合大羅山隧道的現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告以及設(shè)計單位的相關(guān)資料,選取該隧道淺埋段某典型斷面進行分析,圍巖所處等級為Ⅳ級,開挖工法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

1.1 相似材料

本試驗擬定的相似比為50,根據(jù)相似第一定理和相似第二定理[14],確定材料性質(zhì)相似比如下:容重、泊松比、內(nèi)摩擦角、應(yīng)變相似比:Cγ=Cμ=Cφ=Cε=1,抗壓強度、應(yīng)力、粘聚力、彈性模量相似比CR=Ce=Cσ=CE=50。本次試驗主要考慮隧道雙側(cè)壁開挖對圍巖應(yīng)力的影響,為簡化試驗,不考慮初期支護鋼拱架及超前支護的影響。

圍巖相似材料以河沙、800目重晶石粉、40目石英砂、二級粉煤灰為骨料,洗潔精作為粘結(jié)劑[15],參考程芳卉[16]研究的圍巖相似材料配合比例,采用MTS萬能試驗機和直剪儀等開展圍巖相似材料力學(xué)試驗,最終確定本實驗圍巖相似材料質(zhì)量配合比為:河沙∶800目重晶石粉∶40目石英砂∶二級粉煤灰∶洗潔精=41.25%∶24.35%∶15.28%∶12.5%∶5%。原型材料與相似材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。參考徐前衛(wèi)等[17]斷層的研究結(jié)果,本試驗的節(jié)理采用滑石粉進行模擬,厚度為0.1mm,節(jié)理間距取4cm。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

襯砌相似材料采用水和石膏作為主要原料,緩凝劑作為添加劑,初噴混凝土標號為C25,厚度為30cm,二次混凝土標號為C30,厚度為60cm,其參數(shù)按照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[18](JTG 3370.1─2018)取值,按照確定的相似比1:50比選出最佳的水膏比。模型與原型值對比如表2所示。

表2 原型材料與模型材料參數(shù)

錨桿采用Φ0.5mm和長度6cm的鐵絲模擬,二次襯砌受力主筋(未考慮結(jié)構(gòu)筋)采用Φ1mm的鐵絲網(wǎng)進行模擬,其力學(xué)參數(shù)按試件試驗數(shù)據(jù)為準,通過試驗數(shù)據(jù)和直徑,通過原型與模型的等效抗彎剛度EI和等效抗拉剛度EA進行相似模擬。

1.2 試驗設(shè)備

(1)模型試驗臺架

模型試驗臺架由高強玻璃板、左右側(cè)槽鋼、背部亞克力板、背部槽鋼、頂部支撐反力架和基座等組成,通過在頂部布置千斤頂實施加載。模型試驗臺架內(nèi)部空間為3000mm×300mm×1450mm(長×寬×高),在保證整體下降0.1mm范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)承受最大荷載大于1MPa。背部通過安裝亞克力及槽鋼板進行隧道開挖模擬和隧道二襯結(jié)構(gòu)承載試驗。為了減少圍巖相似材料與箱壁的摩擦力,在填充相似材料前,在箱體內(nèi)壁鋪設(shè)聚四氟乙烯薄膜,并刷一層潤滑油。

(2)加載系統(tǒng)

本實驗加載方式采用液壓千斤頂,均勻布置6個液壓千斤頂于反力架下,通過壓力傳感器和數(shù)顯裝置實現(xiàn)分級加載,在圍巖頂部布置模板進行均布荷載傳遞。本加載系統(tǒng)具有操作簡單、布置靈活、加載穩(wěn)定等優(yōu)點。

(3)量測系統(tǒng)

本試驗的量測系統(tǒng)主要由地表沉降量測系統(tǒng)、圍巖應(yīng)力量測系統(tǒng)組成。地表沉降量采用千分表進行測試,圍巖應(yīng)力由直徑14mm土壓力計來量測,通過應(yīng)變儀進行數(shù)據(jù)采集,采集系統(tǒng)規(guī)格為60通道,采集精度高,數(shù)據(jù)通過應(yīng)變儀連接電腦收集。

1.3 試驗方案

隧道模型試驗一般采用“先加載,后開挖”和“先開挖,后加載”的方式進行,由于本隧道為淺埋隧道,故采用后者的方式進行,具體流程如下:

(1)模型材料分類,按照比例攪拌;

(2)在模型箱內(nèi)分層填筑混合料并人工夯實;

(3)填筑滑石粉并夯實;

(4)按照圖1在監(jiān)測斷面布置土壓力盒和千分表;

圖1 測點布置(單位:cm)

(5)持續(xù)填筑至模型頂部。

隧道監(jiān)測點布置如圖1所示,共布置28個土壓力盒,布置間距為15cm,左右拱腰處不僅監(jiān)測圍巖的豎向應(yīng)力,也對其徑向應(yīng)力進行監(jiān)測;地表處共布置14個千分表,間距不等。儀器布置均位于模型中線處,模型試驗箱寬30cm,即均布置在15cm處。

本試驗?zāi)Ｐ烷_挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,每一步開挖進尺為10cm(對應(yīng)依托工程5m),每個區(qū)塊在厚度方向分為三層,每層分4步開挖,如第一層開挖步為1-1、1-2、1-3、1-4,共開挖12步,具體施工步驟如表3和圖2所示。模型開挖和支護采用實驗室專用工具完成,為了保證隧道開挖走向正確,采用全站儀等儀器輔助開挖。

圖2 隧道橫斷面開挖示意圖

表3 施工步驟

隧道開挖完成后,拆除臨時支護,進行二次襯砌的埋設(shè),通過灌注石膏漿液保證二襯和初期支護之間接觸密實,隨后通過千斤頂對圍巖進行逐級加載,每級加載0.9kN,直至拱頂裂縫充分貫通。

2 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果包括了開挖階段中圍巖的應(yīng)力變化和地表沉降,以及隧道開挖完成后,附加荷載作用下圍巖的應(yīng)力特征和襯砌裂縫發(fā)展情況。

2.1 開挖階段試驗結(jié)果分析

2.1.1圍巖應(yīng)力變化

左右數(shù)據(jù)基本呈對稱分布,故采用右側(cè)數(shù)據(jù)進行分析。隧道開挖階段圍巖應(yīng)力變化規(guī)律如圖3所示,負值代表圍巖應(yīng)力值減小,正值代表圍巖應(yīng)力增大。由圖3(a)可以看出,隧道開挖后,由于應(yīng)力釋放,右側(cè)拱腰處圍巖的豎向應(yīng)力呈減小的趨勢,且越靠經(jīng)右拱腰,圍巖應(yīng)力減小幅度越大,尤其是最靠近隧道拱腰處的測點,圍巖應(yīng)力減小幅度最大,L8測點圍巖豎向應(yīng)力減小值為345.5kPa;由圖3(b)可以看出,右拱腰切向應(yīng)力的變化規(guī)律和右拱腰豎向應(yīng)力的變化規(guī)律相似,均是隨著隧道的開挖,圍巖的應(yīng)力均呈減小的趨勢,越靠近隧道拱腰處的測點,圍巖應(yīng)力減小幅度越大,L16測點圍巖豎向應(yīng)力減小值為162.4kPa;由圖3(c)可以看出,隧道開挖后,L21靠近隧道右拱肩,徑向應(yīng)力減小幅度最大,減小值為690.2kPa,L24測點徑向應(yīng)力值增加,L27測點徑向應(yīng)力值減小;由圖3(d)可以看出,拱頂豎向應(yīng)力的變化規(guī)律和右拱腰應(yīng)力的變化規(guī)律相似。由圖3可以看出,隧道第一個斷面開挖結(jié)束,圍巖的應(yīng)力變化值均較小,當?shù)诙€斷面開挖時,圍巖應(yīng)力盒布置位置處于隧道開挖第二個斷面內(nèi),圍巖應(yīng)力變化值較大,第三斷面開挖結(jié)束后,圍巖應(yīng)力變化值減小,表明第二斷面開挖結(jié)束,圍巖應(yīng)力釋放效率最高。

圖3 開挖階段圍巖應(yīng)力特征

2.1.2地表沉降

不同開挖階段地表沉降曲線如圖4所示。從圖4中可以看出,隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖后,地表各監(jiān)測點均發(fā)生了不同程度的沉降,其中不同斷面開挖結(jié)束后,地表沉降最大值均位于模型中間處,地表沉降最大值為5.20mm,其中模型中線左右側(cè)四個點的沉降值較大。第一斷面開挖結(jié)束后,地表沉降最大值為1.55mm,占總沉降值的29.8%,此時隧道開挖斷面未到達監(jiān)測斷面,故地表沉降值均較小;第二斷面開挖結(jié)束后,地表沉降最大值為4.52mm,增量為2.97mm,占總沉降值的57.1%,此時隧道掌子面已經(jīng)到達且穿過隧道監(jiān)測斷面,地表發(fā)生較大的沉降;第三斷面開挖結(jié)束后,地表沉降最大值為5.15mm,增量為0.63mm,占總沉降值的12.1%,此時初期支護和臨時支護發(fā)揮較大的支撐作用,有效控制了圍巖的位移,進而控制了地表的沉降;臨時支護拆除后,地表沉降最大值為5.20mm,增量為0.05mm,占總沉降值的1%,臨時支護的拆除對地表沉降的影響較小,表明初期支護和臨時支護效果顯著。

圖4 不同斷面開挖地表沉降曲線(單位:mm)

2.2 加載階段試驗結(jié)果分析

隧道加載階段圍巖應(yīng)力變化規(guī)律如圖5所示。由圖5中可以看出,圍巖應(yīng)力隨著千斤頂?shù)募虞d逐漸增大,在拱頂裂縫未出現(xiàn)時,基本呈線性增長,其中拱頂圍巖應(yīng)力增長速率最大,其次分別為拱肩、拱腰和拱底;當拱頂出現(xiàn)貫穿裂縫時,此時各拱頂、拱肩和拱底圍巖應(yīng)力的增長速率呈減小的趨勢,表明此時襯砌的承載力下降。

圖5 圍巖應(yīng)力隨附加荷載變化曲線

3 結(jié)語

文章利用模型試驗?zāi)M了隧道的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖,對開挖階段和加載階段的圍巖應(yīng)力等進行分析,得出以下結(jié)論:

(1)臨時支護拆除后,地表沉降最大值為5.20mm,增量為0.05mm,占總沉降值的1%,表明初期支護和臨時支護效果顯著。

(2)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖,地表沉降基本沿著隧道中線呈對稱分布,故可以推測由于隧道對稱性開挖,導(dǎo)坑隧道受到偏壓效果不顯著。

(3)在隧道開挖階段越靠近隧道周邊的圍巖應(yīng)力監(jiān)測點,圍巖應(yīng)力變化越大,且圍巖應(yīng)力變化從大到小依次為拱肩切向應(yīng)力、拱頂豎向應(yīng)力、拱腰豎向應(yīng)力、拱腰切向應(yīng)力,建議做好拱肩和拱頂部位初期支護加固措施。隧道加載階段,拱頂裂縫貫穿前,圍巖應(yīng)力隨著附加荷載的增加,基本呈線性增長,當拱頂裂縫貫穿后,襯砌的承載力明顯下降。