淺埋偏壓不同跨徑小凈距隧道合理凈距及加固措施研究

高景明,馮世展,趙運(yùn)剛,梁 斌,李文杰

(1.中交二公局第四工程有限公司,河南 洛陽(yáng) 471013; 2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471000)

受山嶺地形限制,多數(shù)隧道工程洞口凈距不能滿足分離式隧道的要求,且存在左右洞跨徑不同等問題,要采用小凈距隧道的結(jié)構(gòu)形式。在不同跨徑小凈距隧道施工過程中,中夾巖的穩(wěn)定性十分重要,直接關(guān)系到整個(gè)隧道的施工安全。國(guó)內(nèi)外專家采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法,對(duì)小凈距隧道的中夾巖進(jìn)行了深入研究。姚志雄等[1]研究了淺埋地形條件下四孔小凈距隧道的力學(xué)特性。李然等[2]以京張高鐵長(zhǎng)城站實(shí)際工程為背景,運(yùn)用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法,研究了拉錨控制對(duì)中夾巖的加固效果。畢志剛等[3]依托閩南小凈距隧道工程,研究了中夾巖柱的力學(xué)特性,并針對(duì)中夾巖提出了小導(dǎo)管注漿加固的加固方案。陳皓等[4]建立了三維力學(xué)模型,分析了多個(gè)凈距下的小凈距隧道中夾巖柱的力學(xué)特性。鄭俊清[5]針對(duì)煤系隧道塌方事故的原因進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的施工處理措施。閆振虎等[6]提出了對(duì)中夾巖盤進(jìn)行分區(qū)加固的加固措施。孟凡兵等[7]依托大坪山小凈距隧道項(xiàng)目,研究了不同位置處爆破對(duì)圍巖的損傷破壞。劉蕓等[8]對(duì)比了中夾巖的不同加固方案,并采取了對(duì)中夾巖盤進(jìn)行分區(qū)加固的措施。周佳媚等[9]研究了在地震作用下隧道圍巖的力學(xué)特征。孫闖等[10]研究了在軟弱地質(zhì)條件下小凈距隧道的合理凈距。丁玉仁[11]分析了小凈距隧道的影響因素和水平位移特征。郝瑞軍[12]研究了在傾抖地質(zhì)條件下小凈距隧道圍巖的力學(xué)特性。畢玉[13]研究了在淺埋偏壓地形下采用CD法施工的小凈距隧道的合理凈距。王明年等[14]對(duì)小凈距隧道圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析。唐雨春等[15]對(duì)小凈距隧道施工過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié)。這些研究為小凈距隧道的施工過程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

在淺埋偏壓不同跨徑小凈距隧道方面的研究還相對(duì)欠缺。本文依托新疆烏尉高速上新光隧道進(jìn)口段工程,以安全系數(shù)分析法為基礎(chǔ),深入研究不同工況下中夾巖的力學(xué)特性。通過揭示不同凈距下隧道中夾巖的形變情況,分析中夾巖的穩(wěn)定性,確定合理的隧道凈距。同時(shí),對(duì)中夾巖柱采取一定的加固措施,以確保隧道施工安全進(jìn)行。

1 工程概況

上新光隧道進(jìn)、出口為不同跨徑的小凈距隧道(見圖1)。右線凈空15.4 m×5 m,左線凈空11 m×5 m。隧道進(jìn)、出口為偏壓、淺埋段,圍巖為強(qiáng)-中風(fēng)化花崗巖。右洞為先行洞,在施工達(dá)到30 m且二次襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,再進(jìn)行左洞的開挖作業(yè)。隧道進(jìn)口的左、右線間距為15.4 m。圍巖為中風(fēng)化花崗巖,其等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

2 中夾巖破壞模式及加固理論

2.1 基本假定

后行洞在開挖時(shí)要與先行洞錯(cuò)開一定的開挖距離。假設(shè)此時(shí)先行洞圍巖自身可以保持穩(wěn)定。隧道斷面如圖2所示。為了便于計(jì)算,將隧道上覆圍巖的寬度減小為d,不再是D+d,此時(shí),中夾巖柱的形狀發(fā)生改變,變?yōu)橐?guī)則的d×H矩形承重土柱。中夾巖簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖3所示,其中中夾巖柱的自重為G,豎向載荷為q1。q1的計(jì)算公式為

q1=qh(D+d)/d

(1)

式中qh為豎向土壓力。

淺埋隧道豎向土壓力的計(jì)算公式為

(2)

式中:W3為中夾巖柱上覆土體的重力;Q1、Q2分別為上覆土體兩側(cè)的摩擦力。

圖1 隧道出洞口

圖2 隧道斷面

圖3 中夾巖簡(jiǎn)化力學(xué)模型

2.2 中夾巖抗滑力與下滑力

在實(shí)際工程中通常采用錨桿對(duì)中夾巖進(jìn)行加固。此時(shí),需要在原有抗滑力的基礎(chǔ)上,加上錨桿提供的抗剪作用實(shí)現(xiàn)對(duì)抗滑力的修正。在d/H

(3)

式中:dm為中夾巖加固時(shí)錨桿之間的縱向間距;fv為錨桿的抗剪強(qiáng)度;S為錨桿的截面積;n為穿過中夾巖破裂面錨桿的個(gè)數(shù)。當(dāng)d/H≥tanα?xí)r,抗滑力為

(4)

式中H為中夾巖簡(jiǎn)化模型上部滑塊的高度。

中夾巖上部滑塊體沿著破裂面方向向下的下滑力T與其相對(duì)應(yīng)的反作用力為一對(duì)大小相等、方向相反的作用力。由此可推導(dǎo),當(dāng)d/H

(5)

式中γ為圍巖重度。

當(dāng)d/H≥tanα?xí)r,中夾巖上部滑塊體的下滑力為

(6)

2.3 小導(dǎo)管注漿加固后中夾巖的力學(xué)參數(shù)

錨固后中夾巖的彈性模量受其圍巖自身和錨桿彈性模量的共同影響。因此,注漿錨桿固定后,中夾巖的彈性模量為

(7)

式中:E為中夾巖的彈性模量;E1為注漿錨桿的彈性模量;S1為注漿錨桿的橫排間距;S2為注漿錨桿的環(huán)向間距;r為注漿錨桿的半徑。

鋼架與噴射混凝土共同支護(hù)后,等效混凝土的彈性模量為

(8)

式中:Eα為噴射混凝土的彈性模量;Eb為鋼架的彈性模量;S3為鋼架的橫排間距;d為噴射混凝土的厚度;A為鋼架截面積;l為注漿錨桿的長(zhǎng)度。

最后,根據(jù)各向同性原則,注漿錨桿支護(hù)后中夾巖的等效彈性模量為

(9)

3 模型建立

本文依托上新光隧道項(xiàng)目,運(yùn)用MIDAS GTS NX軟件建立了不同跨徑的小凈距隧道有限元模型。設(shè)置隧道凈距分別為2.9 m(0.2B)、8.7 m(0.6B)、14.5 m(1B)、21.75 m(1.5B)及29 m(2B),其中B為開挖洞寬。

根據(jù)圣維南原理建立三維有限元模型。在模型中隧道左、右應(yīng)取3倍以上洞徑,即模型橫向尺寸為120 m,上下邊界為3～4倍洞高,即模型高度為60 m,滿足隧道建模的邊界效應(yīng)。模型表層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,其余均為中風(fēng)化花崗巖。左洞跨徑為11 m,右洞跨徑為15.4 m,右洞為先行洞,左洞為后行洞。模擬開挖時(shí)每次進(jìn)尺為2 m。先行洞開挖30 m后再開挖后行洞。小凈距隧道有限元模型及測(cè)點(diǎn)分布如圖4、圖5所示。

圖4 小凈距隧道有限元模型

圖5 小凈距隧道測(cè)點(diǎn)分布

小凈距隧道的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 小凈距隧道的物理力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 圍巖位移

4.1.1 拱頂沉降

右線隧道拱頂沉降如圖6所示。隧道右線剛開挖時(shí),左線隧道還未開工,隧道右洞相當(dāng)于普通的單洞隧道開挖,拱頂沉降增加緩慢。右洞開挖步序至15后,左洞開始開挖,對(duì)右洞造成擾動(dòng),隨著開挖即將結(jié)束,拱頂沉降趨于平緩。隨著隧道凈距的減小,拱頂?shù)淖罱K沉降量不斷增大。在隧道凈距為0.2B和0.6B的情況下,當(dāng)右線隧道進(jìn)行到15～25工序時(shí),拱頂?shù)某两盗考眲≡黾?圍巖形變量較大,產(chǎn)生突變。最終沉降量分別達(dá)到了7.23 mm和6.32 mm,該狀態(tài)下的中夾巖柱極不穩(wěn)定,必須對(duì)其采取加固措施。當(dāng)隧道凈距不小于1B時(shí),隧道拱頂沉降曲線的變化趨勢(shì)較為相近,且最終沉降量較小。拱頂沉降在預(yù)留量150 mm之內(nèi)。左線隧道與右線隧道的拱頂沉降變化曲線大致相同,隧道右洞的跨徑大于左洞。沉降量均小于右線隧道。

圖6 右線隧道拱頂沉降曲線

4.1.2 中夾巖水平位移

中夾巖在不同凈距下的水平位移變化曲線如圖7所示。圖7中的位移正向?yàn)橄蛴?負(fù)向?yàn)橄蜃?。中夾巖左側(cè)測(cè)點(diǎn)的位移大部分為負(fù)向位移,且其負(fù)向位移隨著隧道凈距的增加而減小;中夾巖右側(cè)測(cè)點(diǎn)的位移方向均為正向,并且隨著隧道凈距的增加,其正向位移也不斷減小。隧道凈距越大,水平位移曲線與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)越偏向左側(cè)測(cè)點(diǎn),表明隧道中夾巖左、右側(cè)的巖體存在錯(cuò)動(dòng),且隨著隧道凈距的增大而減小。

圖7 中夾巖水平位移

綜上所述,隧道凈距越大,中夾巖的水平位移曲線就越趨于平緩。當(dāng)隧道凈距大于1B時(shí),其水平位移曲線基本平緩,中夾巖柱中部巖體基本不發(fā)生水平位移,僅在其邊緣位置處出現(xiàn)較大的水平位移。滿足水平位移預(yù)留量150 mm的要求。

4.2 中夾巖塑性區(qū)

不同凈距下中夾巖塑性區(qū)的分布情況如圖8所示。由圖8可知,隨著隧道凈距的增大,左、右洞圍巖的塑性區(qū)差異越來(lái)越大。由于右洞跨徑大于左洞跨徑,隧道總體呈現(xiàn)出右洞塑性區(qū)比左洞大的趨勢(shì)。當(dāng)隧道凈距為0.2B時(shí),左、右洞的隧道塑性區(qū)完全貫穿,且中夾巖柱面積較小,此時(shí)中夾巖柱會(huì)產(chǎn)生大變形,無(wú)法承擔(dān)上覆圍巖的壓力;當(dāng)隧道凈距為0.6B時(shí),中夾巖塑性區(qū)已經(jīng)分離,但其塑性區(qū)分布范圍較大,圍巖仍處于不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)隧道凈距為1B～2B時(shí),中夾巖柱塑性區(qū)分布基本一致,塑性區(qū)僅出現(xiàn)在隧道側(cè)壁處,中夾巖未聯(lián)通,塑性區(qū)分布范圍較小,核心部位不受塑性破壞影響;當(dāng)隧道凈距增大到2B時(shí),塑性區(qū)分布在洞壁周圍,中夾巖兩側(cè)塑性區(qū)大幅減小,隧道圍巖塑性區(qū)分布與普通分離式隧道分布一致,已不屬于小凈距隧道。

(a)0.2B

(b)0.6B

(c)1B

(d)1.5B

(e)2B

4.3 中夾巖豎向應(yīng)力

在中夾巖柱中部的厚度最小處的連線位置布置測(cè)點(diǎn)(見圖5)。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法計(jì)算出5種不同凈距下中夾巖柱在測(cè)點(diǎn)位置處的豎向應(yīng)力值(見圖9)。受隧道先后行洞施工和淺埋偏壓地形的影響,右洞跨徑大于左洞,導(dǎo)致中夾巖柱的右側(cè)豎向應(yīng)力值比左側(cè)大。

圖9 中夾巖的豎向應(yīng)力

當(dāng)隧道凈距為0.2B時(shí),中夾巖的豎向應(yīng)力曲線呈單峰趨勢(shì),豎向應(yīng)力極值出現(xiàn)在中部測(cè)點(diǎn)處,說明中夾巖的應(yīng)力集中在中部,此時(shí)中夾巖的穩(wěn)定性極差,需要施加相應(yīng)加固措施;當(dāng)隧道凈距為0.6B時(shí),中夾巖的豎向應(yīng)力曲線基本呈直線分布,豎向應(yīng)力在中部分布較為均勻,中夾巖處于不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)隧道凈距為1B時(shí),豎向應(yīng)力曲線呈中間低兩邊高的凹型分布,開挖過程中壓力拱疊加,豎向應(yīng)力場(chǎng)分布均勻;當(dāng)隧道凈距為1.5B或2B時(shí),中夾巖的豎向應(yīng)力曲線呈凹型趨勢(shì),兩端應(yīng)力極值減小,中部測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值下降較快,且隨著隧道凈距的增大,其下降趨勢(shì)越明顯,隧道凈距越大,中夾巖穩(wěn)定性越強(qiáng),所受應(yīng)力越小,受施工擾動(dòng)也就越小,更為安全。

4.4 淺埋地層地表沉降

地表沉降測(cè)點(diǎn)的布置如圖5所示,地表沉降曲線如圖10所示。當(dāng)隧道凈距為0.2B時(shí),沉降量最大;當(dāng)隧道凈距為2B時(shí),沉降量最小。當(dāng)隧道凈距為0.2B、0.6B與1B時(shí),隧道沉降量相差較大。當(dāng)0.2B與0.6B時(shí),沉降量遠(yuǎn)大于1B,處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知,當(dāng)凈距為0.6B及以下時(shí),隧道較為危險(xiǎn),而凈距為1B～2B的隧道沉降量相差不多,均在地表沉降預(yù)留量150 mm之內(nèi),較為安全。在5種不同凈距下,地表沉降曲線均呈左低右高的M型分布,其沉降量在中夾巖的中線處最小,在兩隧道中線處的沉降值普遍偏大,其峰值均位于右線隧道中線處。由于受到后行洞開挖擾動(dòng)的影響,右洞跨徑大于左洞,導(dǎo)致隧道右線附近地表沉降普遍大于隧道左線,在靠近右線隧道的隧道中線處出現(xiàn)極值。由此可見,先行洞隧道中線處的地表沉降量受后行洞開挖影響極大,應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率。

圖10 地表沉降監(jiān)測(cè)

4.5 合理凈距分析

影響小凈距隧道合理凈距的因素較多,如隧道埋深、圍巖級(jí)別、開挖方案等。隧道凈距越小,后行洞開挖對(duì)先行洞的擾動(dòng)越大,中夾巖的穩(wěn)定性和完整性越差,需要進(jìn)行相應(yīng)的加固措施,這樣會(huì)增加隧道的開挖成本與施工難度。

當(dāng)隧道凈距大于1B時(shí),隧道拱頂?shù)某两盗考爸袏A巖的水平位移均較小。此時(shí)中夾巖的塑性區(qū)分布已經(jīng)完全分離,且塑性區(qū)較小,隨著隧道凈距的增大,中夾巖塑性區(qū)的分布范圍變化并不明顯。中夾巖豎向應(yīng)力呈凹型趨勢(shì),且隨著隧道凈距的增大,中夾巖中間部分的豎向應(yīng)力值下降速率較快,說明中夾巖中部受開挖擾動(dòng)的影響逐漸減小。中夾巖上部地表的沉降明顯減小,且隨著隧道凈距的增大而不斷減小。各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足隧道設(shè)計(jì)值要求。當(dāng)隧道凈距增大到2B時(shí),中夾巖的受力特征與普通的分離式隧道相似。綜上所述,小凈距隧道的合理凈距范圍應(yīng)為1B～2B,因此上新光隧道進(jìn)洞口段的線間距為15.4 m(1.06B)是合理的。

5 中夾巖柱加固方案

使用小導(dǎo)管注漿加固可增大中夾巖巖體的彈性模量、黏聚力和巖體內(nèi)摩擦角,減小巖體泊松比。以此改變中夾巖的巖體參數(shù),增強(qiáng)其穩(wěn)定性和安全系數(shù)。

上新光隧道洞口小凈距段采用長(zhǎng)3.5 m、φ42 mm×4 mm的注漿鋼花管對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固。小導(dǎo)管環(huán)向間距為40 cm,縱向排距為240 cm。

對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12、圖13所示。小凈距段施工結(jié)束后,地表測(cè)點(diǎn)D1～D5的最終沉降量分別為47.15、42.13、38.45、53.15、55.56 mm,模擬值分別為49.56、45.18、36.71、50.19、57.01 mm。加固后的中夾巖與未進(jìn)行加固措施的中夾巖相比,其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降值減小13～15 mm。G1和G2的最終沉降值的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值分別為2.77 mm和3.17 mm,模擬值分別為2.57 mm和3.02 mm,誤差均在10%以內(nèi)。相較于未加固工況,左洞拱頂最終沉降(3.23 mm)和右洞拱頂最終沉降(3.66 mm)分別減小了14.25%和13.39%。由圖12、圖13可知,地表沉降在預(yù)留量150 mm以內(nèi),表明該加固方案是可行的。

圖11 測(cè)點(diǎn)布置

(a)地表沉降監(jiān)測(cè)值

(b)地表沉降模擬值

(a)拱頂沉降監(jiān)測(cè)值

(b)拱頂沉降模擬值

6 結(jié)論

(1)運(yùn)用MIDAS GTS NX軟件建立隧道有限元模型,對(duì)5種不同凈距隧道的圍巖力學(xué)特性進(jìn)行分析,確定小凈距隧道的合理凈距為1B～2B。

(2)在不同跨徑小凈距隧道中,中夾巖豎向應(yīng)力曲線呈凹字形分布。豎向應(yīng)力分布在左右洞拱腰位置,其連線中點(diǎn)位置處的應(yīng)力分布較小,且拱腰處塑性區(qū)分布較大,因此該處應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

(3)在隧道小凈距段,右洞拱頂沉降、地表沉降以及中夾巖的水平位移均在設(shè)計(jì)值之內(nèi)。但左右兩洞拱腳處的塑性區(qū)分布相對(duì)較大,需要加強(qiáng)這幾處區(qū)域的監(jiān)測(cè),并施以相應(yīng)的加固措施。

(4)根據(jù)圍巖加固理論,采用小導(dǎo)管注漿加固區(qū)域的措施對(duì)中夾巖進(jìn)行加固。通過施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),隧道地表沉降量均在預(yù)留量150 mm以內(nèi)。表明采用小導(dǎo)管注漿加固能顯著增強(qiáng)中夾巖的穩(wěn)定性、剛度以及整體性,該方法可為此類施工提供借鑒。