大跨度隧道初期支護(hù)大變形原因分析

董新平

(鄭州大學(xué) 交通工程系，鄭州 450002)

大跨度隧道初期支護(hù)大變形原因分析

董新平

(鄭州大學(xué) 交通工程系，鄭州 450002)

本文針對內(nèi)昆線曾家坪大跨隧道在導(dǎo)洞開挖過程中出現(xiàn)的內(nèi)壁變形嚴(yán)重現(xiàn)象，對其產(chǎn)生原因及主要影響因素進(jìn)行了分析。分析表明，左右導(dǎo)洞的兩側(cè)支護(hù)位移是非對稱的，位于下臺階位置處的內(nèi)壁出現(xiàn)了局部大變形。導(dǎo)致內(nèi)壁產(chǎn)生局部大變形的因素包括導(dǎo)洞形狀及圍巖初始應(yīng)力場、左右導(dǎo)洞施工的相互影響、支護(hù)的非均衡設(shè)計、偏壓問題等。導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形狀及初始應(yīng)力場分布是本工程中內(nèi)壁破壞嚴(yán)重這一顯著特點(diǎn)的內(nèi)在形成原因，而其它三個因素使該特點(diǎn)進(jìn)一步放大，其中，非均衡設(shè)計因素的影響尤其顯著。

隧道工程 大跨度 雙側(cè)壁法 破壞

內(nèi)昆線曾家坪車站受地形限制，被迫伸入曾家坪隧道進(jìn)口段。該隧道進(jìn)口段有413 m為三線大跨度隧道。其中，三線隧道長269 m，喇叭口隧道長144 m，其余為單線隧道。

隧道圍巖為第四系坡殘積層(Qdl+el4)砂黏土夾泥質(zhì)灰?guī)r、崩坡積層(Qdl+col4)塊石土、遇水極易軟化的斷層泥(Fbc)、泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖(S2d)、砂巖夾頁巖(S2s)等。其中，進(jìn)口段90 m位于堆積體中，其成分以塊石土為主，砂黏土填充。隧道進(jìn)口大跨度區(qū)段圍巖級別為Ⅴ級。

本工程隧道大跨段開挖跨度大，地質(zhì)條件很差，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，施工難度較大。隧道施工時，部分地段先后出現(xiàn)了支護(hù)大變形和噴層開裂、拱架扭曲等現(xiàn)象。本文將對支護(hù)大變形特點(diǎn)及產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析和探討。

1 工程概況

曾家坪隧道開挖斷面大，開挖跨度20.58 m，高度13.83 m，結(jié)構(gòu)扁平，高跨比僅0.67。施工工藝較為復(fù)雜，三線段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，過渡段則采用中壁法施工。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工順序如圖1所示，即：①左導(dǎo)洞超前，先施作超前小導(dǎo)管并注漿，開挖1、2部，在2部底部設(shè)置一道I18工字鋼臨時橫撐;②開挖左導(dǎo)洞3、4部，使4部及時封閉成環(huán);③灌注仰拱混凝土(V部);④待左導(dǎo)開挖15 m后，進(jìn)行右導(dǎo)洞開挖，首先開挖6部、7部;⑤開挖右導(dǎo)洞8部、9部;⑥灌注右導(dǎo)洞仰拱混凝土(Ⅹ部);⑦灌注左右導(dǎo)洞邊墻混凝土(XI、XII部);⑧開挖中洞的13部;⑨灌注拱部混凝土(XIV部);⑩開挖中洞 15部、16部;○11開挖中洞仰拱;○12灌注中洞仰拱混凝土(XVII部)。

隧道大跨段復(fù)合式襯砌的主要參數(shù)見表1。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工順序

表1 大跨段隧道復(fù)合式襯砌參數(shù)

2 大跨度段初期支護(hù)變形破壞情況

大跨段施工中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形比較顯著。首先是洞口段(DK291+190—DK291+230)左右上導(dǎo)洞開挖引起了隧道整體下沉，并誘發(fā)地表沉陷，在里程DK291+214及DK291+230處地表出現(xiàn)2條寬5～10 cm裂縫，裂縫走向與隧道軸線垂直。施工單位在采取打設(shè)抗滑樁、地表注漿等治理措施后，邊坡基本穩(wěn)定，裂縫無進(jìn)一步擴(kuò)展。其后，隨著隧道逐漸向前掘進(jìn)，大跨段多處支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。其中，以DK291+340附近最為嚴(yán)重。該段支護(hù)噴層開裂，格柵拱架鋼筋扭曲，破壞位置如圖1所示。

隧道監(jiān)測結(jié)果顯示，洞口淺埋段(埋深＜20 m)導(dǎo)洞開挖時，拱頂下沉比較顯著，以左導(dǎo)洞1、2部開挖時的拱頂下沉為例(如圖2所示)，DK291+205測點(diǎn)的拱頂下沉值達(dá)到127 mm。

圖2 左導(dǎo)洞拱頂下沉曲線

支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平收斂變形與拱頂下沉沿隧道走向分布規(guī)律有所不同。淺埋段支護(hù)結(jié)構(gòu)水平收斂值較小，而隨著埋深增大，左右導(dǎo)洞凈空收斂值逐漸增加，其中，3部、4部開挖過程尤其明顯。以右導(dǎo)洞3部、4部開挖過程中的水平收斂值為例(如圖3所示)，水平收斂值逐漸由50 mm以下增至100～200 mm，DK291+340處最大為307 mm。

圖3 右導(dǎo)洞水平收斂曲線

3 初期支護(hù)大變形原因及分析

為深入分析初期支護(hù)破壞原因，本文選取DK291+305位置建立有限元分析模型，隧道埋深40 m左右，計算邊界的約束條件為兩邊水平約束、底部豎向約束。初始地應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場。圍巖選用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。隧道圍巖為V級，主要計算參數(shù)為：楊氏模量200 MPa，波松比 0.32，內(nèi)摩擦角 40°，黏聚力 5 kPa。

噴射混凝土強(qiáng)度等級 C30，容重為22 kN/m3，設(shè)計強(qiáng)度：軸心抗壓為15 MPa，彎曲抗壓為16 MPa，軸心抗拉為1.4 MPa，彈性模量為25 GPa。砂漿錨桿的錨桿體采用20 MnSi鋼全長砂漿黏結(jié)型錨桿。砂漿的強(qiáng)度等級為M20。

噴層采用分層Timoshenko梁單元模擬，屈服模型采用分層屈服模型，即假定若外層中部的應(yīng)力達(dá)到屈服值，則外層全進(jìn)入塑性狀態(tài)，而內(nèi)部其余各層仍為彈性狀態(tài)，隨著塑性區(qū)的擴(kuò)展，更多層相繼變成了塑性，直到最后全截面變成塑性區(qū)為止。

3.1 初期支護(hù)的豎向位移

各開挖階段左右導(dǎo)洞拱頂沉降情況見表2。

表2 左右導(dǎo)洞拱頂沉降值 mm

左導(dǎo)洞開挖步序2完成后的拱頂下沉值與實(shí)測結(jié)果(圖2)比較接近。從表2可看出，左右導(dǎo)洞上部斷面(開挖步序1和2或6和7)開挖引起的拱頂下沉較大，是下部開挖引起的拱頂下沉值的2倍左右;右導(dǎo)洞開挖引起的拱頂下沉明顯大于左側(cè)導(dǎo)洞。

3.2 初期支護(hù)水平收斂

左、右導(dǎo)洞開挖過程中收斂變形演變情況如圖4、圖5所示(上臺階和下臺階收斂變形位置如圖1所示)。圖5中的下臺階收斂測線與圖4對應(yīng)，對比二者數(shù)值可見，比較接近。

計算結(jié)果表明，左、右導(dǎo)洞開挖過程中，最大收斂位置一般位于第3和6步開挖面內(nèi)(如圖6所示)。導(dǎo)洞下臺階開挖(3和4步或6和7步)是引起支護(hù)結(jié)構(gòu)凈空收斂迅速增加的主要階段，如右導(dǎo)洞3、4步開挖時，水平收斂迅速增大到100 mm以上。同時，左右導(dǎo)洞相互影響顯著，如左導(dǎo)洞下臺階水平收斂值因右導(dǎo)洞施工增加110 mm。

圖4 左導(dǎo)洞收斂變形值

圖5 右導(dǎo)洞收斂變形值

圖6 初期支護(hù)變形

由圖6可看出，下臺階內(nèi)壁出現(xiàn)了顯著的水平變形，右導(dǎo)洞該處的凈空收斂值與圖5監(jiān)測結(jié)果比較接近。值得注意的是，實(shí)際監(jiān)測結(jié)果是導(dǎo)洞內(nèi)壁與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相向水平位移之和。根據(jù)本文計算分析結(jié)果，此二者的水平位移是非對稱的，內(nèi)壁位移遠(yuǎn)大于導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，即實(shí)際監(jiān)測到的較大的凈空收斂值實(shí)際主要是內(nèi)壁發(fā)生的變形。

以上現(xiàn)象與實(shí)際支護(hù)破壞情形基本一致，內(nèi)壁在該處位置破壞嚴(yán)重(如圖1所示)。

3.3 初期支護(hù)內(nèi)力分布

左右導(dǎo)洞開挖完成后，初期支護(hù)的軸力和彎矩分布情況如圖7、圖8所示。

圖7 支護(hù)軸力圖 (單位：MN)

圖8 支護(hù)彎矩圖(單位：MN·m)

以上可看出，對于破壞比較嚴(yán)重的內(nèi)壁位置，左導(dǎo)洞內(nèi)壁軸力很大，而彎矩相對較小，右導(dǎo)洞內(nèi)壁軸力小于左導(dǎo)洞，而彎矩大于左導(dǎo)洞。在該位置處，左導(dǎo)洞軸力為2.556 6 MN，彎矩為0.014 5 MN·m，右導(dǎo)洞軸力為1.412 7 MN，彎矩為0.053 0 MN·m。其結(jié)果是該處支護(hù)結(jié)構(gòu)均處于破壞狀態(tài)，但二者破壞形式不同，左導(dǎo)洞為壓屈破壞，而右導(dǎo)洞因彎曲應(yīng)力較大，則表現(xiàn)為一側(cè)壓屈，另一側(cè)拉裂。

3.4 支護(hù)大變形特征產(chǎn)生原因分析

由前述可知，下臺階內(nèi)壁位置產(chǎn)生顯著大變形，且內(nèi)力較大，導(dǎo)致該處破壞嚴(yán)重。以上破壞特征產(chǎn)生的原因，綜合分析后，認(rèn)為應(yīng)包括：①導(dǎo)洞形狀及圍巖初始應(yīng)力場;②左右導(dǎo)洞的相互影響;③導(dǎo)洞支護(hù)的非均衡設(shè)計，內(nèi)壁采用較弱的支護(hù)參數(shù)(見表1);④偏壓，隧道上方地表為左低右高。

為分析以上4個因素的具體影響情況，本文對比了其它幾個工況，并約定前述計算為工況1。工況1同時有非均衡設(shè)計和偏壓因素;工況2是在工況1基礎(chǔ)上，采用均衡設(shè)計，即取消錨桿，內(nèi)壁厚度取0.3 m，僅有偏壓問題;工況3是在工況1基礎(chǔ)上，地面為水平，考慮非均衡設(shè)計因素;工況4是在工況2基礎(chǔ)上，地面為水平，無非均衡設(shè)計和偏壓問題。

計算表明，左右導(dǎo)洞開挖完成后，各工況均存在下臺階位置處內(nèi)壁水平方向變形較大的特點(diǎn)。工況4位移矢量如圖9所示。

圖9 圍巖的位移矢量圖(工況4)

若定義左導(dǎo)洞下臺階收斂位置處內(nèi)壁位移與其相對的支護(hù)位移之比為R，并將其作為指標(biāo)來衡量各因素的影響程度，則：

1)偏壓因素有一定影響，如工況3與工況1相比，R值由6.0變?yōu)?.3。

2)非均衡設(shè)計因素的影響比較顯著，如工況2與工況1相比，R值由2．8變?yōu)?.3。

3)右導(dǎo)洞開挖對左導(dǎo)洞存在一定的影響，如工況4，在左導(dǎo)洞開挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況如圖10所示，R值為2.0，而當(dāng)右導(dǎo)洞開挖完成后，則 R值增至2.8。

4)對于地面水平(無偏壓問題)，且采用均衡設(shè)計的工況4，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形仍表現(xiàn)為非對稱性，與導(dǎo)洞形狀及初始應(yīng)力場直接關(guān)聯(lián)。

圖10 圍巖的位移圖(工況4)

對比以上結(jié)果可看出，導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形狀及初始應(yīng)力場分布等因素是本工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞特點(diǎn)的內(nèi)在形成原因，而導(dǎo)洞間施工相互影響、偏壓問題以及非均衡設(shè)計等因素進(jìn)一步放大了內(nèi)壁變形，尤其是左導(dǎo)洞下臺階處內(nèi)壁的變形，致使該處位置變形、破壞嚴(yán)重。這其中，非均衡設(shè)計因素的影響尤其顯著。

4 結(jié)論

針對某大跨隧道在導(dǎo)洞施工過程中出現(xiàn)的下臺階處內(nèi)壁變形嚴(yán)重現(xiàn)象，本文重點(diǎn)對其形成的原因進(jìn)行了分析，研究表明：

1)左右導(dǎo)洞兩側(cè)支護(hù)的變形是非對稱的，位于下臺階位置處的內(nèi)壁出現(xiàn)局部大變形，因大變形導(dǎo)致支護(hù)受力過大，進(jìn)而產(chǎn)生破壞。

2)內(nèi)壁局部大變形產(chǎn)生的原因主要包括：①導(dǎo)洞形狀及圍巖初始應(yīng)力場;②左右導(dǎo)洞施工的相互影響;③支護(hù)的非均衡設(shè)計;④偏壓問題等。

3)導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形狀及初始應(yīng)力場分布是本工程中內(nèi)壁大變形嚴(yán)重這一顯著特點(diǎn)的內(nèi)在形成原因，而其它3個因素使該特點(diǎn)進(jìn)一步放大，其中，非均衡設(shè)計因素的影響尤其顯著。

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TU433

A

1003-1995(2011)09-0040-04

2011-03-20;

2011-05-11

董新平(1970— )，男，河南淇縣人，講師，博士。

(責(zé)任審編 白敏華)