偏壓隧道的穩(wěn)定性研究

代樹林， 萬怡禎， 張永春

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026; 2.中建三局工程設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

在大部分隧道建設(shè)中，由于施工技術(shù)和工程地質(zhì)等原因，致使左右圍巖位移不一致，造成隧道偏壓。而偏壓隧道是隧道工程中一種常見的隧道，其偏壓大多數(shù)出現(xiàn)在洞口處。隧道選址設(shè)計時，地形出現(xiàn)左右不對稱的現(xiàn)象是不可避免的，不同的傾角使隧道圍巖變形及襯砌和錨桿受力不同。因此，研究地表傾角不同造成偏壓隧道對工程具有實際意義。

國內(nèi)外對偏壓隧道研究有許多方面，于清楊[1]根據(jù)鐵路雙線隧道設(shè)計規(guī)范，采用數(shù)值模擬的方法，以拱肩的應(yīng)力比判別偏壓隧道；聶建春等[2]研究在不同的偏壓狀況下選擇合適的開挖方法，并優(yōu)化臺階法；董建華等[3]提出一種洞口淺埋偏壓隧道的新型防護(hù)結(jié)構(gòu)并優(yōu)化防護(hù)結(jié)構(gòu)計算方法；李偉瀚等[4]研究了Mohr-Coulomb與Hoek-Brown強度準(zhǔn)則在淺埋偏壓隧道數(shù)值模擬中的不同處；馮成奎等[5]依托麻栗亞隧道建立施工風(fēng)險評估體系，為淺埋偏壓隧道施工提供意見；Chehade等[6]模擬分析3種不同形式的隧道，發(fā)現(xiàn)隧道施工受力的變化取決于施工方法和順序的選擇；潘曉明[7]用FLAC3D分析有無行車荷載作用下對隧道施工的影響，發(fā)現(xiàn)行車荷載對施工影響較小；S.L. Chen等[8]采用數(shù)值分析的方法分析雪山隧道，發(fā)現(xiàn)洞室間距大于2倍洞徑時圍巖受鄰近隧道開挖影響小；王佳欣等[9]用ANSYS有限元軟件分析偏壓狀態(tài)下非對稱連拱隧道受力特征。劉遠(yuǎn)亮[10]利用Maidas GTS分析基坑開挖對鄰近隧道的影響，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對比，指導(dǎo)工程施工。此外，有許多學(xué)者[11-13]研究了偏壓隧道圍巖壓力分布、襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化及變形規(guī)律，提出了合理的荷載設(shè)計計算方法及隧道優(yōu)化計算公式。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

隧道模型的建立依托鶴大高速公路中的朝陽隧道工程，對不同地表傾角進(jìn)行數(shù)值模擬分析。朝陽隧道位于鶴大高速公路ZT16合同段，左線長3095 m，起訖樁號為LK319+510～LK322+605，右線長3070 m，起訖樁號為RK319+540～RK322+610；隧道斷面凈空最大寬度為12.76 m，隧道建筑界限寬度10.25 m，凈高5.00 m。該工程位于遼東隆起地區(qū)的東部鐵嶺-靖宇隆起區(qū)南段，構(gòu)造格架受燕山運動影響，北東、北北東向構(gòu)造發(fā)育，控制了區(qū)域構(gòu)造輪廓，穿越主要巖性為花崗片麻巖，洞口段圍巖等級為Ⅴ級，洞身段為Ⅲ～Ⅴ級[14]。

利用AUTOCAD繪制隧道截面圖，然后導(dǎo)入MAIDAS GTS NX進(jìn)行有限元數(shù)值分析。巖體的初始應(yīng)力為自重應(yīng)力場。根據(jù)隧道襯砌斷面，凈寬為12.76 m，凈高為5.00 m，依據(jù)圣維南原理，在彈性均勻和處于無限域的介質(zhì)中開挖硐室，由于開挖擾動而應(yīng)力重分布范圍在3～5倍洞徑，而在5倍范圍外影響<1%，所以取隧道兩側(cè)及底部邊界≥5倍洞半徑，最終取得模型寬度為60 m，最大高度為80 m。結(jié)合隧址區(qū)工程地質(zhì)概況，將圍巖分為強風(fēng)化角礫巖和強風(fēng)化花崗片麻巖，其中強風(fēng)化角礫巖層厚度為4 m。模型頂面為自由面，兩側(cè)為水平位移約束，底部為豎向位移和水平位移約束。強度準(zhǔn)則選用莫爾-庫倫彈塑性強度準(zhǔn)則，初始應(yīng)力場為圍巖自重。

1.2 計算參數(shù)

在計算模型中假設(shè)巖石應(yīng)力為大地重力場模型，在應(yīng)力分析中不考慮地下水的影響，因初襯中存在管棚，因此需要對彈性模量進(jìn)行折算，經(jīng)查閱資料得折算公式如下[14]：

E=E0+SgEg/Sc

(1)

式中：E——折算后初襯的彈性模量，GPa；E0——初襯噴射混凝土的彈性模量，GPa；Eg——型鋼拱架的彈性模量，GPa；Sg——型鋼拱架的橫截面積，m2；Sc——初襯噴射混凝土的橫截面積，m2。

隧道在初襯前往圍巖中植入注漿錨桿，長度3.5 m，環(huán)向間距1.0 m，縱向間距0.6 m。根據(jù)“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”[15]，D25中空注漿錨桿的容重計算公式為：

γ=γg-(R2/R1)2(γg+γs)

(2)

式中：γ——折算后注漿錨桿的容重，kN/m3；γg——鋼管的容重，kN/m3；γs——砂漿的容重，kN/m3；R1——鋼管的直徑，m；R2——砂漿的直徑，m。

通過現(xiàn)場勘查和后期室內(nèi)試驗及公式(1)、(2)，確定各級圍巖及支護(hù)材料參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖和襯砌物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters ofsurrounding rock and tunnel lining

1.3 計算工況

朝陽隧道采用臺階法施工，因此數(shù)值模擬分析采用相同的工法進(jìn)行模擬。隧道在開挖過程中會破壞圍巖原始地應(yīng)力，開挖后的臨空面周圍會產(chǎn)生位移，當(dāng)圍巖應(yīng)力釋放完成后，形成新的應(yīng)力場，隧道開挖過程中的圍巖應(yīng)力按系數(shù)為0.4、0.3、0.3釋放[16]，以此符合實際施工過程中圍巖應(yīng)力釋放規(guī)律。為了研究地表傾角與隧道受力的關(guān)系，依次設(shè)計地表傾角0°、5°、10°、15°、20°、25°、35°、40°、45°，網(wǎng)格示意圖見圖1。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在對比9種不同地表傾角模擬分析后，發(fā)現(xiàn)在地表傾角45°時隧道開挖發(fā)生邊坡失穩(wěn)，各角度位移云圖如圖2所示。

圖1 部分網(wǎng)格示意圖Fig.1 Partial grid diagram

從圖2中可以看出，總位移隨傾角增大而增大，深埋側(cè)變形范圍越來越大。在地表傾角45°時，隧道開挖完成后位移無法合理有效的收斂，由圖中顯示可以看出隧道兩側(cè)形成位移貫通面，表示圍巖整體發(fā)生了向右的移動，說明隧道開挖過程的擾動致使地表邊坡失穩(wěn)，所以當(dāng)?shù)乇韮A角>45°時，應(yīng)當(dāng)對地表邊坡及圍巖進(jìn)行加固，控制變形。

2.1 位移分析

2.1.1 隧道拱頂沉降和仰拱隆起分析

從圖3中可以看出拱頂位移值隨著地表傾角的增大而增大，其中在0°～10°增長緩慢，在10°～30°增長加速，在30°后面出現(xiàn)大幅度增加，從0°～40°，位移值增加3 cm，而從變化規(guī)律來看從地表傾角>10°開始，有明顯的隧道偏壓情況出現(xiàn)。仰拱整體增長規(guī)律和拱頂相似，但是仰拱位移值變化不大，位移增大明顯在地表傾角30°后，說明地表傾角在0°～30°時對仰拱隆起變形影響較小，在30°后偏壓對仰拱隆起明顯。因此，地表傾角>10°時應(yīng)重視地形偏壓造成的隧道偏壓影響；當(dāng)?shù)乇韮A角>35°時，要注意監(jiān)測拱頂和仰拱變形情況。

圖2部分圍巖總位移云圖
Fig.2Partial total displacement nephogram of surrounding rock

2.1.2 隧道周邊收斂分析

從圖4中可以看出右側(cè)拱肩隨著地表傾角增大而增大，增長幅度很小，但是右側(cè)拱腰不斷減少，在35°時出現(xiàn)拐點開始增加；右側(cè)拱肩和拱腰均隨著地表傾角增大而增大，且拱肩增長速率大于拱腰處，最大值0.0252 m；可以得出在地表傾角增大過程中，隧道在自重應(yīng)力大的一側(cè)襯砌受到的影響大于另一側(cè)；同時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角>35°變形速率增大，隧道左側(cè)變形增大，和拱頂變形規(guī)律相同。因此，在偏壓隧道施工時要注意自重應(yīng)力大的一側(cè)的支護(hù)。

圖3 不同地表傾角隧道拱底和仰拱位移量Fig.3 The arch floor and invert roof displacement of thetunnel at different surface dip angles

圖4 不同地表傾角隧道周邊收斂量Fig.4 Tunnel peripheral convergence displacementat different surface dip angles

2.2 內(nèi)力分析

2.2.1 錨桿軸力分析

從圖5中可以看出，隨著地表傾角的增大，錨桿的最大軸力不斷增大，在地表平坦時，最大軸力在拱腰處，軸力為173 kN左右；在地表傾角40°時，最大軸力是261.041 kN，并且可以看出受偏壓影響，左側(cè)錨桿的軸力增大趨勢大于右側(cè)，到40°時發(fā)現(xiàn)右側(cè)錨桿軸力變化最大，最大軸力在右側(cè)，因為此時地表傾角過大，造成右側(cè)地表有邊坡失穩(wěn)趨勢，使得錨桿軸力增大，維持邊坡穩(wěn)定，此時進(jìn)一步證實當(dāng)?shù)乇韮A角過大隧道開挖容易造成地表產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象。

2.2.2 塑性區(qū)分析

對比圖6中隧道塑性區(qū)圖，其中藍(lán)色表示未進(jìn)入屈服狀態(tài)，而其他顏色表示剪應(yīng)力屈服程度，紅色表示處于屈服狀態(tài)。從圖中可以清楚看到隧道塑性區(qū)演化過程，隨著地表傾角的增大，左側(cè)塑性區(qū)不斷擴大，而在30°到40°有一個明顯的變化，右側(cè)塑性區(qū)已經(jīng)擴散到地表，說明40°時地表可能發(fā)生邊坡失穩(wěn)的情況。因此，隧道施工時需監(jiān)測隧道左側(cè)拱腳的變形情況，重視左側(cè)支護(hù)；當(dāng)?shù)乇韮A角>30°時，隧道開挖時要關(guān)注地表沉降情況，預(yù)防邊坡失穩(wěn)，可進(jìn)行注漿加固等措施加固地表。

圖5不同地表傾角隧道錨桿軸力
Fig.5Tunnel bolt axial forces at different surface dip angles

圖6 不同地表傾隧道塑性區(qū)分布Fig.6 Tunnel plastic zone distribution at different surface dip angles

3 結(jié)論

依托朝陽隧道工程，模擬分析在不同地表傾角狀況下，隧道周圍變形過程及隧道錨桿和塑性區(qū)發(fā)展特征，總結(jié)了隧道變形和受力隨地表傾角的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)隧道圍巖變形隨著地表傾角增大而增大，隧道左側(cè)圍巖整體變形大于右側(cè)；在地表傾角<30°時，偏壓情況造成拱頂仰拱變形增加速率緩慢；當(dāng)在地表傾角>30°后，隧道右側(cè)拱腰變形減少，左側(cè)變形出現(xiàn)明顯增大；在45°時，因地表傾角過大，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，地表變形整體下滑。因此，當(dāng)?shù)乇韮A角>30°時，隧道受地形偏壓明顯，深埋側(cè)圍巖變形大，所以開挖過程中要重視左側(cè)圍巖、拱底和仰拱變形情況。

(2)由于左側(cè)為隧道的深埋側(cè)，自重應(yīng)力大的一側(cè)，隧道錨桿軸力左側(cè)大于右側(cè)，錨桿最大值在拱腰處，且軸力的大小隨著地表傾角增大而增大；在塑性區(qū)可以發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)是以隧道拱腳開展，左側(cè)拱腳塑性區(qū)范圍隨地表傾角增大而增大，右側(cè)拱腳塑性區(qū)先減少后增加；在地表傾角40°時，地表出現(xiàn)塑性區(qū)，所以當(dāng)?shù)乇韮A角>30°時，隧道開挖時，除了要關(guān)注拱腳變形變化，還應(yīng)關(guān)注地表沉降情況，預(yù)防邊坡失穩(wěn)，可進(jìn)行注漿加固等措施加固地表。

(3)當(dāng)遇到地形不同造成隧道偏壓，可以采用數(shù)值模擬方式判定隧道偏壓情況及地表變形范圍，指導(dǎo)施工。