淺埋偏壓隧道動力響應(yīng)與加固技術(shù)研究*

王國權(quán)

(寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315012)

0 引言

在高速公路、鐵路等工程建設(shè)過程中，由于地質(zhì)地形、氣象、水文等條件較復(fù)雜，需修建淺埋偏壓隧道。由于淺埋偏壓隧道進(jìn)口段埋深淺，且存在偏壓，其變形規(guī)律不同于常見淺埋隧道，因此，需對變形規(guī)律進(jìn)行深入研究[1]。目前，多位學(xué)者對隧道邊坡支護(hù)進(jìn)行研究，并取得一定成果，如唐純勇[2]采用ANSYS軟件對淺埋偏壓隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，系統(tǒng)研究了坡度、埋深、圍巖彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角對隧道的影響；戴文革[3]基于太原至靜游段向陽村淺埋偏壓軟巖隧道，分析了不同支護(hù)結(jié)構(gòu)開挖過程中圍巖變形特性、塑性區(qū)分布等，總結(jié)了隧道和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、變形規(guī)律等；謝小魚[4]采用FLAC3D軟件分析了淺埋偏壓大跨度隧道力學(xué)特性與破壞模式，并基于模糊層次分析法建立了隧道可拓風(fēng)險評估物元模型；徐偉[5]采用ABAQUS軟件UMAT子程序開展了福建省淺埋偏壓高山巖隧道變形三維黏彈塑性數(shù)值模擬分析，研究了不同偏壓角度、埋深下隧道圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況；李宗長等[6]對湖北宜昌夾活巖公路隧道淺埋偏壓段出洞施工過程進(jìn)行總結(jié)分析，認(rèn)為準(zhǔn)確掌握地形、加強(qiáng)監(jiān)控量測、采用合理出洞方案是出洞施工的關(guān)鍵；周嘉賓等[7]通過數(shù)值模擬分析結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的對比分析，發(fā)現(xiàn)洞口偏壓段初期支護(hù)出現(xiàn)明顯不對稱彎曲變形，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在偏壓隧道深埋側(cè)拱腰，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在淺埋側(cè)拱腰和深埋側(cè)拱腳；姚笛等[8]針對高寒地區(qū)特長隧道偏壓破碎帶坍塌變形情況，通過分析坍塌原因，制定坍塌處理措施，采取徑向注漿、施作護(hù)拱、增強(qiáng)支護(hù)、加強(qiáng)監(jiān)控量測的變形處理措施，取得良好效果；趙樹杰等[9]基于隧道施工監(jiān)控量測對隧道CRD法施工進(jìn)行反分析和數(shù)值模擬分析，建議淺埋偏壓隧道CRD法中隔壁應(yīng)偏向圍巖壓力較小一側(cè)，同時應(yīng)先開挖淺埋側(cè)；肖啟山[10]利用FLAC3D 軟件建立數(shù)值模型，研究不同坡度下隧道圍巖變形規(guī)律和襯砌結(jié)構(gòu)受力特征。目前，對淺埋偏壓隧道動力響應(yīng)與加固技術(shù)的研究較少。為此，采用有限元軟件ABAQUS分析淺埋偏壓隧道在0°，15°，30°，45°，60°偏壓角度下動力響應(yīng)及Ⅳ3，Ⅴ1，Ⅴ2，Ⅵ級圍巖穩(wěn)定性，并研究抗滑樁樁長對隧道加固效果的影響。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 模型建立

根據(jù)地質(zhì)勘察資料建立有限元模型，如圖1所示。隧道寬12m，高10m，控制拱肩至坡面的垂直距離為8m，隧道外輪廓至左右邊界的垂直距離為48m，隧道外輪廓至底部的垂直距離為60m，可降低有限元模型邊界條件對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)按線彈性材料計(jì)算，襯砌采用梁單元模擬，圍巖采用平面應(yīng)變單元模擬。圍巖初始應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力，將襯砌周圍3m圍巖參數(shù)提高20%，以模擬錨桿對圍巖的加固作用。采用上下臺階預(yù)留核心土法開挖隧道，模擬施工過程時，分別將上臺階、核心土、下臺階開挖的圍巖應(yīng)力釋放率定為30%，30%，40%。

圖1 有限元模型

1.2 材料物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料、土樣試驗(yàn)報告，結(jié)合JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》選取材料物理力學(xué)參數(shù)，其中圍巖參數(shù)如表1所示，襯砌厚25cm，重度為25kN/m3，彈性模量為29.5GPa，泊松比為0.2，軸心抗壓強(qiáng)度為25MPa。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

1.3 計(jì)算工況

由于淺埋偏壓段多位于隧道洞口處，該處圍巖更軟弱、易破碎，因此對Ⅳ3，Ⅴ1，Ⅴ2，Ⅵ級圍巖進(jìn)行研究，設(shè)置偏壓角度為0°，15°，30°，45°，60°。

1.4 計(jì)算參數(shù)

1.4.1偏壓系數(shù)

偏壓系數(shù)隨著偏壓角度的變化而變化，單洞偏壓系數(shù)λ單洞計(jì)算如下：

(1)

式中：σ左為左側(cè)特征點(diǎn)圍巖應(yīng)力；σ右為右側(cè)特征點(diǎn)圍巖應(yīng)力；σ0為平坡特征點(diǎn)圍巖應(yīng)力；N左為左側(cè)特征點(diǎn)軸力；N右為右側(cè)特征點(diǎn)軸力；N0為平坡特征點(diǎn)軸力。

1.4.2襯砌安全系數(shù)

(2)

式中：ψ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)，可取1.0；α為偏心影響系數(shù)；Ra為混凝土極限抗壓強(qiáng)度；b為截面寬度；h為截面厚度；R1為混凝土極限抗拉強(qiáng)度。

由抗壓強(qiáng)度控制承載力時，襯砌安全系數(shù)應(yīng)>2.4；由抗拉強(qiáng)度控制承載力時，襯砌安全系數(shù)應(yīng)>3.6。

1.4.3圍巖安全系數(shù)

圍巖安全系數(shù)采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算，將巖土體黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ同時除以折減系數(shù)F，得到折減后的巖土體黏聚力c′、內(nèi)摩擦角φ′：

(3)

(4)

將c′，φ′作為新的材料參數(shù)進(jìn)行試算，當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時，邊坡將發(fā)生破壞，對應(yīng)的折減系數(shù)F即為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

2 動力響應(yīng)分析

2.1 襯砌動力響應(yīng)

2.1.1軸力與偏壓系數(shù)

圍巖等級為Ⅴ1時，不同偏壓角度下，單洞隧道施工引起的襯砌軸力如圖2所示，最大軸力及偏壓系數(shù)如表2所示。由圖2及表2可知，當(dāng)偏壓角度為0°時，拱腰軸力最大，為614.33kN(受壓)；隨著偏壓角度的增大，淺埋側(cè)最大軸力逐漸由拱腰向拱肩移動，深埋側(cè)最大軸力逐漸由拱腰向拱腳移動，整體來看，淺埋側(cè)拱肩及深埋側(cè)拱腳軸力逐漸增大，淺埋側(cè)拱腳及深埋側(cè)拱肩軸力逐漸減小，最大軸力呈沿隧道周邊順時針方向調(diào)整的規(guī)律，軸力分布的不對稱性逐漸加劇；偏壓角度為0°～45°時，各位置偏壓系數(shù)近似呈線性增加，其中，拱肩偏壓系數(shù)較大且增長較快；偏壓角度為45°～60°時，拱肩偏壓系數(shù)略有下降，而拱腳偏壓系數(shù)上升，超過拱肩偏壓系數(shù)，拱腰及仰拱偏壓系數(shù)上升幅度略增大，可知偏壓角度>45°時，偏壓特性明顯，實(shí)際工程設(shè)計(jì)與施工過程中應(yīng)格外注意。

表2 襯砌最大軸力與偏壓系數(shù)

圖2 不同偏壓角度下襯砌軸力云圖(單位：kN)

2.1.2變形特性

襯砌位移如表3所示，由表3可知，襯砌位移基本隨著偏壓角度的增大而增大，當(dāng)偏壓角度<30°時，襯砌最大位移為3.25mm，襯砌較安全；當(dāng)偏壓角度>45°時，襯砌位移增大，特別是60°偏壓角度下Ⅴ1級圍巖襯砌位移達(dá)61.30mm，超過了允許變形。隨著偏壓角度的增大，襯砌最大位移出現(xiàn)位置逐漸由仰拱底變化至左拱肩，且有繼續(xù)向左上方移動的趨勢，整個襯砌向淺埋側(cè)擠壓。

表3 襯砌位移 mm

2.1.3安全系數(shù)

襯砌安全系數(shù)如表4所示。由表4可知，深埋側(cè)襯砌安全系數(shù)均低于淺埋側(cè)；當(dāng)偏壓角度為45°時，Ⅴ1級圍巖淺埋側(cè)襯砌安全系數(shù)僅為2.15，而當(dāng)偏壓角度為30°時，Ⅵ級圍巖深埋側(cè)襯砌安全系數(shù)為3.28，表明偏壓角度對隧道偏壓特性和襯砌安全性的影響大于圍巖參數(shù)；當(dāng)偏壓角度>45°時，襯砌安全系數(shù)均不滿足設(shè)計(jì)要求，需采取一定加固措施。

表4 襯砌安全系數(shù)

2.2 圍巖動力響應(yīng)

2.2.1塑性區(qū)

不同偏壓角度下，單洞隧道施工引起的Ⅴ1級圍巖塑性區(qū)分布如圖3所示，圖中淺色區(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū)，深色區(qū)域?yàn)楹奢d變化區(qū)。由圖3可知，當(dāng)偏壓角度為15°，30°時，洞室深埋側(cè)拱腳局部出現(xiàn)塑性區(qū)，該處襯砌受力較大，但塑性區(qū)面積較小，淺埋側(cè)未出現(xiàn)塑性區(qū)；當(dāng)偏壓角度為45°時，深埋側(cè)拱腳塑性區(qū)向坡頂迅速發(fā)展，淺埋側(cè)出現(xiàn)較大塑性區(qū)，并發(fā)展至坡面，此時圍巖整體已處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)偏壓角度為60°時，洞室已被塑性區(qū)包圍，深埋側(cè)塑性區(qū)向坡頂和右側(cè)繼續(xù)發(fā)展直至貫通，淺埋側(cè)塑性區(qū)垂直向上和斜向下發(fā)展，此時圍巖和襯砌處于失穩(wěn)或臨近失穩(wěn)狀態(tài)。

圖3 不同偏壓角度下塑性區(qū)分布

當(dāng)拱肩至坡面的垂直距離為8m、偏壓角度為30°時，不同圍巖等級下，單洞隧道施工引起的圍巖塑性區(qū)分布如圖4所示，圖中淺色區(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū)，深色區(qū)域?yàn)楹奢d變化區(qū)。由圖4可知，當(dāng)圍巖等級為Ⅳ3，Ⅴ1時，隧道開挖后洞室周邊圍巖幾乎不產(chǎn)生塑性區(qū)；當(dāng)圍巖等級為Ⅴ2時，洞室周邊圍巖產(chǎn)生零星分布的塑性區(qū)，深埋側(cè)拱腳塑性區(qū)面積較大，各塑性區(qū)未貫通；當(dāng)圍巖等級為Ⅵ時，洞室上部和左側(cè)塑性區(qū)均發(fā)展至坡面，右側(cè)和下部塑性區(qū)貫通，洞室右側(cè)遠(yuǎn)處形成面積較大的塑性區(qū)。

圖4 不同圍巖等級下塑性區(qū)分布

綜上所述，當(dāng)偏壓角度為45°、圍巖等級為Ⅴ1時，塑性區(qū)面積較大且貫通；當(dāng)偏壓角度為30°、圍巖等級為Ⅵ時，塑性區(qū)面積相對較小，仍有一定安全度，可知對于淺埋偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性，偏壓角度的影響較圍巖等級大。

2.2.2安全系數(shù)

通過強(qiáng)度折減法求得的圍巖安全系數(shù)如表5所示。由表5可知，隧道開挖后圍巖安全系數(shù)基本小于開挖前，但差距較小；當(dāng)偏壓角度為15°時，各級圍巖安全系數(shù)均較高；當(dāng)偏壓角度為30°時，Ⅳ3，Ⅴ1級圍巖安全系數(shù)較高；當(dāng)偏壓角度為60°時，各級圍巖安全系數(shù)均較低，需通過設(shè)置抗滑樁、鋼管樁等進(jìn)行加固。

表5 圍巖安全系數(shù)

3 隧道加固效果分析

通過淺埋段設(shè)置抗滑樁加固淺埋偏壓隧道，抗滑樁截面尺寸為2m×3m，重度為24kN/m3，彈性模量為30GPa，泊松比為0.2，對中距離為4m，中軸線距隧道外輪廓2m，抗滑樁邊緣距隧道外輪廓1m。偏壓角度設(shè)為45°，圍巖等級設(shè)為Ⅴ1，將樁長設(shè)為19，21，23，25，27m，計(jì)算抗滑樁長度對淺埋偏壓隧道加固效果的影響，計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型

3.1 襯砌軸力與壓應(yīng)力

不同樁長下襯砌軸力與壓應(yīng)力分別如圖6，7所示，襯砌參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。由圖6，7及表6可知，加入抗滑樁后，襯砌軸力并未減小，變化較小，且偏壓現(xiàn)象依然存在；襯砌最大壓應(yīng)力有所降低，由11.63MPa降至9.7MPa左右，且隨著樁長的增加逐漸減小；襯砌安全系數(shù)隨著樁長的增加逐漸增大，但增幅較小。

圖6 不同樁長下襯砌軸力云圖(單位：kN)

表6 不同樁長下襯砌參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 襯砌變形特性

不同樁長下襯砌位移如圖8所示。由圖8可知，未設(shè)置抗滑樁時，襯砌拱頂沉降約為4.97mm，最大位移出現(xiàn)在右拱肩，約為5.78mm；隨著樁長的增加，襯砌位移有所降低，但變化較小，樁長為27m時，拱頂沉降約為4.37mm，最大位移仍出現(xiàn)在右拱肩，約為4.87mm。

圖8 不同樁長下襯砌位移云圖(單位：m)

3.3 圍巖安全系數(shù)

圖7 不同樁長下襯砌壓應(yīng)力云圖(單位：kN·m-2)

未設(shè)置抗滑樁時，計(jì)算得到圍巖安全系數(shù)為1.18；樁長為19，21，23，25，27m時，計(jì)算得到圍巖安全系數(shù)分別為1.29，1.31，1.34，1.34，1.33；樁長為23m時，圍巖安全系數(shù)較高，且繼續(xù)增加樁長對安全系數(shù)提升效果的影響較小。因此，當(dāng)偏壓角度為45°、圍巖等級為Ⅴ1時，可將23m作為抗滑樁最優(yōu)長度。

3.4 抗滑樁與隧道距離優(yōu)化

當(dāng)抗滑樁長度一定時，抗滑樁邊緣至隧道外輪廓的距離對襯砌受力和圍巖穩(wěn)定性具有一定影響。將偏壓角度設(shè)為45°，圍巖等級設(shè)為Ⅴ1，抗滑樁長度設(shè)為23m，抗滑樁邊緣至隧道外輪廓的距離分別設(shè)為1，2，3，4，5m，分析不同位置抗滑樁支護(hù)效果，得到抗滑樁最優(yōu)位置。

抗滑樁與隧道距離不同時，隧道參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表7所示。由表7可知，襯砌最大壓應(yīng)力隨著抗滑樁與隧道距離的增加先減小后增大，當(dāng)抗滑樁與隧道距離為3m時，最大壓應(yīng)力最小，襯砌安全系數(shù)最高，為2.66；隨著抗滑樁與隧道距離的增加，圍巖安全系數(shù)變化較小，當(dāng)抗滑樁與隧道距離為2m時，圍巖安全系數(shù)最高，為1.35。綜上所述，當(dāng)抗滑樁邊緣至隧道外輪廓的距離為2～3m時，支護(hù)效果最優(yōu)。

表7 隧道參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

利用有限元軟件ABAQUS對某淺埋偏壓隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對不同偏壓角度、圍巖等級下隧道動力響應(yīng)進(jìn)行研究，并分析抗滑樁樁長對隧道加固效果的影響，得出以下結(jié)論。

1)隨著偏壓角度的增大，襯砌軸力分布的不對稱性逐漸加劇，淺埋側(cè)拱肩及深埋側(cè)拱腳軸力增大，淺埋側(cè)拱腳及深埋側(cè)拱肩軸力減小。

2)不同偏壓角度、圍巖等級下，深埋側(cè)襯砌安全系數(shù)均低于淺埋側(cè)。隨著偏壓角度的增大及圍巖等級的降低，深、淺埋側(cè)襯砌安全系數(shù)差距逐漸明顯。

3)當(dāng)圍巖等級一定時，隨著偏壓角度的增大，深埋側(cè)塑性區(qū)快速向坡頂發(fā)展，淺埋側(cè)逐漸出現(xiàn)塑性區(qū)，圍巖整體穩(wěn)定性降低。當(dāng)偏壓角度一定時，隨著圍巖等級由Ⅳ3變?yōu)棰觯苄詤^(qū)逐漸發(fā)展貫通，圍巖穩(wěn)定性降低。

4)設(shè)置抗滑樁不改變隧道偏壓現(xiàn)象，但有助于減小襯砌最大壓應(yīng)力及位移。隨著樁長的增加，襯砌最大壓應(yīng)力逐漸減小，而位移變化較小。

5)通過設(shè)置抗滑樁可提高圍巖安全系數(shù)，在一定偏壓角度和圍巖等級下，抗滑樁存在最優(yōu)長度。

6)隨著抗滑樁邊緣至隧道外輪廓距離的增加，襯砌最大壓應(yīng)力先減小后增大。當(dāng)偏壓角度為45°、圍巖等級為Ⅴ1、抗滑樁長度為23m、抗滑樁邊緣至隧道外輪廓的距離為2～3m時，抗滑樁支護(hù)效果最優(yōu)。