淺埋偏壓連拱隧道施工開挖順序研究

田敬軍

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250000)

1 引 言

連拱隧道作為公路隧道重要的結(jié)構(gòu)形式，具有線形流暢、占地面積少、空間利用率高等優(yōu)點[1]，但連拱隧道主洞開挖跨度較大，開挖與支護(hù)相互交叉，諸多工序相互影響，圍巖多次擾動以及臨時支護(hù)與永久支護(hù)相互之間非同步施工等諸多原因，極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)和隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂與破壞現(xiàn)象[2]。

連拱隧道在施工過程中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，圍巖受力體系多次轉(zhuǎn)換，目前對其研究仍然存在一些不足[3]。軟弱圍巖淺埋偏壓連拱隧道工程，一方面由于軟弱圍巖地質(zhì)條件，造成隧道本身穩(wěn)定性問題；另一方面由于連拱隧道地層的不均勻分布或不對稱施工造成結(jié)構(gòu)受力不對稱，增加了隧道穩(wěn)定性控制難度及工程施工的安全性。當(dāng)前針對淺埋偏壓連拱隧道開挖順序仍在認(rèn)識上存在一定差異。

本文基于小尖山連拱隧道，通過建立有限元模型，對“先淺后深”“先深后淺”兩種開挖工法進(jìn)行數(shù)值模擬分析對比，據(jù)此提出合理方案，為類似工程施工提供一定參考[4-5]。

2 工程概況及分析

2.1 工程概況

小尖山隧道位于昆明市呈貢區(qū)雨花社區(qū)，隧道小里程方向接黃馬高速，大里程方向通昆明南站，線路走向為281°，隧道最大埋深約41 m，按連拱隧道設(shè)計，洞口采用端墻式洞門。隧道平面位置位于小官山一側(cè)，距離山腳較近，隧道縱向全長為超淺埋偏壓結(jié)構(gòu)。隧址區(qū)左側(cè)為呈貢新區(qū)路網(wǎng)，交通較為便利。

隧道區(qū)屬昆明盆地邊部剝蝕丘陵地貌，山坡鮮見基巖裸露，植被主要系人工造林，地面高程在2 000～2 050 m之間[6]。

2.2 施工分析

隧道受力方面，一般后行洞開挖會對先行洞已建成支護(hù)結(jié)構(gòu)造成影響。兩種開挖方式下受力情況見圖1、圖2。

圖1 “先淺后深”開挖工序結(jié)構(gòu)受力簡圖

圖2 “先深后淺”開挖工序結(jié)構(gòu)受力簡圖

3 有限元模型

3.1 模型構(gòu)建

針對現(xiàn)場實際情況，本節(jié)基于中導(dǎo)洞-三臺階法，通過數(shù)值模擬開展淺埋偏壓連拱隧道左、右主洞合理開挖順序研究。

根據(jù)圣維南原理，為減小邊界條件對模型的影響，水平方向隧道周邊圍巖至左右邊界長度選取4.5倍跨徑，豎直方向隧道周邊圍巖至下邊界長度同樣選取4.5倍跨徑，隧道埋深一般以選取的地形為主。確定模型尺寸:隧道模型至左右邊界取70 m，至底部距離取70 m，埋深為20 m，邊坡傾角為20°。約束條件:地表為自由邊界，左右邊界受X軸方向位移約束，模型底部邊界受到Y(jié)軸方向位移約束[7]，模型見圖3。

圖3 計算模型

3.2 計算參數(shù)取值

圍巖及支護(hù)參數(shù)取值見表1。

表1 材料相關(guān)參數(shù)取值

4 計算結(jié)果及分析

4.1 圍巖位移分析

(1)豎向位移

圖4為方案一與方案二左右側(cè)正洞拱頂沉降和底部仰拱隆起云圖。隧道開挖完成后，方案一和方案二主洞拱頂沉降值最大分別為9.94 mm、10.09 mm，而底部仰拱隆起最大值分別為2.39 mm、2.08 mm。方案一最大沉降值出現(xiàn)在后行洞拱頂處，隆起最大值出現(xiàn)在后行洞底部仰拱；方案二最大沉降值出現(xiàn)在先行洞拱頂處，隆起最大值出現(xiàn)在先行洞底部仰拱[8-10]。

圖4 圍巖豎向位移

(2)水平位移

圖5為方案一與方案二正洞水平收斂云圖。隨著開挖進(jìn)行，斷面開始收斂，采用方案一隧道開挖完成后，主洞最大水平位移為2.31 mm，出現(xiàn)在后行洞左、右拱腳處；方案二主洞最大水平位移為2.29 mm，出現(xiàn)在先行洞右拱腳處。

圖5 圍巖橫向位移

由表2可知，“先淺后深”開挖方案圍巖豎向變形比“先深后淺”開挖方案小，而水平變形比“先深后淺”開挖方案大。

表2 不同開挖順序圍巖位移

4.2 初支受力分析

兩方案初支所受到的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力最大值見表3。

表3 不同開挖順序初支應(yīng)力

4.3 中隔墻受力分析

中隔墻在兩方案下所受到的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和剪應(yīng)力見表4。

表4 不同開挖順序中隔墻應(yīng)力

兩方案開挖順序，中隔墻局部均會出現(xiàn)拉應(yīng)力，若拉應(yīng)力超過安全值，其穩(wěn)定性就會受到威脅。隧道開挖與支護(hù)完成后，由于存在圍巖擾動影響、支護(hù)結(jié)構(gòu)加載，方案一與方案二的主拉應(yīng)力主要分布在中隔墻底部位置，偏壓作用使主拉應(yīng)力集中在淺埋一側(cè)；主壓應(yīng)力主要分布在中隔墻拱腰內(nèi)部，無論方案一與方案二，最大主壓應(yīng)力主要偏向先行洞一側(cè)，而剪應(yīng)力主要分布在中隔墻拱腳。

從隧道圍巖位移變形情況、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及中隔墻應(yīng)力情況進(jìn)行分析，可以認(rèn)為以中導(dǎo)洞-三臺階法“先淺后深”的方案比“先深后淺”的方案合理。先開挖淺埋側(cè)主洞可以減小地形偏壓帶來的不利影響，有利于緩解隧道開挖過程中，中隔墻及其初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，有利于施工安全有序進(jìn)行，但不能忽視左洞圍巖支護(hù)[11-12]。

5 監(jiān)控數(shù)據(jù)分析

5.1 應(yīng)變分析

采用方案一施工，為保證工程安全有序進(jìn)行，選取K0+790、K0+880兩個斷面作為監(jiān)測斷面，對監(jiān)控斷面進(jìn)行二襯受力應(yīng)變測量，再將監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

兩斷面圍巖等級均為Ⅴ級，巖性均為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r。由于深埋側(cè)初支受力較大，所以重點對右洞進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖6。

圖6 后行洞(右洞)斷面二襯應(yīng)變

數(shù)值模擬最終結(jié)果如表5所示，提取斷面K0+790、斷面K0+880后行洞二襯各部位實際測量數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相對比，各部位數(shù)值相近，但是斷面K0+790相較于斷面K0+880所得到的曲線更加相似，表明采用方案一更能夠保障施工安全，見圖7。

表5 后行洞(右洞)二襯應(yīng)變數(shù)值模擬結(jié)果

圖7 后行洞兩斷面二襯應(yīng)變對比曲線

5.2 中隔墻頂部壓力分析

采用壓力盒、應(yīng)變計對中隔墻頂部應(yīng)力進(jìn)行采集監(jiān)測。中隔墻頂部壓力盒布置見圖3，監(jiān)測結(jié)果見圖8。

圖8 中隔墻頂部壓力變化曲線

斷面K0+790實測數(shù)值相較于斷面K0+880不穩(wěn)定，主要是由于中隔墻上部地形高差較大，導(dǎo)致圍巖受到不均勻壓力，而且邊坡土體的不穩(wěn)定性導(dǎo)致土體產(chǎn)生水平方向推力，因此斷面K0+790的T2曲線出現(xiàn)近似線性向上[13-14]。

6 結(jié)論

本文以小尖山連拱隧道為依托工程，采用實際監(jiān)測和數(shù)值模擬等方法，探討兩種不同開挖方案下圍巖變形、初支應(yīng)力和中隔墻應(yīng)力變化規(guī)律，分析可知:

(1)從圍巖位移角度分析，“先淺后深”開挖方案拱頂沉降變形比“先深后淺”開挖方案小，“先淺后深”開挖方案的底部隆起值與水平位移值均比“先深后淺”開挖方案大。在公路隧道對拱頂沉降量控制較為嚴(yán)格，考慮到“先淺后深”開挖方案拱頂沉降值較小，推薦采用“先淺后深”開挖方案。

(2)從初支受力角度分析，“先淺后深”開挖方案與“先深后淺”開挖方案的初支主壓應(yīng)力均較小，小于混凝土極限承載力。“先淺后深”開挖方案在拱頂與底部位置處的初支主拉應(yīng)力比“先深后淺”開挖方案大，但均處于混凝土極限抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，主拉應(yīng)力僅在局部小范圍內(nèi)出現(xiàn)較大應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)影響不大。

(3)從中隔墻受力角度分析，“先淺后深”開挖方案主拉應(yīng)力值比“先深后淺”開挖方案稍大，遠(yuǎn)小于混凝土極限抗壓強(qiáng)度值；“先淺后深”開挖方案的主拉應(yīng)力值比“先深后淺”開挖方案稍大，但均小于混凝土極限抗拉強(qiáng)度值。“先淺后深”開挖方案剪應(yīng)力值比“先深后淺”開挖方案剪應(yīng)力值小，考慮到中隔墻通常發(fā)生剪切破壞，推薦采用“先淺后深”開挖方案。

(4)根據(jù)實際監(jiān)測得到的位移數(shù)據(jù)和應(yīng)力數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析，可知以中導(dǎo)洞-三臺階法的“先淺后深”開挖安全、可行，并能滿足淺埋偏壓連拱隧道的施工安全。