多孔小凈距隧道施工力學特性數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測研究

諸岧

(上海隧道工程質量檢測有限公司， 上海 201111)

小凈距隧道以其占地面積小且易滿足線形優(yōu)化的特點被廣泛應用。但其開挖支護方法復雜，先行、后行隧道之間相互影響強烈，施工力學特性與常規(guī)分離式隧道存在較大差異。許多學者采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬等手段對小凈距隧道施工力學特性展開了研究，如Luo Yanbin等通過分析施工期間中夾巖墻的變形，獲得了中夾巖墻變形與水平圍巖壓力之間的關系及水平圍巖壓力計算方法；李磊等通過楊家坪隧道現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)先行洞二次襯砌端頭處于后行洞開挖作業(yè)面之外可有效減小后行洞對先行洞的擾動；孫振宇等通過統(tǒng)計41座小凈距隧道的圍巖壓力，基于隧道實際滑裂面，提出了小凈距隧道圍巖壓力計算方法；王春國在FLAC3D平臺上模擬偏壓大斷面小凈距隧道的施工過程，結果表明后行洞開挖導致先行洞內(nèi)側拱腰處彎矩顯著增大；舒志樂等分析了小凈距隧道先行、后行洞施工間距對圍巖擾動的影響，得出Ⅴ級圍巖中施工間距應大于1.5倍洞徑；劉明才通過數(shù)值模擬研究隧道開挖過程中地表沉降、圍巖壓力與二次襯砌結構受力，認為后行洞開挖會導致中夾巖柱應力發(fā)生顯著集中；吳德興等研究陡坡偏壓小凈距隧道的圍巖塑性區(qū)分布，發(fā)現(xiàn)先行洞外側及后行洞內(nèi)側受開挖影響較大，圍巖擾動范圍較大。但對多孔小凈距隧道的研究較少。該文以廣東省珠海市興業(yè)快線東段隧道為背景，在FLAC3D數(shù)值平臺上對多孔小凈距隧道開挖支護全過程展開精細化數(shù)值模擬，結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對其施工力學特性進行分析。

1 工程概況

1.1 工程背景

興業(yè)快線是珠海市綜合交通運輸體系中“九縱五橫”高快速路網(wǎng)中的重要組成部分，連接香洲中心城區(qū)與高新區(qū)，是中心城區(qū)之間的交通要道。興業(yè)快線東段隧道由2個機動車主洞和2個非機動車人行輔洞構成，全長550 m，其典型橫斷面(K10+150)布置見圖1。主洞輪廓采用曲墻三心圓，開挖凈空尺寸為15.3 m×10.68 m(寬×高)；輔洞輪廓采用曲墻單心圓，開挖凈空尺寸為8.6 m×7.3 m(寬×高)。兩主洞開挖輪廓間距6.2 m，主輔洞開挖輪廓間距8.6 m，均小于分離式獨立雙洞間的最小凈距(Ⅳ級圍巖條件下為2倍開挖斷面寬度)，屬小凈距隧道。

圖1 珠海興業(yè)快線東段隧道地質橫斷面圖 (K10+150，單位：m)

洞身所穿越地層主要為全～弱風化花崗巖，圍巖級別以Ⅲ～Ⅳ級為主；地下水主要為基巖裂隙水，水量一般，對隧道開挖影響較小。以里程K10+150為例(淺埋段Ⅳ級圍巖)，其地質橫斷面見圖1，主洞埋深10 m，輔洞埋深11 m，地層自上而下依次為坡積粉質黏土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、微風化花崗巖。

主洞初期支護采用I18鋼拱架(間距0.5 m)+C25噴射砼(厚0.26 m)，輔以系統(tǒng)錨桿；二次襯砌采用C35模筑鋼筋砼，厚0.55 m。輔洞初期支護采用鋼格柵(間距0.7 m)+C25噴射砼(厚0.26 m)，輔以系統(tǒng)錨桿；二次襯砌采用C35模筑鋼筋砼(厚0.45 m)。

1.2 帶臨時豎撐的上下臺階法開挖

東段隧道K10+050—K10+200段為淺埋段Ⅳ級圍巖，輔洞、主洞分別采用帶單側和雙側臨時豎撐的上下臺階法開挖。

以右輔洞為例，其橫斷面開挖法及監(jiān)測點布置見2，縱向施工工序(見圖3)如下：1) 開挖上臺階左導坑(單循環(huán)進尺2 m)，施作相應初期支護及臨時豎撐；2) 開挖上臺階右導坑(單循環(huán)進尺2 m)，施作相應初期支護，右導坑滯后左導坑10 m；3) 拆除臨時豎撐，開挖下臺階(單循環(huán)進尺2 m)，施作下臺階初期支護及鎖腳錨桿，下臺階滯后右導坑10 m；4) 開挖仰拱并施作相應初期支護；5) 圍巖收斂穩(wěn)定后，擇機施作二次襯砌。

圖2 右輔洞開挖方法及監(jiān)測點布置(單位：m)

左右輔洞同時開挖，左輔洞施工工序與右輔洞類似，不再贅述。輔洞隧道開挖過程中，對拱頂沉降及水平收斂進行監(jiān)測(見圖3)。

輔洞貫通后開挖右主洞，其橫斷面開挖方法及監(jiān)測點布置見圖4，縱向施工工序(見圖5)如下：1) 開挖上臺階左導坑(單循環(huán)進尺2 m)，施作相應初期支護及臨時豎撐；2) 開挖上臺階右導坑(單循環(huán)進尺2 m)，施作相應初期支護及臨時豎撐，右導坑滯后左導坑10 m；3) 開挖上臺階中導坑(單循環(huán)進尺2 m)，施作相應初期支護，中導坑滯后右導坑10 m；4) 拆除臨時豎撐，開挖下臺階(單循環(huán)進尺2 m)，施作相應初期支護及鎖腳錨桿，下臺階滯后中導坑10 m；5) 開挖仰拱并施作相應初期支護；6) 圍巖收斂穩(wěn)定后，擇機施作二次襯砌。

圖4 主洞開挖方法及監(jiān)測點布置(單位：m)

圖5 右主洞縱向施工工序示意圖(單位：m)

左主洞滯后右主洞20 m，其開挖支護方法與右主洞類似，不再贅述。主洞隧道開挖過程中，對拱頂沉降及水平收斂進行監(jiān)測(見圖4)。

2 淺埋段小凈距隧道群數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

以K10+150為目標斷面，在FLAC3D數(shù)值平臺上對其前后25 m范圍(K10+125—175)的開挖支護全過程展開數(shù)值模擬分析。數(shù)值模型整體尺寸為289 m×107 m×50 m(寬度×高度×深度，見圖6)。圍巖及二次襯砌均采用四節(jié)點實體單元模擬，共計403 055個實體單元、126 360個節(jié)點；初期支護及臨時鋼支撐采用雙面Liner單元模擬，共計10 357個節(jié)點、21 588個單元。模型頂面(地表面)為自由邊界，側面為法向位移約束邊界，底面為全約束邊界。

圖6 多孔小凈距隧道數(shù)值模型

根據(jù)上述施工工序模擬開挖支護全過程，共計626個施工步，其中關鍵施工步見表1。

表1 數(shù)值模擬中的關鍵施工步

2.2 本構與參數(shù)

圍巖選用Mohr-Coulomb本構模型，二次襯砌采用線彈性本構模型，其物性參數(shù)見表2、表3。

表2 巖土體的物性參數(shù)

表3 襯砌的物性參數(shù)

圍巖-初期支護-二次襯砌的相互作用見圖7。隧道的初期支護采用雙面Liner單元模擬，初期支護-圍巖通過Liner單元Side1的第一法向彈簧(Side1 normal link)與第一切向彈簧(Side1 shear link)實現(xiàn)相互作用；初期支護-二次襯砌通過Liner單元Side2的第二法向彈簧(Side2 normal link)與第二切向彈簧(Side2 shear link)實現(xiàn)相互作用。Liner單元的接觸參數(shù)取值見表4。

圖7 圍巖-初期支護-二次襯砌相互作用示意圖

表4 Liner單元的接觸參數(shù)

3 施工力學特性分析

3.1 拱頂沉降分析

隨著掌子面的推進，輔洞拱頂沉降呈“急劇沉降—緩慢變化—穩(wěn)定收斂”變化趨勢。如圖8所示，左輔洞拱頂沉降數(shù)值計算終值為16 mm。右輔洞變形趨勢與左輔洞類似，拱頂沉降數(shù)值計算終值為20 mm。

主洞拱頂沉降呈“先期隆起—急劇沉降—緩慢變化—穩(wěn)定收斂”的變化趨勢。如圖9所示，右主洞左拱肩、拱頂和右拱肩沉降穩(wěn)定值分別為57 mm、67 mm、47 mm。左主洞拱頂沉降變化規(guī)律與右主洞類似，左拱肩、拱頂和右拱肩沉降穩(wěn)定值分別為44 mm、57 mm、54 mm。

拱頂沉降現(xiàn)場實測值(見圖8、圖9)的變化規(guī)律與數(shù)值模擬結果基本一致。需說明的是，由于現(xiàn)場實測無法獲得隧道開挖至目標斷面前的拱頂沉降，將數(shù)值模擬的先期沉降值視為隧道的實際先期沉降值，與后續(xù)拱頂沉降監(jiān)測結果疊加，得到隧道拱頂沉降最終值。受圍巖蠕變的影響，輔洞拱頂沉降監(jiān)測結果均比數(shù)值模擬結果大3 mm左右，主洞拱頂沉降監(jiān)測結果均比數(shù)值模擬結果大10 mm左右，但均小于JTG 3370.1—2018規(guī)定的預留變形量(Ⅳ級圍巖三車道隧道的預留變形量為60～120 mm，雙車道隧道為50～80 mm)?？梢姡瑤R時支撐的上下臺階開挖方法可用于類似條件下隧道工程施工。

圖8 右輔洞拱頂沉降變化

圖9 右主洞拱頂沉降變化

3.2 襯砌圍巖壓力分布

輔洞開挖及支護完成后，讀取作用在Liner單元Side1和Side2的法向彈簧應力，得到圖10所示初期支護和二次襯砌上圍巖壓力分布。由圖10可知：輔洞初期支護圍巖壓力關于設計中線大致呈對稱分布，上臺階圍巖壓力(150～231 kPa)大于下臺階圍巖壓力(50～150 kPa)。由于輔洞臨時豎撐的存在抑制了外側拱肩位置的圍巖變形，拱肩位置的初期支護圍巖壓力(右輔洞231 kPa)明顯大于其他位置。二次襯砌圍巖壓力基本為零，僅仰拱附近存在較小的由仰拱自重引起的圍巖壓力。

圖10 初期支護與二次襯砌圍巖壓力分布(輔洞，單位：kPa)

主洞開挖及支護完成后初期支護與二次襯砌圍巖壓力分布見圖11。由圖11可知：主洞初期支護圍巖壓力的分布形態(tài)與輔洞基本相同，最大值(283 kPa)出現(xiàn)在外側拱肩附近。二次襯砌圍巖壓力(除仰拱附近外)基本為零。由于輔洞先行開挖，輔洞與主洞之間的中夾巖應力狀態(tài)發(fā)生改變，中夾巖積蓄的圍巖變形能在主洞開挖過程中部分釋放，主洞內(nèi)側圍巖壓力(150～200 kPa)小于外側(200～280 kPa)。此外，受主洞開挖的影響，輔洞初期支護圍巖壓力明顯減小，二次襯砌圍巖壓力增大，但總圍巖壓力(初期支護圍巖壓力+二次襯砌圍巖壓力)基本不變。

圖11 初期支護與二次襯砌圍巖壓力分布(輔洞與主洞，單位：kPa)

定義初期支護和二次襯砌承受的圍巖壓力與總圍巖壓力的比值為復合式襯砌的荷載承擔比，復合式襯砌荷載承擔比分布見圖12。由圖12可知：輔洞內(nèi)側由于受開挖擾動影響較大，初期支護和二次襯砌的荷載承擔比約為6∶4；輔洞外側受開挖擾動影響較小，初期支護和二次襯砌的荷載承擔比約為7∶3。

圖12 初期支護與二次襯砌的荷載承擔比分布(單位：%)

4 結論

以珠海興業(yè)快線隧道群為工程背景，對大斷面小凈距隧道群淺埋段開挖與支護全過程進行精細化數(shù)值模擬，結合實測數(shù)據(jù)，分析隧道開挖時拱頂沉降規(guī)律及復合式襯砌圍巖壓力分布規(guī)律，得到以下主要結論：

(1) 帶臨時豎撐的上下臺階開挖法引起的拱頂沉降呈“急劇沉降—緩慢變化—穩(wěn)定收斂”的變化趨勢；數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測沉降終值基本一致，均小于規(guī)范要求的預留變形量，該開挖方法可用于類似條件下隧道工程施工。

(2) 隧道群初期支護圍巖壓力近似呈對稱分布，單洞圍巖壓力呈外側大內(nèi)側小、上部大下部小的分布形態(tài)，初期支護圍巖壓力最大值出現(xiàn)在拱肩位置(臨時豎撐處)。

(3) 后行主洞開挖導致先行輔洞初期支護上圍巖壓力明顯減小，二次襯砌承擔部分圍巖壓力；輔洞內(nèi)側初期支護和二次襯砌的荷載承擔比約為6∶4，輔洞外側約為7∶3。