基于模型試驗的雙側壁導坑法施工過程模擬研究

馮 展,鄭國平,2,莊一舟,孫海濤

(1.浙江工業大學 土木工程學院 杭州市 310014; 2.杭州新奧土木工程技術有限公司 杭州市 310051;3.核工業井巷建設集團有限責任公司 湖州市 313000)

0 引言

在超大斷面淺隧道施工中,使用雙側壁導坑法能有效控制圍巖變形,對保證施工安全具有十分重要的意義[1]。隧道洞口淺埋段一般巖體破碎,穩定性差,施工風險高,大斷面隧道一般均采用雙側壁導坑法開挖,以控制圍巖變形與松弛,確保隧道整體穩定與支護受力安全。

李躍強等[2-4]利用FLAC3D軟件模擬了多種工況下大斷面隧道采用雙側壁導坑法的施工流程;汪衛華等[5-7]對雙側壁導坑開挖法進行了優化分析;孫海濤等[8-10]運用數值分析方法研究了雙側壁導坑法中隧道的相關影響因素;劉少峰等[11]基于圍巖開挖擾動時應力響應原理,通過模型試驗,建立巖質隧道的縱向變形規律曲線,獲得隧道開挖最大徑向位移與施工工藝的變化規律;馮義[12]針對國內新近出現的低跨比雙洞八車道,依托相關實際工程,進行了室內模型試驗和必要的數值模擬分析;江浩等[13]分析了模型試驗中相似材料的選用原則和關鍵問題,然后基于兩種不同的幾何相似程度,比較討論了模型幾何相似程度對隧道模型和隧道原型結構之間應力與彎矩結果的影響程度,研究結果表明,幾何相似程度決定了模型相似比尺設計的合理性。

四車道超大斷面隧道圍巖自穩能力降低,且雙側壁導坑法施工流程復雜。現有文獻對雙側壁導坑法施工過程的分析主要基于數值分析和現場監測,前者與采用的物理參數密切相關,荷載釋放系數等參數受人為因素影響較大,而后者能采集到的數據有限,費時費力且成本高昂,且針對四車道超大斷面隧道開展模型試驗的研究尚不多。因此,文章依托溫州大羅山隧道,采用模型試驗方案,對其開挖和支護過程進行模擬,以期為依托隧道和類似工程提供參考。

1 室內模型試驗設計

參考浙江省內首座高速公路單洞四車道小凈距隧道工程,進行本次試驗設計。結合大羅山隧道的現場地質勘察報告以及設計單位的相關資料,選取該隧道淺埋段某典型斷面進行分析,圍巖所處等級為Ⅳ級,開挖工法為雙側壁導坑法。

1.1 相似材料

本試驗擬定的相似比為50,根據相似第一定理和相似第二定理[14],確定材料性質相似比如下:容重、泊松比、內摩擦角、應變相似比:Cγ=Cμ=Cφ=Cε=1,抗壓強度、應力、粘聚力、彈性模量相似比CR=Ce=Cσ=CE=50。本次試驗主要考慮隧道雙側壁開挖對圍巖應力的影響,為簡化試驗,不考慮初期支護鋼拱架及超前支護的影響。

圍巖相似材料以河沙、800目重晶石粉、40目石英砂、二級粉煤灰為骨料,洗潔精作為粘結劑[15],參考程芳卉[16]研究的圍巖相似材料配合比例,采用MTS萬能試驗機和直剪儀等開展圍巖相似材料力學試驗,最終確定本實驗圍巖相似材料質量配合比為:河沙∶800目重晶石粉∶40目石英砂∶二級粉煤灰∶洗潔精=41.25%∶24.35%∶15.28%∶12.5%∶5%。原型材料與相似材料力學參數如表1所示。參考徐前衛等[17]斷層的研究結果,本試驗的節理采用滑石粉進行模擬,厚度為0.1mm,節理間距取4cm。

表1 圍巖力學參數

襯砌相似材料采用水和石膏作為主要原料,緩凝劑作為添加劑,初噴混凝土標號為C25,厚度為30cm,二次混凝土標號為C30,厚度為60cm,其參數按照《公路隧道設計規范》[18](JTG 3370.1─2018)取值,按照確定的相似比1:50比選出最佳的水膏比。模型與原型值對比如表2所示。

表2 原型材料與模型材料參數

錨桿采用Φ0.5mm和長度6cm的鐵絲模擬,二次襯砌受力主筋(未考慮結構筋)采用Φ1mm的鐵絲網進行模擬,其力學參數按試件試驗數據為準,通過試驗數據和直徑,通過原型與模型的等效抗彎剛度EI和等效抗拉剛度EA進行相似模擬。

1.2 試驗設備

(1)模型試驗臺架

模型試驗臺架由高強玻璃板、左右側槽鋼、背部亞克力板、背部槽鋼、頂部支撐反力架和基座等組成,通過在頂部布置千斤頂實施加載。模型試驗臺架內部空間為3000mm×300mm×1450mm(長×寬×高),在保證整體下降0.1mm范圍內,結構承受最大荷載大于1MPa。背部通過安裝亞克力及槽鋼板進行隧道開挖模擬和隧道二襯結構承載試驗。為了減少圍巖相似材料與箱壁的摩擦力,在填充相似材料前,在箱體內壁鋪設聚四氟乙烯薄膜,并刷一層潤滑油。

(2)加載系統

本實驗加載方式采用液壓千斤頂,均勻布置6個液壓千斤頂于反力架下,通過壓力傳感器和數顯裝置實現分級加載,在圍巖頂部布置模板進行均布荷載傳遞。本加載系統具有操作簡單、布置靈活、加載穩定等優點。

(3)量測系統

本試驗的量測系統主要由地表沉降量測系統、圍巖應力量測系統組成。地表沉降量采用千分表進行測試,圍巖應力由直徑14mm土壓力計來量測,通過應變儀進行數據采集,采集系統規格為60通道,采集精度高,數據通過應變儀連接電腦收集。

1.3 試驗方案

隧道模型試驗一般采用“先加載,后開挖”和“先開挖,后加載”的方式進行,由于本隧道為淺埋隧道,故采用后者的方式進行,具體流程如下:

(1)模型材料分類,按照比例攪拌;

(2)在模型箱內分層填筑混合料并人工夯實;

(3)填筑滑石粉并夯實;

(4)按照圖1在監測斷面布置土壓力盒和千分表;

圖1 測點布置(單位:cm)

(5)持續填筑至模型頂部。

隧道監測點布置如圖1所示,共布置28個土壓力盒,布置間距為15cm,左右拱腰處不僅監測圍巖的豎向應力,也對其徑向應力進行監測;地表處共布置14個千分表,間距不等。儀器布置均位于模型中線處,模型試驗箱寬30cm,即均布置在15cm處。

本試驗模型開挖采用雙側壁導坑法,每一步開挖進尺為10cm(對應依托工程5m),每個區塊在厚度方向分為三層,每層分4步開挖,如第一層開挖步為1-1、1-2、1-3、1-4,共開挖12步,具體施工步驟如表3和圖2所示。模型開挖和支護采用實驗室專用工具完成,為了保證隧道開挖走向正確,采用全站儀等儀器輔助開挖。

圖2 隧道橫斷面開挖示意圖

表3 施工步驟

隧道開挖完成后,拆除臨時支護,進行二次襯砌的埋設,通過灌注石膏漿液保證二襯和初期支護之間接觸密實,隨后通過千斤頂對圍巖進行逐級加載,每級加載0.9kN,直至拱頂裂縫充分貫通。

2 試驗結果分析

試驗結果包括了開挖階段中圍巖的應力變化和地表沉降,以及隧道開挖完成后,附加荷載作用下圍巖的應力特征和襯砌裂縫發展情況。

2.1 開挖階段試驗結果分析

2.1.1圍巖應力變化

左右數據基本呈對稱分布,故采用右側數據進行分析。隧道開挖階段圍巖應力變化規律如圖3所示,負值代表圍巖應力值減小,正值代表圍巖應力增大。由圖3(a)可以看出,隧道開挖后,由于應力釋放,右側拱腰處圍巖的豎向應力呈減小的趨勢,且越靠經右拱腰,圍巖應力減小幅度越大,尤其是最靠近隧道拱腰處的測點,圍巖應力減小幅度最大,L8測點圍巖豎向應力減小值為345.5kPa;由圖3(b)可以看出,右拱腰切向應力的變化規律和右拱腰豎向應力的變化規律相似,均是隨著隧道的開挖,圍巖的應力均呈減小的趨勢,越靠近隧道拱腰處的測點,圍巖應力減小幅度越大,L16測點圍巖豎向應力減小值為162.4kPa;由圖3(c)可以看出,隧道開挖后,L21靠近隧道右拱肩,徑向應力減小幅度最大,減小值為690.2kPa,L24測點徑向應力值增加,L27測點徑向應力值減小;由圖3(d)可以看出,拱頂豎向應力的變化規律和右拱腰應力的變化規律相似。由圖3可以看出,隧道第一個斷面開挖結束,圍巖的應力變化值均較小,當第二個斷面開挖時,圍巖應力盒布置位置處于隧道開挖第二個斷面內,圍巖應力變化值較大,第三斷面開挖結束后,圍巖應力變化值減小,表明第二斷面開挖結束,圍巖應力釋放效率最高。

圖3 開挖階段圍巖應力特征

2.1.2地表沉降

不同開挖階段地表沉降曲線如圖4所示。從圖4中可以看出,隧道雙側壁導坑法開挖后,地表各監測點均發生了不同程度的沉降,其中不同斷面開挖結束后,地表沉降最大值均位于模型中間處,地表沉降最大值為5.20mm,其中模型中線左右側四個點的沉降值較大。第一斷面開挖結束后,地表沉降最大值為1.55mm,占總沉降值的29.8%,此時隧道開挖斷面未到達監測斷面,故地表沉降值均較小;第二斷面開挖結束后,地表沉降最大值為4.52mm,增量為2.97mm,占總沉降值的57.1%,此時隧道掌子面已經到達且穿過隧道監測斷面,地表發生較大的沉降;第三斷面開挖結束后,地表沉降最大值為5.15mm,增量為0.63mm,占總沉降值的12.1%,此時初期支護和臨時支護發揮較大的支撐作用,有效控制了圍巖的位移,進而控制了地表的沉降;臨時支護拆除后,地表沉降最大值為5.20mm,增量為0.05mm,占總沉降值的1%,臨時支護的拆除對地表沉降的影響較小,表明初期支護和臨時支護效果顯著。

圖4 不同斷面開挖地表沉降曲線(單位:mm)

2.2 加載階段試驗結果分析

隧道加載階段圍巖應力變化規律如圖5所示。由圖5中可以看出,圍巖應力隨著千斤頂的加載逐漸增大,在拱頂裂縫未出現時,基本呈線性增長,其中拱頂圍巖應力增長速率最大,其次分別為拱肩、拱腰和拱底;當拱頂出現貫穿裂縫時,此時各拱頂、拱肩和拱底圍巖應力的增長速率呈減小的趨勢,表明此時襯砌的承載力下降。

圖5 圍巖應力隨附加荷載變化曲線

3 結語

文章利用模型試驗模擬了隧道的雙側壁導坑法開挖,對開挖階段和加載階段的圍巖應力等進行分析,得出以下結論:

(1)臨時支護拆除后,地表沉降最大值為5.20mm,增量為0.05mm,占總沉降值的1%,表明初期支護和臨時支護效果顯著。

(2)采用雙側壁導坑法開挖,地表沉降基本沿著隧道中線呈對稱分布,故可以推測由于隧道對稱性開挖,導坑隧道受到偏壓效果不顯著。

(3)在隧道開挖階段越靠近隧道周邊的圍巖應力監測點,圍巖應力變化越大,且圍巖應力變化從大到小依次為拱肩切向應力、拱頂豎向應力、拱腰豎向應力、拱腰切向應力,建議做好拱肩和拱頂部位初期支護加固措施。隧道加載階段,拱頂裂縫貫穿前,圍巖應力隨著附加荷載的增加,基本呈線性增長,當拱頂裂縫貫穿后,襯砌的承載力明顯下降。