淺埋偏壓單洞四車道隧道開挖圍巖變形特征數值分析

張玉石

(貴陽市城市發展投資集團股份有限公司 貴陽 550081)

受地形和線路的影響,隧道洞口段不可避免地會出現淺埋偏壓等不利的地形條件及復雜的地質條件[1]。淺埋偏壓隧道由于其上覆土層較薄,地質條件差,在施工過程中常出現邊坡整體滑移、坍塌和地表塌陷等工程災害。同時,日益增長的交通需求令工程中出現了更多的單洞四車道大斷面隧道[2-3],對隧道工程的安全施工也提出了更高的要求[4]。

在淺埋偏壓隧道開挖的研究中,李躍強[5]通過數值模擬的方法,對淺埋偏壓大斷面隧道不同開挖工法的開挖順序進行了優化分析。宋戰平等[6]針對在建的寶蘭客專小墁坪隧道出口淺埋偏壓段施工穩定性問題,通過數值模擬分析的方法研究了采用三臺階+臨時支撐進行開挖時不同上、中臺階距離對圍巖和支護結構的影響。宋戰平等[7]采用有限元分析軟件模擬淺埋偏壓隧道洞口段開挖時,有、無超前管棚支護2種工況,通過對比分析了圍巖的變形特性和應力分布。曾仲毅等[8]采用數值分析的方法模擬淺埋偏壓膨脹性黃土隧道施工過程,對比研究了管棚預支護效果。

可以看出,現階段對于淺埋偏壓隧道開挖的研究已經取得了一定的成果[9],但對于單洞四車道大斷面隧道在淺埋偏壓情況下開挖的研究則相對較少。針對上述情況,本文以某淺埋偏壓大斷面隧道為工程背景,對比分析隧道開挖過程中有、無注漿加固2種工況下圍巖的變形、應力和塑性區分布特征。

1 工程概況

1.1 地質概況

隧道場區位于西南山地丘陵地區,受地形和線路影響,隧道右幅進口端YK4+955-YK5+035屬于淺埋偏壓段,埋深在0～9.5 m之間,該段邊坡傾角約為25°。隧道進口端地質剖面圖見圖1。隧道圍巖級別為V級,地質條件較差,洞身巖性主要為泥質粉砂巖、炭質泥巖、灰巖夾泥巖,隧道主線為單洞四車道大斷面隧道,開挖跨度為21.01 m,開挖高度為13.45 m,開挖面積約為227 m2。本文選取YK4+975-YK5+035段進行分析,該段存在淺埋偏壓、大斷面,以及地質條件復雜等特點,施工難度大,風險高。

圖1 隧道進口端地質剖面圖

1.2 隧道施工方案

遵循“先加固、后開挖”的原則,并結合工程具體情況,在淺埋偏壓段采用“襯砌結構加強+超前小導管注漿加固+雙側壁導坑法開挖”的工程措施,保證隧道施工安全。

1) 襯砌結構加強。隧道采用復合式襯砌,初期支護為30 cm厚C25噴射混凝土,二次襯砌為75 cm厚C40鋼筋混凝土,襯砌結構設計圖見圖2。

圖2 襯砌結構設計圖(尺寸單位:mm)

2) 注漿加固。隧道進口淺埋偏壓段采用斜向注漿特殊設計,襯砌系統錨桿采用直徑42 mm、壁厚4 mm注漿鋼花管,長5 m,拱部注漿鋼花管斜向打設,打設角度為45°～50°,邊墻部位鋼花管徑向打設。超前小導管采用直徑76 mm、壁厚4 mm熱軋無縫鋼管,長6 m,環向間距為35 cm,縱向排距為300 cm,外插角為5°～12°。襯砌超前支護設計圖見圖3。

圖3 襯砌超前支護設計圖

3) 開挖方法。隧道開挖斷面大,采用雙側壁導坑法進行開挖,開挖工序為:左導洞上臺階I部開挖→左導洞下臺階II部開挖→右導洞上臺階III部開挖→右導洞下臺階IV部開挖→中導洞上臺階V部開挖→中導洞中臺階VI部開挖→中導洞下臺階VII部開挖。開挖工序示意見圖4。

圖4 雙側壁導坑法開挖工序示意圖

2 數值模型建立

2.1 三維數值模型

選取隧道右幅進口端YK4+975-YK5+035淺埋偏壓段進行建模分析,采用midas GTS NX三維有限元軟件建立與實際地表相近的三維數值模型。考慮到邊界效應的影響,模型水平方向取120 m,沿隧道縱向取60 m,上邊界取至地表,豎直方向取隧道底部至下邊界的距離為45 m。模型四周邊界設置水平方向約束,模型底部邊界設置水平和豎直方向約束。

隧道初期支護和雙側壁臨時支撐采用二維板單元模擬,二次襯砌、注漿加固區和圍巖采用三維實體單元模擬,注漿鋼花管和超前小導管采用提高注漿加固區圍巖力學參數進行近似模擬。模型共劃分140 295個單元,107 720個節點,建立三維數值模型見圖5、圖6。

圖5 三維數值模型(單位:m)

圖6 支護結構

2.2 計算參數

模型計算參數根據地勘資料和JTG 3370.1-2018 《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》中的圍巖力學參數進行取值。系統錨管和超前小導管注漿加固區采用提高圍巖力學參數的方式進行近似模擬[10]。本文分別對開挖過程中有、無注漿加固2種工況進行計算分析。圍巖、加固區和支護結構參數取值見表1。

表1 材料參數表

3 數值計算結果分析

3.1 圍巖變形分析

隧道開挖完成后,有、無注漿加固2種工況下圍巖的豎向位移云圖見圖7。

圖7 圍巖豎向位移云圖

由圖7可知:

1) 2種工況下隧道深埋側圍巖的沉降變形均明顯大于淺埋側,圍巖最大沉降值出現在隧道拱頂靠近偏壓一側,最大隆起出現在仰拱底部。

2) 未注漿加固時圍巖最大沉降值為9.3 mm,最大隆起值為8.9 mm;注漿加固后,圍巖最大沉降值為8.0 mm,最大隆起值為7.6 mm。注漿加固后圍巖最大沉降和最大隆起分別減少了13.9%和14.6%。

為了更直觀地分析圍巖變形特征,分別取YK4+975、YK4+990、YK5+005、YK5+020、YK5+035 5個特征斷面進行研究,以下簡稱為斷面1～斷面5。特征斷面的拱頂沉降和地表最大沉降見表2。

表2 特征斷面豎向位移

由表2可知:

1) 雙側壁導坑法施工對控制圍巖變形具有較好的作用,施工過程引起的地表沉降和拱頂沉降值均較小。

2) 未注漿加固時拱頂最大沉降值為7.55 mm,地表最大沉降值為6.10 mm;注漿加固后拱頂最大沉降值為6.58 mm,地表最大沉降值為5.30 mm。在注漿加固的作用下,特征斷面的拱頂沉降和地表沉降均減小了13%左右。

一般情況下,地表沉降均小于拱頂沉降,地表沉降與拱頂沉降的比值也反映了圍巖的沉降變形特征,有、無注漿加固2種工況下特征斷面的地表沉降與拱頂沉降比值見表3。

表3 2種工況下地表沉降與拱頂沉降比值

由表3可見:

1) 特征斷面隧道埋深均小于0.5倍開挖跨度,隧道埋深越小,地表沉降與拱頂沉降的比值越大。

2) 有、無注漿加固2種工況下地表沉降與拱頂沉降的比值S2/S1均相差不大,且均在70%以上,說明2種工況下,隧道上覆土體均無法形成穩定的承載拱,且上覆土體以整體沉降為主,埋深越小,整體沉降趨勢越明顯。

為進一步分析淺埋偏壓隧道的地表沉降變形規律,取特征斷面3的地表沉降進行研究,地表橫向沉降曲線見圖8。

圖8 地表橫向沉降曲線

由圖8可見:

1) 受地形偏壓的影響,隧道深埋側的地表沉降值和沉降槽寬度均明顯大于淺埋側。注漿加固主要減小了隧道深埋側的地表沉降變形,對淺埋側的地表沉降影響較小。

2) 隧道深埋側上覆土體產生水平位移對淺埋側土體形成擠壓作用,在距離隧道左側開挖輪廓線20～40 m范圍內,地表土體出現了局部隆起現象。由于沉降的不均勻性,可能引起隧道深埋側上覆土體產生滑動面,最終造成上覆土體拉裂破壞。施工過程中需加強地表監控量測,必要時需采取地表注漿加固措施。

地表和拱頂沉降受雙側壁導坑法開挖工序的影響,在不同施工階段的沉降變形特征有所不同。選取特征斷面3監測點的沉降變形進行分析,地表和拱頂沉降隨施工步驟變化的曲線見圖9、圖10。

圖9 地表沉降變化曲線

圖10 拱頂沉降變化曲線

由圖9、圖10可知:

1) 注漿加固后,特征斷面3測點的地表沉降和拱頂沉降變形速率和最終沉降值均有所減小。

2) 有、無注漿加固2種工況下地表沉降和拱頂沉降隨施工步驟變化的規律基本一致,均呈現4個發展階段。

①微小變形階段。從左導洞I部開挖至右導洞III部開挖階段,這一階段對特征斷面3監測點的沉降變形影響較小,監測點處僅發生了微小的沉降變形,約為總沉降值的5%左右。

②緩慢變形階段。從右導洞III部開挖至中導洞上臺階V部開挖階段,開挖工作面逐漸接近特征斷面3監測點,此階段沉降變形發展較為緩慢,沉降值約為總沉降值的30%左右。

③變形劇增階段。從中導洞上臺階V部開挖至隧道開挖貫通階段,開挖工作面通過特征斷面3后,雙側壁臨時支撐也隨之拆除,此階段沉降變形迅速增加,沉降值約為總沉降值的60%左右,注漿加固效果在此階段作用明顯,有效地減小了沉降變形速率和最終沉降值。

④變形穩定階段。從隧道開挖貫通至支護結構施作基本完成階段,由于初期支護封閉成環和周圍土體逐漸趨于穩定,沉降變形速率不再增大,沉降值逐漸趨于穩定,此階段沉降值約為總沉降值的5%左右。

3.2 圍巖最大主應力分布

隧道開挖引起洞周圍巖應力重分布,受淺埋偏壓的影響,隧道洞周圍巖最大主應力分布呈非對稱形式,見圖11。

圖11 隧道洞周圍巖最大主應力分布

由圖11可知:

1) 采用雙側壁導坑法施工時,有、無注漿加固2種工況下圍巖的最大主應力分布規律相差不大。隧道深埋側拱腳處的圍巖最大主應力最大,分別為-820.3,-818.7 kPa;仰拱處的圍巖最大主應力最小,分別為-131.5,136.9 kPa。

2) 受淺埋偏壓的影響,隧道深埋側拱肩處的圍巖最大主應力相比于淺埋側拱肩處減小了約28%;深埋側拱腳處的圍巖最大主應力相比于淺埋側拱腳處增大了約26%;兩側邊墻處的圍巖最大主應力相差較小。隧道深埋側拱腳處出現了應力集中現象,施工中應對該部位加強支護,以提高圍巖穩定性。

3.3 圍巖塑性區分布

隧道開挖不可避免地會對周圍巖體產生擾動,在洞周圍巖應力集中區域引起圍巖的塑性變形。掌握圍巖塑性區分布特征,有助于施工過程中采取應對措施,保證隧道的施工安全。圍巖的塑性區分布見圖12。

圖12 圍巖塑性區分布

由圖12可知:

1) 注漿加固對圍巖塑性區的分布特征影響較小,塑性區主要分布在隧道兩側邊墻,深埋側的圍巖塑性區分布范圍明顯大于淺埋側。

2) 隧道淺埋側的圍巖塑性區主要分布在邊墻,并向拱頂位置處發展;深埋側的塑性區主要集中在邊墻和拱腳位置處,與洞周圍巖的最大主應力分布相對應。施工中可通過增加左、右側導洞臨時橫撐和加強鎖腳錨桿等措施來防止圍巖塑性區的進一步發展。

3.4 襯砌結構安全系數

對隧道襯砌結構進行驗算分析,2種工況下襯砌結構的安全系數與裂縫寬度見表4,左側為隧道淺埋側,右側為隧道深埋側。

表4 襯砌結構安全系數與裂縫寬度

由表4可知,未注漿加固時襯砌結構最小安全系數為6.8,注漿加固后襯砌結構最小安全系數為7.1,均出現在隧道淺埋側拱腰位置處,隧道深埋側拱腰與拱腳位置的安全系數也相對較小,但均滿足規范要求;2種工況下襯砌最大裂縫寬度均小于0.2 mm,滿足規范要求。

4 結論

本文以某淺埋偏壓單洞四車道隧道為工程依托,通過數值分析的方法,模擬了雙側壁導坑法施工過程,對比分析了有、無注漿加固2種工況下開挖引起圍巖的變形、應力和塑性區分布特征,得出如下結論。

1) 雙側壁導坑法控制圍巖變形效果較好,采取注漿加固措施可進一步減小圍巖沉降變形,但仍需注意施工過程中圍巖不均勻沉降變形引起的隧道上覆土體拉裂破壞。

2) 從圍巖的豎向位移來看,隧道深埋側的沉降變形均大于淺埋側,且深埋側的沉降槽寬度也明顯大于淺埋側;隧道上覆土體表現為整體沉降變形趨勢,埋深越小,整體沉降變形趨勢越明顯。

3) 圍巖的沉降變形受施工工序的影響,沉降變形發展過程主要經歷了微小變形階段、緩慢變形階段、變形劇增階段和變形穩定階段,4個階段,其中變形劇增階段圍巖的沉降變形占總沉降值的主要部分。

4) 從圍巖的應力和塑性區分布特征來看,圍巖塑性區分布范圍與洞周最大主應力分布相對應,主要分布在隧道兩側邊墻處;隧道淺埋側邊墻的圍巖塑性區向拱頂位置發展,隧道深埋側邊墻的塑性區向拱腳處延伸。施工中可通過增加左、右導洞臨時橫撐和加強鎖腳錨桿等措施來防止圍巖塑性區進一步發展。