不同施工方法下浅埋偏压小净距隧道的围岩稳定性

王飞飞, 牛家永



不同施工方法下浅埋偏压小净距隧道的围岩稳定性

王飞飞, 牛家永

(中南林业科技大学土木工程与力学学院, 湖南长沙, 410004; 中南林业科技大学岩土工程研究所, 湖南长沙, 410004)

采用MIDAS/NX有限元模拟软件, 模拟了浅埋偏压小净距隧道的开挖施工过程, 研究了不同施工方法下浅埋偏压小净距隧道的洞周围岩位移、仰拱位移、地表沉降及岩质边坡位移的变化规律。结果表明: 开挖方法对围岩位移、地表沉降、边坡位移的影响较大; 在岩质边坡的存在下, 左洞与右洞的位移有较大的差别; 中隔壁法对位移的控制最好。在岩质边坡下开挖隧道, 边坡各个方向的位移都较大, 因此, 在隧道开挖过程中应充分做好边坡的防护工作。

浅埋偏压小净距隧道; 施工方法; 围岩稳定; 位移

我国西部地区地形、地质情况较为复杂, 在隧道建设时, 难免形成偏压隧道。小净距隧道与一般型式的隧道相比有利于线路线型规划和优化, 且造价低、施工工艺简单, 因此, 在该地区采用浅埋偏压小净距隧道是最佳选择。小净距隧道中岩柱的厚度较小、围岩扰动较大, 尤其是基于上覆非均质岩层且下伏岩质边坡的浅埋偏压小净距隧道, 其围岩稳定性的问题亟需得到解决。对该问题, 目前已有学者开展了相关研究。王帅帅等[1]使用FLAC3D模拟不同净距下均质硬岩、均质软岩和竖向半软半硬岩隧道施工15种工况, 对比分析了中岩墙、拱顶上部围岩、仰拱处围岩和边坡的围岩稳定性。祁寒等[2]采用有限差分软件对均质硬岩、均质软岩及竖向半软半硬岩中不同净距隧道的拱顶沉降、中岩墙水平位移以及中岩墙最大主应力等进行了研究。唐明明等[3]依托西康高速公路长哨小净距隧道, 对上下台阶法、留核心土法、侧壁导坑法 3 种开挖方法进行了数值模拟, 对模拟结果进行了分析, 并提出了符合实际的开挖施工方案。彭琦等[4]以具体工程实例为背景, 对浅埋偏压小净距隧道的施工方法和施工顺序进行数值模拟, 分析了开挖顺序对围岩位移、应力、地表位移以及塑性区影响情况。陆伟等[5]依托干田冲隧道工程项目, 对不同施工工艺下Ⅳ级浅埋偏压小净距隧道中夹岩柱应力应变特性及其稳定性进行了数值模拟, 探讨了小净距隧道的合理施工工艺、围岩稳定控制、施工质量和安全措施。王更峰等[6]依托魁岐大跨小净距隧道工程实例, 对CRD法、双侧壁导坑法、弧形导坑预留核心土法、台阶法4种隧道开挖方法进行了数值模拟。确定出不同围岩等级条件下大跨小净距隧道合理的开挖方法。王建华等[7]采用改进的有限元强度折减法计算了某浅埋偏压小净距隧道2种开挖方式在各个施工阶段的安全系数, 并找到2种开挖方式在整个开挖过程中最容易产生破坏的施工步骤。宁宇[8]通过建立FLAC3D数值模型, 对Ⅴ级围岩条件下浅埋偏压隧道的CRD施工方法进行了数值模拟, 得出仅靠改变施工顺序提高围岩稳定性效果有限, 应注重管棚、小导管注浆等加固措施的结论。朱小坚[9]对锦所隧道2种开挖方法下的隧道沉降进行了监测分析, 并基于最小二乘法, 用三次曲线模型对沉降数据进行了拟合, 并得到在控制浅埋软弱破碎围岩隧道变形方面, CRD工法优于双侧壁导坑法的结论。杨小礼等[10]对浅埋偏压小净距隧道采用双侧壁导坑法进行施工力学数值模拟, 比较不同开挖顺序时的围岩位移、应力、地表位移以及塑性区的变化情况。李享松[11]结合沈阳地铁中街站实际工程, 对浅埋暗挖施工中横通道及导洞开挖、大跨度初支扣拱关键技术进行了研究, 提出了系列建筑物和管线安全保护措施。以上研究对浅埋隧道的施工方法和施工顺序等给出了较好的建议, 但对不同施工方法下的上覆非均质岩层浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性的研究尚不够。浅埋偏压小净距隧道与其他型式隧道相比, 具有上覆岩层较薄、围岩压力不对称、整体稳定性差等特点, 在不同的施工方法下, 其围岩稳定性不尽相同。本文以西部某高速公路隧道工程为背景, 采用有限元模拟软件MIDAS/NX对浅埋偏压小净距隧道施工过程进行模拟, 通过对隧道围岩、地表及边坡位移变化的分析, 研究隧道围岩在不同施工方法下的稳定性。研究成果可为浅埋偏压小净距隧道的施工提供有益的参考。

1 模型与参数

1.1 数值模型

为减少在数值模拟中的边界影响, 取模型尺寸大于5倍洞径。数值计算建模时, 取隧道轴线向下40 m, 向上至地面, 向左到坡面, 向右40 m, 隧道开挖洞径= 8 m, 洞高= 6 m, 净距为4 m。依据实际情况合理划分网格后得到的数值计算模型节点总数12325个, 单元总数65005个。隧道围岩采用实体单元模拟, 衬砌采用板单元模拟。数值模拟中围岩材料采用Mohr-Coulomb(摩尔—库伦)屈服准则, 衬砌采用弹性本构关系。计算模型如图1所示。

图1 计算模型

1.2 计算参数

围岩、喷射混凝土及锚杆参数依据实际工程与相应规范[12]合理选取, 参数如表1所示。

表1 岩层及支护材料参数

1.3 关键测点布置

依据研究目的, 选取模型的关键位置作为监测点, 测点布置如图2所示。

图2 测点布置

2 结果与分析

2.1 隧道竖向位移

在隧道施工开挖过程中, 围岩在开挖扰动下产生位移, 隧道围岩竖向位移变化趋势如图3和图4所示。

由图3知, 3种开挖方法沿着左洞测点的变化趋势相似, 左侧的拱脚到拱腰的位移是向上的, 这是因为左洞位于岩质边坡下, 且其左半边上覆围岩厚度较少。在隧道开挖时, 左半拱由于向上地应力大于向下地应力, 导致左半拱拱脚到拱腰段产生向上的位移。在拱顶到右拱肩段竖向位移最大, 右拱肩向拱脚方向的位移在减小。比较3种开挖方法下隧道位移可知, 中隔壁法对洞周位移控制效果最好, 上下台阶法次之, 全断面法最差。

由图4知, 3种开挖方法在右洞的竖向位移变化趋势相似, 呈现出先增大再减小的趋势。拱顶处的位移量最大, 6 mm左右。与左洞相比, 右洞的竖向位移较大, 主要是因右洞上覆岩层较厚所致。右洞的竖向位移变化是对称的, 左洞竖向位移的非对称性由岩质边坡所致, 因此, 在边坡下开挖隧道要特别考虑边坡对隧道的影响。综上, 3种开挖方法中, 中隔壁法对位移的控制最好。

图3 左洞竖向位移

图4 右洞竖向位移

2.2 仰拱竖向位移

在隧道施工开挖过程中, 仰拱处会出现起鼓现象, 通常用仰拱竖向位移来描述仰拱起鼓的程度。隧道仰拱竖向位移如图5和图6所示。

图5 左洞仰拱竖向位移

图6 右洞仰拱竖向位移

由图5知, 在3种开挖方法下, 左洞仰拱竖向位移变化趋势是相似的, 仰拱左半边位移量较大, 说明容易产生起鼓现象, 应该加强防护。仰拱左边所承受的向上地应力大于向下地应力导致了左半边位移较大。仰拱右边位移量右向逐渐减小, 在中岩墙处基本不产生位移。3种方法中, 中隔壁法对仰拱位移控制最好。

由图6知, 在3种开挖方法下, 右洞仰拱竖向位移的变化趋势基本一致, 先增大后减小, 与右洞周边围岩竖向位移变化趋势相似。中间的位移最大, 约为3.5 mm, 比左洞仰拱最大竖向位移大, 说明右洞所受到的竖向地应力比左洞的大。与左洞仰拱竖向位移变化趋势相比, 右洞变化趋势呈现出明显的对称性, 说明边坡对仰拱的起鼓同样具有影响。3种开挖方法下产生的仰拱竖向位移基本一致, 说明右洞仰拱的竖向位移不受开挖方法的影响。

2.3 地表沉降

在隧道施工开挖过程中, 地表在施工扰动下产生沉降。地表的沉降变化如图7所示。

图7 地表沉降

由图7知, 在3种开挖方法下, 地表的最大沉降位置在测点2附近。右洞隧道拱顶处产生的竖向位移最大, 由于拱顶与地表测点2不在同一竖直平面内, 因此, 地表沉降是左右洞共同作用的结果。中隔壁法对地表的沉降控制得较好, 上下台阶法次之, 全断面法最差。

2.4 边坡位移

在隧道施工开挖过程中, 靠近隧道的岩质边坡容易产生破坏, 通常用边坡水平向和竖直向产生的位移来分析边坡破坏程度。边坡位移如图8和图9所示。

由图8知, 随着边坡高程的增加, 边坡竖向位移值逐渐增大。在测点1到测点2段, 边坡竖向位移呈现向上的趋势, 这是因为下伏隧道的开挖导致此处的向上地应力增大, 导致此处边坡向上起鼓。

由图9知, 在中隔壁法与全断面法开挖下, 边坡测点水平向变化趋势相近。上下台阶法较为特殊, 原因可能是测点1与2处距离左洞较近, 先开挖上台阶时洞周应力释放, 在边坡测点1与2处的右边水平向失去了约束, 导致此处的边坡水平向位移较大。中隔壁法与全断面法均对边坡的水平向位移产生的影响较小, 整体考虑知中隔壁法对边坡的扰动最小。

图8 边坡竖直向位移

图9 边坡水平向位移

3 结论

采用MIDAS/NX有限元模拟软件, 模拟了浅埋偏压小净距隧道的开挖施工过程, 并对浅埋偏压小净距隧道的洞周围岩位移、仰拱位移、地表沉降及岩质边坡位移规律进行了研究, 得到以下结论。

中隔壁法、全断面法及上下台阶法3种开挖方法中, 在综合考虑各位移的情况下, 中隔壁法对位移的控制最好, 上下台阶法次之, 全断面法最差。在隧道的施工开挖过程中, 左洞洞周会有部分区段产生向上的位移; 左洞在岩质边坡的作用下, 其与右洞的位移有很大的差别, 说明边坡对隧道的开挖影响较大。不同的开挖方法对仰拱起鼓的影响不大, 而对洞周围岩位移、地表沉降、边坡位移有很大的影响。在岩质边坡下开挖隧道对边坡各个方向的位移影响很大, 在实际工程中应充分做好边坡的防护工作, 防止开挖隧道对边坡产生较大的破坏。

[1] 王帅帅, 高波, 全晓娟, 等. 不同地质条件下浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性研究[J]. 水文地质工程地质, 2014, 41(3): 60–66.

[2] 祁寒, 高波, 王帅帅, 等. 不同地质条件浅埋偏压小净距隧道施工力学效应研究[J]. 现代隧道技术, 2014, 51(4): 108–112.

[3] 唐明明, 王芝银, 李云鹏. 穿越公路偏压小净距隧道施工方法探讨[J]. 岩土力学, 2011, 32(4): 1 163–1 168.

[4] 彭琦, 罗威, 李亮. 浅埋偏压小净距隧道施工力学数值分析[J]. 铁道建筑, 2009(12): 34–37.

[5] 陆伟, 陈皓, 李小青. 小净距隧道施工工序的数值模拟分析[J]. 公路, 2014(10): 291–296.

[6] 王更峰, 熊晓晖, 张永兴, 等. 大跨小净距隧道合理开挖方法与支护参数对比研究[J]. 公路交通科技, 2011, 28 (3): 101–107.

[7] 王建华, 陈力华, 张蕾. 浅埋偏压小净距隧道开挖顺序研究[J]. 公路交通技术, 2011(1): 99–101.

[8] 宁宇. 浅埋偏压软弱围岩高铁隧道施工技术[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版), 2016, 28(2): 70–73.

[9] 朱小坚. 浅埋软弱破碎围岩隧道变形监测与分析——以贵州省三穗至黎平高速公路的锦所隧道为例[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版), 2016, 28(1): 75–78.

[10] 杨小礼, 眭志荣. 浅埋小净距偏压隧道施工工序的数值分析[J]. 公路, 2007, 38(4): 764–770.

[11] 李享松. 紧邻建筑物浅埋暗挖车站的施工技术[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版), 2016, 28(2): 54–59.

[12] 中华人民共和国行业标准编写组. JTG D70-2004公路隧道设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

(责任编校: 江河)

Stability of surrounding rock of shallow-buried bias tunnel with small clear distance under different construction methods

Wang Feifei, Niu Jiayong

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; Institute of Geotechnical Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

The MIDAS/NX finite element simulation software is performed to study the displacement response rules with surrounding rock, inverted arch, surface and rock slope under the excavation process of shallow-buried bias tunnel with small clear distance. Research results show that excavation methods have great influence on displacement of surrounding rock, surface subsidence, slope displacement. In the presence of rock slope, there is a great difference in the displacement of the left and right holes. The middle wall method is the best way to control displacement. Under the rock slope, the displacement of each direction of the slope is influenced by the excavation of the tunnel. Therefore, in the process of tunnel construction, the protection of the slope should be fully prepared.

shallow-buried bias tunnel with small clear distance; construction method; stability of surrounding rock; displacement

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.04.014

U 45

A

1672–6146(2017)01–0060–05

王飞飞, 1942016362@qq.com。

2016–06–16