五峰山隧道洞口段施工优化及受力特性分析

范城域， 李之达， 刘子航

(1.武汉理工大学 交通学院,湖北 武汉 430063;2.中铁七局集团武汉工程有限公司，湖北 武汉 430074)

0 引 言

目前我国在山区公路、铁路建设中多采取隧道的形式穿越山岭。山岭隧道洞口段通常地质条件很差,存在偏压状况,很容易造成边坡滑坡、拱顶塌落等突发灾害[1],因此在隧道进洞时尽可能减弱偏压对围岩的扰动,通过减小开挖面积、增强衬砌结构的支撑能力来提高围岩的稳定性。本文依托五峰山隧道项目来研究洞口偏压段在施工过程中的力学特性,并结合隧道工程等专业知识及相关规范来对五峰山隧道进口偏压段现有开挖及支护方案进行优化改善。

1 工程背景

1.1 工程概况

五峰山隧道位于湖北省竹溪县,隧道进口段里程为K6+955～K7+025,长为70m。隧道整体围岩以强风化炭质页岩为主,部分围岩为中风化灰岩,围岩等级整体以Ⅴ级为主。由于进口段位于坡度30°～40°的斜坡附近,故会造成洞室存在偏压。根据前期地质勘查结果,在隧道进口附近存在断裂带,断裂构造发育,断裂走向主要为北西向,其区域地质情况详见构造纲要图1。

图1 五峰山隧道构造纲要示意图

1.2 五峰山隧道进洞施工方案

五峰山隧道洞口段开挖至K6+985断面后,现场观测掌子面围岩稳定性较差,并且距离掌子面最近的监控断面K6+980产生较大沉降,根据超前地质预报显示K6+985掌子面前40m围岩地质情况较差,围岩发育比较破碎,原开挖方案风险较大,于是重新选取K6+985～K7+025段开挖方案。根据《公路隧道设计规范》(JTG D07-2004)[2]对隧道洞口工程施工原则,结合现场情况对开挖及支护方法进行优化。

图2 岩体比速度参数成果图

目前偏压隧道开挖方法应用较多的是三台阶分步开挖法(表1)、中隔墙法等(表2)[3]。结合五峰山隧道实际情况,选取设置临时仰拱的三台阶法和中隔墙法来进行方法比选,开挖步长均设置为2m;开挖顺序上“优先开挖深埋侧再开挖浅埋侧”对地表的扰动更小[4],在采用中隔墙法时先开挖左侧埋深较厚的一侧。三台阶临时仰拱法及中隔墙法的具体施工步骤见表1及表2。

表1 三台阶临时仰拱施工工序

表2 中隔墙法施工工序

洞口段施工也应当增强支护强度。超前支护方面在K6+985～K7+025选用超前小导管对围岩注浆,搭接长度4 m,设置密度8 m2/根,共设置7根。在进行初次支护时,打算比选以下2种支护方案:

方法①:

初次衬砌厚度增加至0.4 m。

各初衬参数:φ25早强中空注浆锚杆(L=3.5 m,布置间距为1.0 m×0.6 m,其中环形间距为1.0 m),φ8钢筋网双层,20 cm×20 cm,HK180a型钢拱架,纵向间距0.6 m,C25早强混凝土0.4 m厚。

方法②:

初期支护采用非对称方法[5]来抵抗偏压影响。相关研究表明:锚杆长度在3～4.5 m增加锚杆长度会提高锚固作用;锚杆环向间距过大会导致隧道整体沉降偏大,过小会产生次生节理裂隙[6]。

各初衬参数:φ25早强中空注浆锚杆(布置间距为1 m×0.4 m,其中环形间距为1 m),φ8钢筋网双层,20 cm×20 cm,HK180a型钢拱架,纵向间距0.6 m,C25早强混凝土。在埋深较大的一侧将锚杆长度设置为4.5 m、纵向间距0.4 m,初喷混凝土厚度为0.28 m;在埋深较浅的一侧将锚杆长度设置为3.5 m、纵向间距0.6 m, 初喷混凝土厚度为0.25 m。

将本节所选择的开挖及支护方法互相组合,得出四种施工方案(表3)。

表3 进洞方法比选表

2 洞口段施工模拟

2.1 建立数值计算模型

本章利用FLAC3D建立五峰山隧道K6+985～K7+025段三维模型,模型如图3所示,尺寸选择如下:地表采用五峰山隧道实际地形状况,水平方向左(右)边界距离隧道左(右)边缘40 m;竖直方向下边界距离隧道底部40 m,上边界取至地表;隧道纵向长度为40 m。模型的前后侧、左右侧均施加法向位移约束,地表面设置为自由边界。图4、5为部分施工方案的施工过程。围岩及支护的物理参数见表4。支护方法① 及支护方法② 中锚杆支护的等效作用结果见表5。钢拱架及钢筋网的支护作用根据等效原则增加到初期支护以及临时支护的力学参数中。钢拱架及钢筋网的等效方法按照公式1进行计算:

(1)

式中:E为折算后的结构弹性模量;E0为喷射混凝土的弹性模量;Eg为工字钢的弹性模量;Sg为钢拱架的横截面积;Sc为喷射混凝土的横截面积。

图3 五峰山隧道三维模型

图4 方案一施工过程

图5 方案三施工过程

表4 围岩及结构单元力学参数

表5 不同支护方法的等效参数

数值计算过程中所作假设如下:

(1)模型在遵从摩尔-库仑屈服准则前提下按照大变形模式计算。

(2)岩体强度假定为各项同性。

(3)在模拟初始地应力时仅考虑岩体的自重应力。

(4)超前加固和围岩注浆加固作用按照等效原则通过提高岩体的物理参数来实现;初期支护中钢拱架、钢筋网的支护作用及临时支护中钢架的支护作用按照等效原则通过提高混凝土的物理参数来实现[7]。

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 围岩应力分析

隧道施工完成后,K6+990断面围岩整体性较差。该断面在不同方案下的最大主应力分布如图6所示,不同方案下围岩整体最大主应力均以压应力为主,隧道开挖导致局部区域出现拉应力,拉应力主要分布在拱顶至左拱腰附近、拱底、边坡较高处。不同施工方案的最大拉应力在0.039～0.058 MPa,具体数值见表6所示,其中方案三最大拉应力仅为0.039 MPa。

图6 施工方案一～四最大主应力分布

偏压隧道施工过程中,左右两侧拱腰至拱脚区域容易产生压应力集中现象。模拟四种施工方案后,K6+990断面最小主应力云图应力集中区域分布不多,在隧道左侧区域仍有应力集中现象存在,其具体分布如图7所示。方案三和方案四的应力集中区域明显小于方案一和方案二,可见当采用中隔墙法减小开挖面积后,采取加厚衬砌以及非对称的支护方法都可以明显消除应力集中现象。

表6 不同方案洞周围岩最大主应力

图7 施工方案一～四最小主应力分布

K6+990断面洞周围岩在施工后的塑性区分布如图8所示。采用方案一时,主要在埋深侧拱腰及拱脚区域出现了一定范围的塑性区域,另外在拱顶以及浅埋侧的拱脚附近分布有少量塑性区域;采用方案二施工时,塑性区域主要集中在埋深侧拱腰及拱脚之间,塑性区域分布较大;采用方案三施工时,由于减少了开挖面积,埋深侧拱腰及拱脚间的塑性区进一步减小;方案四施工时塑性区主要集中分布于埋深侧拱腰及拱脚附近。相比于方案一及方案二,采用方案三及方案四所产生的塑性区更少,对隧道结构更加安全。

图8 施工方案一～四洞周塑性区分布

2.2.2 围岩位移分析

本节选取K6+990断面来分析不同施工方案下的围岩位移情况,不同方案施工完成后的位移统计见表7。

表7 K6+990断面位移统计(单位:mm)

(1)竖直沉降分析：

施工完成后,隧道最大沉降出现在拱顶至左拱腰附近,这是受偏压作用产生的结果;同时隧道右侧拱腰至拱脚附近围岩出现向上移动的情况,这是由于该侧围岩埋深较浅,偏压所产生侧向应力作用所致。不同方案施工完成后的竖向位移云图如图9～图12所示。结合表7分析可知,四种施工方案下竖向最大沉降都位于拱顶与左拱腰之间的区域,最大值为16 mm,最小值为5.7 mm。为了更好地分析不同施工方案的优劣性,根据数值计算的结果绘制K6+990断面最大竖向沉降随施工步的关系曲线图，如图13、图14所示。

图9 方案一竖向位移云图

图10 方案二竖向位移云图

图11 方案三竖向位移云图

图12 方案四竖向位移云图

图13 不同方案下最大沉降-施工步关系

图14 不同方案下沉降速率-施工步关系

通过分析图13、14可以得知:

①方案一与方案二均采取三台阶临时横撑法开挖,其最终沉降数值较大。在方案一施工过程中,该断面完成第2施工步后最大沉降值为6.24mm,约占施工完成后沉降值的40%;在第5步后的沉降数值为10.62mm;K6+990断面开始施工到完成中台阶开挖期间,隧道的沉降速率较大,当完成中台阶支护后,沉降速率降至0.89mm/步,当该断面完成下台阶支护后,沉降速率进一步减缓,当掌子面远离该断面8m后沉降速率稳定在0.15mm/步以下,该断面附近围岩进入稳定状态。可见初次衬砌以及临时支撑的施加明显减轻了该断面附近围岩的扰动。采用方案二非对称支护设计后,该断面的整体沉降数值比方案一减少了22%,并且完成主要关键施工步(上台阶开挖、中台阶开挖、下台阶开挖)后,围岩的沉降速率进一步减小,非对称支护设计明显弱化了偏压对施工造成的危害,减轻了围岩的扰动。

②方案三与方案四最终沉降进一步减小。在方案三施工过程中,该断面完成左上台阶开挖及支护后产生沉降2.48 mm,约占最终沉降的38%;在完成左下台阶开挖及支护后产生沉降3.25 mm;在完成右上台阶开挖及支护后产生最终沉降3.8 mm;在完成全段面开挖后产生沉降4.8 mm,约占施工完成后沉降的75%。该断面开挖时沉降速率达到0.92 mm/步,随着初衬的施加,沉降速率逐渐降低,当掌子面远离该断面8 m后沉降速率稳定在0.12 mm/s,该断面附近围岩逐渐趋于稳定。采用方案四施工,围岩的沉降情况及速率变化趋势与方案三基本吻合,可见当减小开挖面积后,采用增加衬砌厚度和非对称支护都可以提高围岩的稳定性。

(2)水平位移分析：

偏压隧道开挖后左右侧受力不均匀,拱顶处水平位移可以反映出隧道结构受偏压影响的严重程度。不同方案施工完成后的水平位移云图,如图15～图18所示。结合表7分析可知,四种施工方案隧道拱顶处水平位移最大值为2.2mm,最小值为1.5mm。为了更好地对四种施工方案进行比选,根据数值计算的结果绘制K6+990断面拱顶水平位移随施工步的关系曲线图，如图19、图20所示。

图15 方案一水平位移云图

图16 方案二水平位移云图

图17 方案三水平位移云图

图18 方案四水平位移云图

图19 不同方案下拱顶水平沉降-施工步关系

图20 不同方案下拱顶水平沉降速率-施工步关系

通过分析图19、图20可以得知:各施工方案拱顶水平位移收敛曲线变化基本一致,当掌子面远离监测断面8 m后,拱顶水平移动速率基本稳定于0.05 mm/步。采用方案一产生的水平位移最大,方案四产生的水平位移最小(表9)。四种施工方案均能有效地降低偏压所致的隧道水平位移。

表8 部分施工步下不同方案沉降情况(单位:mm)

表9 部分施工步下不同方案水平移动情况

2.2.3 不同施工方案工程量分析

现将不同方案每延米的工程量进行计算,具体信息见表10～13。方案一和方案三每延米造价都在32 000元以上,;方案三和方案四每延米造价分别在27 500元和27 800元左右,通过非对称设计来增强支护强度,即采用方案二或方案四可以降低工程造价。

表10 方案一工程量计算

表11方案二工程量计算

表12 方案三工程量计算

表13 方案四工程量计算

3 结 论

本文利用FLAC3D模拟五峰山隧道K6+985～K7+025段4种优化方案的施工过程,通过对不同方案下围岩的应力、位移分析可以得知采用方案3和方案4时围岩出现拉应力的区域明显减少,压应力集中现象得到抑制,塑性区的分布面积减少,并且有效降低了隧道周边的围岩竖向沉降及水平位移,对围岩的扰动更小,施工过程更为安全;通过对不同施工方案工程量的分析可以得知采用方案二和方案四进行施工每延米的造价更低;综合分析可知,采用方案四,即中隔墙法开挖、非对称支护设计可以保证隧道既安全又经济的前提下进行施工。