岩溶地区隧道施工时空效应的数值分析

伍廷亮,龙江英,于 泉,邱 鹏

(1.贵阳学院城乡规划与建筑工程学院,贵州 贵阳 550005; 2.贵州省土木工程省级实验示范中心,贵州 贵阳 550005)

中国是世界上岩溶分布较广的国家之一,我国北方以山西为中心、南方以贵州为中心的岩溶发育面积较大[1]。 岩溶发育的特殊性给隧道施工带来较大挑战,国内外学者在岩溶地形发育方面进行了广泛研究,如毛邦燕[2]认为在深部岩溶发育方面,反复的溶蚀与垮塌是主要原因。赵明阶等[3-8]运用数字模拟的方法对岩溶隧道内围岩特征做了大量的研究。但目前依托岩溶地区隧道施工实际工程,对隧道周边地层变形及隧道变形的数值分析的研究还较少。研究贵州省贵阳市双龙航空港经济区外环北路2号隧道开挖的工程实例,采用现场量测结合图表研究工具的相关方法,对实际工程监测数据进行了整理与拟合,在此基础上对隧道开挖引起地层沉降及隧道变形进行了预测。

1 岩溶地区隧道开挖应力状态分析

隧道开挖前的隧道时空效应是各个方向受力均平衡的一个高次超静定结构体,除受到自然或人为破坏,隧道时空效应[9]会处于相对平衡状态或平衡的过程中。为了科学地进行隧道开挖的理论分析,研究是基于假设隧道开挖前的应力状态是在隧道时空效应达到了平衡状态情况下进行的。在研究隧道开挖时,基本都是对洞室二次应力状态进行力学分析。研究基于以下假定:(1)围岩假定为各项同性连续的介质;(2)初始应力仅考虑岩土自重;(3)隧道形状以规则圆形为主;(4)隧道简化为无限体中的开挖模型,模型示意图如图1所示,其中:δx,δy分别为土体中x方向和y方向应力(单位：kN)，γ为土体重度(单位：kN/m3)，h为土层深度(单位：m),λ=δx/δy。

隧道在开挖之后,隧道围岩力学状态会出现2种情况:一种是围岩处于弹性状态;另一种是部分围岩处于塑性状态,是半弹性状态情况。隧道围岩是高次超静定结构,其在局部进入塑性状态或受拉情况下破坏,但并不意味围岩在此时会丧失整体稳定性,除非围岩强度损失到极限,使得围岩极度松弛才有可能发生整体失稳。而隧道衬砌是在主动荷载作用下产生变形,其中拱顶向隧道内变形形成“脱离区”,实际并未与围岩脱离,只是不再受围岩约束。

图1 无限体中隧道开挖模型Fig.1 Tunnel excavation model in infinite body

底部及两侧压入围岩,引起围岩对其约束,使得围岩产生“弹性抗力”。对隧道主动荷载与被动荷载分析是研究围岩与衬砌相互作用的重点。

2 工程概况

贵州双龙航空港经济区外环北路2号隧道设计总长375 m,隧道设计车速80 km/h,隧道建筑线宽为15.25 m,限高为5 m,人行横通道建筑限界宽2.0 m,限高为2.5 m,左右洞间距为7.82 m;隧道为双向六车道,单洞净空断面面积为133.69 m2,单洞净空断面周长42.94 m,单洞断面净宽16 m,断面净高5 m,工程示意如图2所示,隧道工程开挖采用了复合式衬砌。

图2 贵州双龙航空港经济区外环北路2号隧道Fig.2 Tunnel No.2 in Outer Ring North Road, Shuanglong Airport Economic Zone, Guizhou

隧道工程洞口加强段为Ⅴ级围岩,洞身段为Ⅴ、Ⅳ级围岩,除此之外,还有小溶洞岩溶发育。工程综合运用了上下台阶法、 单侧壁法和双侧壁法等开挖方法。

3 隧道施工监控量测

研究相关数据来源主要为对贵州双龙航空港经济区外环北路2号隧道开挖时里程桩号K6+685(地表)和里程桩号K6+692.6(洞内)进行的监控量测。工程采用新奥法[10]进行隧道开挖,因而新奥法隧道施工数据监测是工程的重要环节[11]。

3.1 隧道洞内测点布置

根据相关规范要求工程按以下原则进行断面布置:洞口浅埋段(H≤2B)且围岩为Ⅴ级时,按10 m间距布设断面;洞内Ⅴ级围岩段按15 m间距布设断面(注:洞内若采用预留核心土法开挖,拱顶沉降观测点顶部应布设挂钩或反光贴);洞口Ⅳ级围岩段按15 m间距布设断面,洞内Ⅳ级围岩段按25 m间距布设断面;Ⅲ级围岩段按40 m间距布设断面;Ⅱ级围岩根据现场实际需要进行断面布置。监控量测洞内具体测点布设示意图如图3～图5所示。

图3 上下台阶法施工时量测断面布置图Fig.3 Layout of measurement section during construction by bench cut method

由图3～图5可知,根据隧道施工方法的不同,测点布置有所区别,上下台阶法只需在拱顶布置一个测点,其余测点布置在上下施工面水平方向用于监测水平方向围岩变形;单侧壁及双侧壁施工方法除在隧道正上方拱顶及水平方向布置测点外,还需在相应施工围岩隔墙及单侧拱顶布置测点,用于观测水平方向隔墙变形及单侧拱顶沉降变形。

3.2 地表沉降测点布置

工程在位于Ⅳ～Ⅴ级围岩的浅埋段进行地表下沉位移量量测,在隧道施工的过程中可能产生地表塌陷的地段设置相应个数的观测点。当地表埋深大于2倍隧道开挖宽度时,测点间距为20～50 m;当地表埋深大于隧道开挖宽度且小于2倍隧道开挖宽度时,测点间距为10～20 m;当地表埋深小于隧道开挖宽度时,测点间距为5～10 m。

图4 单侧壁法施工时量测断面布置图Fig.4 Layout of measurement section during construction by single side wall method

图5 双侧壁法施工时量测断面布置图Fig.5 Layout of measurement section during construction with double side wall method

4 隧道开挖对地层造成的影响分析

研究以贵州双龙航空港经济区外环北路2号隧道开挖时里程桩号K6+685(地表)和里程桩号K6+692.6(洞内)为例,对岩溶地区隧道开挖Ⅴ、Ⅳ级围岩结合图表研究手段进行理论分析,其中洞内拱顶与地面向下的位移为正,向上的位移为负;洞内两侧向上的位移为正,向下的位移为负,相关位移数据记录见表1和表2。2个Ⅴ、Ⅳ级围岩断面的变形位移积累量-量测时间间隔变化关系见图6和图7。

由图6和图7的变化关系可得:(1)除去量测误差,根据地层及隧道变形积累量-时间变化关系曲线(对数曲线),岩溶地区隧道开挖在前4～7 d变形和非岩溶地区的隧道变形基本一样,都是变形随时间增长较快,但随后变形的时长会比非岩溶地区隧道长大约1倍,洞内的变形时间相较于地面的变形时间较短;(2)隧道开挖距离开挖断面K6+685越远时对地层的影响越小,当开挖到一定距离时,对其地层的影响将趋于零。

表1 K6+685(地表)量测数据收集统计

表2 K6+692.6量测数据收集统计

注:绿色线是红色线的二维拟合曲线。图6 K6+685地面量测变形积累量与量测时间变化关系Fig.6 K6+685 relationship between ground measurement deformation accumulation and measurement time

5 隧道开挖后变形积累量预测

隧道开挖后变形积累量一般是以拱顶的下沉总量和起拱线位置的围岩壁面间水平收敛变形的总量为最终变形量[12]。在新奥法的施工过程中,如果能尽早预估得出隧道开挖最终变形量的数值,将会对指导隧道建设的设计与施工都具有重要意义。目前,隧道开挖后变形位移积累量的预测方法主有位移容许速率法和极限速率法,极限速率法指对起拱线位置的围岩壁面间水平收敛变形回归方程做t→+∞的运算,从数学上计算隧道开挖后长时间位移变形积累量的大小[13]。结合施工量测数据,采取极限速率法,运用图表对数分析法对地表位移变形积累平均值和洞内变形位移积累平均值变化的规律进行预测,相关预测统计数据见表3。

图7 K6+692.6洞内变形积累量与时间变化关系Fig.7 K6+692.6 relationship between cave deformation accumulation and time

由表3可得,30 d内地表变形位移积累平均值预测值为6.818 mm,洞内变形位移积累平均值为4.712 mm,都比工程预留变形量小。

6 结论

结合岩溶地区隧道开挖实际工程,对隧道洞内围岩变形量及隧道周边地表沉降量进行了监测统计,通过对变形曲线函数拟合分析得到以下结论:

(1) 岩溶地区隧道开挖在前4～7 d变形和非岩溶地区的隧道变形基本一样,都是变形随时间增长得很快,但后来变形随着时间而缓慢增长的时长会比非岩溶地区的隧道要长约1倍。

表3 地表沉降预测结果统计

(2) 隧道开挖面附近地表沉降较大,远离隧道开挖断面,隧道施工对地层变形的影响较小或者没有影响,地层的变形也会趋于稳定状态。

(3) 岩溶地区隧道开挖对地层造成的影响主要是受到岩溶溶洞的影响,岩溶溶洞在隧道开挖后受到外因的影响,一些力学特性变化的时间延长。新奥法设计施工与管理同样适用岩溶地区隧道开挖,根据岩溶地区隧道开挖的具体情况来具体运用新奥法对地表沉降采取预测干预,尽量使岩溶地区隧道开挖对地层造成的影响降到最低。