软弱破碎地层偏压小净距隧道群施工力学响应研究

王 允

(浙江省宁波市余姚市交通规划设计研究院,余姚 315400)

由于地形条件限制,隧道建设过程中会出现小净距隧道,小净距隧道距离接近,施工扰动大,对围岩与衬砌结构的稳定性会造成不利影响,偏压小净距隧道群施工引发的安全问题更为严重。

国内外学者已针对偏压小净距隧道施工安全问题展开研究。刘春等[1]从实际工程出发基于FLAC 3D 数值模拟软件,研究了非对称小净距隧道不同施工方法对围岩与衬砌结构力学响应的影响,通过分析不同工况条件下的拱顶沉降、边墙收敛以及中间岩柱位移的分布规律,揭示开挖工法造成的偏压效应特征。杨朝帅等[2]基于三维数值模拟复现了小净距大断面隧道顶推施工过程中地层变形规律,提出超浅埋小净距大断面顶管隧道群工程顶推施工的背土效应。杜德持等[3]分析了小净距隧道群施工过程中的稳定性影响因素及其关联程度,以青岛地铁敦化路站为工程依托,采用FLAC 3D 软件研究不同施工方法下围岩变形的响应规律。李建林等[4]基于兴延高速公路白羊沟隧道北口小净距段施工工程,通过数值模拟研究台阶法和分部开挖法施工对围岩和支护结构的变形及力学特性影响。李松涛等[5]基于七冲村一号特大断面隧道工程,通过数值模拟和现场监测等手段研究双侧壁导坑法和中隔壁法(CD 法)施工影响下围岩与衬砌结构的变形和力学响应。王薇等[6]结合排头隧道工程实例,基于ABAQUS 软件建立三维弹塑性数值模型研究陡坡偏压条件下不同施工顺序对小净距隧道围岩稳定性的影响。王辉等[7]基于ABAQUS 软件进行二次开发,研究大断面小净距隧道扁平率以及隧道净距优化等关键工程问题。蒋坤等[8]以福州国际机场高速公路特大断面小净距隧道工程为依托,基于UDEC 软件建立离散元数值模型,研究双侧壁导坑法等不同施工工法条件下节理岩体的变形响应规律与塑性区分布特征,据此优化特大断面小净距隧道施工方案。腾俊洋等[9]推导出考虑施工工序及地形坡度的浅埋偏压小净距隧道围岩压力计算公式,分析考虑不同地形坡度及同一坡度不同埋深的2 种工况下地形坡度及埋深对围岩破裂范围、水平侧应力和拱顶压力的影响规律,并基于UDEC 软件建立离散元数值模型对相应规律进行验证。

相关研究主要是对偏压小净距隧道施工引起的地层与衬砌力学响应进行研究,但对小净距隧道群的研究尚不充分。隧道群施工相互影响更为复杂,围岩变形规律仍不明确,因此有必要对其开展系统性研究。基于余姚市城西工业园区配套道路(一期)隧道段新建工程,通过ABAQUS 软件建立数值模型,研究地层条件、隧道净距与隧道埋深等因素对软弱围岩条件下偏压小净距隧道群施工的影响,分析施工诱发的围岩变形规律及其受力特点。

1 工程背景

余姚市城西工业园区配套道路(一期)新建工程起点为余梁公路北延工程与兰周公路交叉口,东接北环西路,向西设置隧道,穿越大山后终点与城西工业园通环路对接,西至马渚互通,车辆可直接上下慈余高速公路。项目路线全长约为2.268 km,采用一级公路标准进行设计,设计速度为80 km/h,总投资约为6.72 亿元,拟分段、分期实施该项目。本次拟实施项目范围为隧道段,即K0 +500～K1 +690 段。余姚市城西工业园区配套道路(一期)隧道段新建工程设置四线短隧道1 座(机动车道右洞长为467 m,机动车道左洞长为468 m;非机动车道右洞长为480 m,非机动车道左洞长为477 m)。项目地理位置如图1 所示,隧道分布如表1 所示,大山隧道平面如图2 所示。

表1 隧道分布

隧道横断面采用锚喷支护复合模筑混凝土衬砌,内夹防排水层。路面采用单向横坡,坡度根据平面线形及超高情况确定,正常段(无超高)为2%,路基中部设中心排水沟。横断面行车方向右侧检修道沟槽下设弱电缆槽,弱电缆槽深度和宽度都为60 cm;左侧检修道沟槽下设强电缆槽,强电缆槽深度和宽度都为60 cm,两侧电缆槽兼具排水功能。机动车道断面如图3 所示,非机动车道断面如图4 所示。

主洞左线地质纵断面如图5 所示,整体而言,隧道位于低山丘陵区,植被茂盛,进出洞口处树木较多,隧道最大埋深约为70 m。隧道进洞口段位于沟谷及山前斜地亚区Ⅰ3两侧,埋深小,表部残坡积厚度为0～10 m,局部见基岩出露,其下为强～中风化凝灰岩,基岩岩质较软,节理裂隙发育密集,岩体较破碎,局部破碎。隧道洞身段几近横穿山脊、沟谷,地势起伏较大。隧道出口段位于沟谷及山前斜地亚区两侧,表部残坡积厚度为2.60～6.70 m。残坡积厚度较薄,局部可见强～中风化基岩出露。根据工程地质调绘、高密度电法及钻探成果,在洞身YK0 +890～ YK0 +950 段揭露断层Fw3,产状为15°～30°∠70°～80°,岩体破碎,节理发育,岩体完整性差。YK1 +040～YK1 +180 段揭露断层Fw2,产状为220°～250°∠50°～60°,岩体破碎,节理裂隙发育,岩体完整性差。

2 数值模型

本项目须重点关注软弱破碎岩体中小净距隧道施工安全问题,为研究小净距隧道施工过程中围岩变形规律、受力特点以及衬砌结构的力学响应规律,基于ABAQUS 软件建立数值模型,如图6 所示。考虑边界效应,模型尺寸为150 m ×55 m。假设围岩为采用摩尔-库伦本构模型的均值体,衬砌结构采用线弹性本构模型。此外采用CPE4 对围岩与衬砌进行网格划分,采用杆单元对锚杆进行单元划分,围岩与支护结构参数如表2 所示,锚杆单元物理力学参数如表3 所示。

表2 围岩与支护结构参数

表3 锚杆单元物理力学参数

3 参数影响分析

基于数值模拟分别研究了地层参数、隧道埋深和隧道净距等参数对小净距隧道施工引起的围岩与衬砌结构响应的影响。

3.1 地层参数变化的影响分析

为分析地层参数变化对小净距隧道地层变形的影响,设计了3 种围岩条件,工况设计如表4 所示。除围岩条件外,不同工况设计中衬砌结构形式、施工方法以及模型尺寸均一致。

表4 工况设计

工况1-1 中围岩变形如图7 所示,工况1-2 中围岩变形如图8 所示,工况1-3 中围岩变形如图9所示,不同计算工况中的水平和竖直方向的位移云图分布基本一致。

对竖向位移而言,由于开挖面积的差异,中间区域的机动车道开挖引起的地表沉降值远大于两侧非机动车顶部的沉降值。机动车道上部沉降具有显著的非对称性,沉降值等值线具有向中部夹层倾斜的趋势,说明两侧机动车隧道的开挖对中夹岩具有较强的叠加效应,中夹岩在两侧机动车隧道开挖的影响下产生较大沉降,两侧机动车隧道顶部沉降槽在中夹岩区域相互交叠影响。另外由于偏压地层的影响,右侧机动车隧道和非机动车隧道的顶部沉降值相对更大。对水平位移而言,中部夹岩的变形较小,左侧机动车隧道的左上部区域和右侧机动车隧道的右上部区域水平位移较大。在竖向位移和水平位移的叠加下,左右两侧机动车隧道顶部呈现更大范围W 形沉降槽。

对比分析不同围岩条件下围岩的位移分布情况可知,不同工况中水平和竖向的分布情况基本一致,但随着围岩条件逐渐增强,变形值逐渐减小,这说明随着围岩条件逐渐增强,小净距隧道的相互影响逐渐减弱,地层位移逐渐减小,受力也逐渐改善。

不同围岩条件下围岩最大主应力分布云图如图10 所示,地表附近存在较大范围的张拉应力,尤其在右侧机动车隧道衬砌和右侧非机动车隧道之间,同时左右两侧机动车隧道之间的地表位置也存在相应张拉应力,这说明隧道施工引起围岩变形导致地表产生较大范围的张拉应力。机动车隧道附近也出现应力集中区,分别从隧道拱肩沿45°方向向斜上方发展,最后逐渐接近地表。围岩最大主应力的分布情况与塑性区分布类似,呈蝶状分布。非机动车道由于开挖面积较小,对围岩产生的应力集中区并不明显。

不同工况中最大主应力的分布情况基本一致,地表区域易出现拉应力集中的现象,随着围岩条件逐渐增强,拉应力集中的范围呈现减小趋势,并且最大拉应力值也逐渐减小。这说明随着围岩条件逐渐增强,地表的受力状态会得到改善,最大主应力由工况1-1 中的0.13 MPa 逐渐降低至工况1-3中的0.12 MPa。可见围岩条件越好,施工引起的围岩变形越小,开挖引起地表张拉塑性区域的范围也将明显减小。

围岩的力学性质直接影响衬砌结构的受力状态,左侧机动车道衬砌结构最大主应力云图如图11所示。

不同计算工况中衬砌应力分布情况整体上类似,拱顶和仰拱内侧以及拱脚外侧是拉应力集中区域,由于隧道顶部覆土深度较小,衬砌结构拉应力小于混凝土抗拉强度。不同计算工况中衬砌结构的应力云图呈显著非对称分布特征。以工况1-1为例,隧道右侧埋深较大,导致右侧拱脚内侧的压应力大于左侧拱脚,而且压应力范围更大,拱脚外侧和仰拱内侧拉应力有类似分布规律,这与围岩的变形规律和受力特点也相符。产生这种现象的主要原因是偏压荷载作用导致结构变形呈现出显著的非对称性特点,偏压较大的一侧结构变形和受力相对严重。另外随着围岩条件的逐渐改善,衬砌结构受力也逐渐改善。衬砌不同位置的内外侧应力均以压应力为主,并且应力分布较为均匀,结构最大主应力也在逐渐减小。

3.2 隧道埋深变化的影响分析

为分析隧道埋深变化对小净距隧道地层变形的影响,设计了3 种不同埋深条件:左侧隧道拱顶埋深15 m(工况1-4),左侧隧道拱顶埋深20 m(工况1-5),左侧隧道拱顶埋深25 m(工况1-6)。

工况1-4 中围岩变形如图12 所示,工况1-5 中围岩变形如图13 所示,工况1-6 中围岩变形如图14 所示。不同工况中地层的竖向位移主要集中发生在机动车隧道中部地层,两侧机动车隧道顶部围岩变形较小,显著小于中间区域机动车隧道开挖引起的地表沉降。另外机动车隧道上部地层沉降具有显著的非对称性特点,沉降值等值线具有向中部夹层倾斜的趋势,说明两侧机动车隧道的开挖对中夹岩具有较强的叠加效应,中夹岩在两侧机动车隧道开挖的影响下产生较大沉降。

通过对比不同计算工况中地层竖向变形情况,得出不同工况中水平和竖向的分布情况整体类似,但随着隧道顶部埋深的逐渐增大,围岩稳定性逐渐增强。当隧道埋深较小时,浅埋地层中隧道施工引起地层变形更为显著,左右两侧机动车隧道施工引起的地层变形均明显发展至地表,形成2 个近乎独立的沉降槽。随着埋深的逐渐增大,施工对地表的影响逐渐减小,隧道顶部形成的土拱效应对地层变形具有显著抵抗作用。

不同隧道埋深条件下围岩最大主应力分布云图如图15 所示,地表附近及隧道周边是最大主应力较为集中区域,尤其在地表位置最大主应力最大,说明洞室开挖引起的地层沉降导致地表出现较大范围塑性区。在隧道周边,最大主应力呈蝶状分布,分别从隧道拱肩沿45°方向向斜上方发展,最后逐渐接近地表。由于偏压地层造成的围岩荷载的非对称性,左右两侧隧道引起的最大主应力分布也呈现显著非对称性。此外,通过对比分析不同隧道埋深条件下围岩最大主应力的分布情况,发现隧道随着埋深的逐渐增大,最大主应力值逐渐减小,说明埋深的增大改善了围岩受力条件,这有助于围岩保持稳定。当隧道埋深较小时,隧道周边主应力沿着隧道拱肩45°方向向斜上方发展,逐渐接近地表,具有明显连续性。随着隧道埋深的逐渐增大,隧道周边围岩最大主应力显著减小并且仅分布于洞周附近,隧道与地表连接区域的最大主应力显著降低。

3.3 隧道净距变化的影响分析

为分析隧道净距变化对小净距隧道地层变形的影响,设计了3 种不同隧道净距条件:10 m(工况1-7),15 m(工况1-8)和25 m(工况1-9)。

工况1-7 中围岩变形如图16 所示,工况1-8 中围岩变形如图17 所示,工况1-9 中围岩变形如图18 所示。为研究隧道净距变化对隧道群施工稳定性的影响,提取不同计算工况中围岩水平方向和竖向的变形情况。通过对照研究发现,不同计算工况中水平和竖向变形模式基本类似,净距不同的3 组工况中水平位移主要集中分布在机动车隧道周边区域,而竖向位移主要集中分布在机动车隧道的夹层位置。这说明小净距隧道施工中间夹层围岩的稳定性较差,易发生较大沉降,导致机动车隧道周边地表产生较大水平位移。当净距较小时,隧道施工影响较大,隧道顶部沉降斜向地表发展,形成W形地表沉降槽。随着净距的不断增大,机动车隧道施工的相互影响显著降低,地层沉降主要向地表发展。

围岩的应力分布情况是施工扰动引起地层变形的内在反应,不同净距条件下围岩最大主应力分布如图19 所示。当净距较小时,两侧机动车隧道施工引起中夹岩的较大沉降,导致最大主应力分别沿着左侧隧道左上45°和右侧隧道右上45°的方向向地表发展,左侧机动车隧道的左侧地表和右侧机动车隧道地表产生大范围拉应力。由于偏压地层作用,右侧地表的拉应力更为显著,说明该位置承受较大拉应力。随着净距的不断增大,两侧隧道施工相互干扰逐渐减小。

4 结论

以实际工程为依托,基于ABAQUS 软件建立数值模型,研究地层条件、隧道净距与隧道埋深等因素对软弱围岩条件下偏压小净距隧道群施工的影响,分析施工诱发的围岩变形规律及其受力特点,主要得出以下结论。

(1) 由于地层偏压的影响,小净距隧道施工引起的围岩变形规律具有显著的非对称性特点,在竖向位移和水平位移叠加下,左右两侧机动车隧道顶部呈现更大范围W 形沉降槽。

(2) 围岩条件越差,隧道埋深越小、净距越小,隧道施工诱发的围岩变形越大。

(3) 围岩的力学性质直接影响衬砌结构的受力状态,靠近中夹岩处的衬砌结构受力状态更不利。