某双线分离式隧道台阶法施工围岩稳定性研究

周 亮

(广西交通投资集团柳州高速公路运营有限公司,广西 柳州 545036)

0 引言

随着我国经济飞速发展的需求,同时为了满足人民群众的出行要求,完善的交通网已经成为重要的一环[1]。我国幅员辽阔,大量的公路、铁路隧道兴建后产生了地下空间资源的消耗,为了节约地下空间资源,分离式地下工程也就应运而生[2]。而分离式隧道的施工对围岩的扰动程度更大,且先行隧道的爆破施工也对后行隧道施工过程的安全性造成不良的影响[3]。同时相较于单线隧道,双线隧道的中线夹岩由于受到左右行隧道的双重扰动,因而更容易失稳[4]。因此,研究分离式平行双线隧道施工过程中围岩的力学参数变化规律,对保障类似工程围岩稳定性具有非常重要的工程价值[5]。

由上可知,相较于单洞隧道,单洞双向分离式隧道围岩的稳定性影响因素更多,其研究难度更大,众多学者相继开展了相关的研究[6]。于20世纪70年代,日本铁道学术发布了《关于平行隧道研究的报告》,在该报告中指出当中心距为开挖宽度的两倍(软黏土地层中则为开挖宽度的5倍)时,可将分离式隧道中心地层视为完全弹性体。而公路分离式隧道规定为30m,铁路分离式隧道为20m[7]。Wu Ke等[8]采用数值模拟分析方法研究了分离式隧道的最小间距对围岩稳定性的影响。姚勇等[9]得出了分离式隧道间距对围岩稳定性影响规律,并认为当隧道间距大于两倍洞泾时,分离式隧道对围岩的影响程度较小。朱莉等[10]采用FLAC 3D软件研究了不同隧道间距对分离式隧道围岩的位移场、应力场以及开挖后的塑性区进行了分析,使用分离式隧道施工现场的监测数据验证了模拟结果的准确性,并对分离式隧道的开挖与支护措施提出了相应地指导措施。王辉等[11]依托某工程,采用ABAQUS程序,研究了分离式隧道开挖面积、地表和拱底的隆起量以及塑性区的分布范围,对分离式隧道的间距设计以及扁平率进行了优化。

本文依托某隧道,采用有限元计算模拟软件(FLAC 3D)对单线双向分离式隧道在开挖扰动作用下围岩的稳定性进行数值模拟研究,并分别分析了上台阶开挖后围岩的应力场、位移场分布规律,研究成果可为相类似工程的施工方案、支护防治的设计提供理论基础。

1 工程概况与模型的建立

1.1 工程概况

本文以某山岭隧道工程为研究背景,该工程DK 17+150～DK 17+220段为平行双向分离式隧道。该隧道为双向四车道分离式隧洞,设计的最大车速为100 km/h。该隧道为卵形隧道,其隧道断面图如图1所示。两条隧道的间距为30 m,为大净距分离式隧道。分离式隧道所穿越的地层属于Ⅴ级围岩,围岩风化较为严重,节理裂隙发育,隧道所处地层为中风化的泥质粉砂岩。其围岩的力学参数如下页表1所示。为保障施工过程中围岩的稳定性,本文采取台阶法开挖。

图1 分离式隧道工况图

表1 模型参数表

1.2 计算模型的建立

本文采用三维有限单元法软件 FLAC 3D进行模拟计算,在模型建立过程中全部为实体单元。模型的尺寸:水平方向(X方向)为140 m,埋深方向(Z方向)为90 m,由于将双线隧道视为平面应变问题,因此开挖方向(Y方向)可取1 m,其中分离式隧道的单向隧道模型图如图2所示。根据实测资料,隧道围岩最大竖向应力为12.5 MPa,最大水平应力为8.8 MPa,在计算过程中可在相应地边界面上施加相同大小、方向的均布荷载。同时,为了更加真实地模拟实际工程开挖过程中围岩力学参数的变化规律,本文采用上下台阶法施工,因此数值模拟可分为以下几步:(1)建立平行双线分离式隧道围岩模型;(2)施加自重应力以及初始地应力;(3)初始应力场平衡;(4)开挖双线隧道的上台阶,岩土体应力调整计算;(5)开挖双线隧道的下台阶,岩土体应力调整计算;(6)模拟计算结果分析。

图2 单向隧道有限元计算模型图

2 数值模拟结果分析

2.1 上台阶开挖后地层应力变化分析

地下洞室的开挖会导致应力释放,而在应力调整过程中会产生一定的形变,当扰动较大时会导致地面产生沉降。而相较于单线隧道,单洞双向分离式隧道的施工扰动更大,因此在分离式隧道施工过程中极易导致地面产生不均匀的沉降。进一步了解单洞双向分离式隧道施工过程中围岩所产生的竖向变形以及沉降对保障地面的安全具有重要的工程意义。图3、图4为分离式隧道上台阶开挖过程围岩的最大、最小主应力云图。

图3为当单线双向分离式隧道上台阶开挖后地层的最小主应力分布图。在未开挖的地层中,围岩的应力场成层状分布,而由图3可以看出,当上台阶开挖后会对围岩产生一定的扰动,在距离隧道拱底以下,围岩的应力场呈非层状分布。由图3可知,当上台阶开挖后,围岩的应力集中程度可忽略不计,围岩周围的竖向应力均为0.7～0.8 MPa。且随着地层的深度越大,围岩所受的竖向应力也越大。图4为分离式隧道在上台阶施工开挖后的最大主应力云图,由图4可以看出,在上台阶开挖后,隧道的围岩所处的应力均为压应力。在隧道轮廓面附近,在拱底出现了最大压应力,其压应力值为5 398 Pa,最大主应力为压应力表明这部分岩体处于三向受压状态。在下台阶以下的围岩,随着埋深的增大围岩的最大主应力也愈大,在模型的最底层,岩体所受的最大主应力为1.25 MPa。

图3 隧道上台阶开挖后最小主应力云图(Pa)

图4 隧道上台阶开挖后最大主应力云图(Pa)

2.2 下台阶开挖后地层应力变化分析

由于该分离式隧道所处的围岩等级较弱,在施工过程中采用台阶法开挖,而在下台阶开挖过程中,对围岩的开挖扰动作用会进一步增大,图5、图6为分离式隧道下台阶开挖过程围岩的最大最小主应力云图。

图5为单洞双线分离式隧道下台阶开挖后左右洞的最小主应力云图。由图5可以看出,在分离式隧道下台阶开挖后,隧道所处的地下均受到了拉应力。其中最大压应力为0.03～0.91 MPa,最大压应力分布在距离分离式隧道拱底部以及距离隧道拱肩3 m处,呈月牙状分布,且左右洞隧道的最小主应力分布规律相似。图6为单洞双线分离式隧道下台阶开挖后左右洞的最小主应力云图。由图6可以看出,当下台阶开挖后,围岩均受到压应力左用,且围岩所受到的最大压应力为1.3 MPa,其分布区域与最大拉应力分布规律相似。这表明在分离式隧道下台阶开挖后,此部分岩体所受了较大的拉应力与压应力作用,极易发生破坏。因此为了保证施工过程中围岩的稳定性、提高施工的安全性,需要在开挖后及时进行加固处理。

图5 隧道下台阶开挖后最小主应力云图(Pa)

图6 隧道下台阶开挖后最大主应力云图(Pa)

表2为不同计算步下,分离式隧道上下台阶开挖过程中的最大、最小主应力值。

表2 不同计算步上下台阶开挖后最大、最小主应力表

由表2可以看出,随着数值模拟软件的计算,分离式隧道在上下台阶开挖后围岩的最大、最小主应力值不断增大。当计算步从100步增加到2 000步时,上台阶开挖后围岩的最大主应力从0.12 MPa增加到了1.29 MPa,围岩的最小主应力从0.011 MPa增加到了0.078 MPa。而由表2可知,在下台阶开挖后,围岩从单向受拉状态转换为三向受压状态,且围岩所受的应力值也有所减小。当计算步从100步增加到2 000步时,下台阶开挖后围岩的最大主应力从0.051 MPa增加到了0.41 MPa,围岩的最小主应力从0.017 MPa增加到了0.18 MPa。

3 结语

本文依托某山岭公路隧道,采用有限单元法软件FLAC 3D研究了单洞双线分离式隧道上下台阶分布开挖后围岩的竖向应力分布规律,得到了如下结论:

(1)当上台阶开挖后会对围岩产生一定的扰动,但围岩的应力集中程度可忽略不计,围岩周围的竖向应力均为0.7～0.8 MPa。

(2)在分离式隧道下台阶开挖后,隧道所处的地下均受到了拉应力,其中最大压应力为0.03～0.91 MPa。部分围岩所受到了较大的压应力,其应力值为1.3 MPa。

(3)下台阶开挖后围岩的最大主应力从0.051 MPa增加到了0.41 MPa,围岩的最小主应力从0.017 MPa增加到了0.18 MPa。此时由于开挖扰动导致围岩损伤的发展,其承载能力降低,在实际工程中应及时进行支护。