浅埋公路隧道原位改扩建围岩变形破坏特征★

贤有汞，杨红运，焦文灿，林 志，马亚轲，邵 羽，何 柯

(1.广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530025;2.重庆交通大学山区桥梁及隧道工程国家重点实验室,重庆 400074;3.广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029;4.中国电建集团重庆工程有限公司,重庆 400060)

0 引言

中国自改革开放以来,经济迅速发展,伴随这样的高速稳定发展的国民经济、人员、物资的流动日益趋于频繁,人们渐渐不满足于现阶段的交通发展情况,公路、铁路建设里程不断攀升。2000年以来,中国公路隧道里程年均增长1 074.8 km[1],随着我国交通设施建设的迅猛发展,交通量不断激增,经常造成严重的交通堵塞,早期修建的隧道已经无法满足当今交通量的需求。因此,开展浅埋隧道下公路隧道原位改扩建围岩变形破坏特征研究[2],进而开展隧道原位改扩建施工显得尤为重要。

1 工程概况

1.1 地质条件

1)地形地貌:隧道区属剥蚀低山地貌,地形起伏较大。建隧洞均跨越相同山体,平均地面高度在300 m左右,相对高差约129 m,隧道洞身埋深不深,最大埋深约96.8 m。隧道进出口段的山体斜坡自然坡角50°左右。隧道区第四系覆盖层一般不厚,地表植被较发育。

2)地层岩性:通过钻孔和工程地质的测量,隧道区地层主要由第四系坡积层(Qdl)、三叠系百逢组(T2b)岩层组成。

1.2 围岩力学参数

隧道所通过的山体主要为三叠系百逢组(T2b)砂岩的岩层组成,隧道进出口段大部分由碎石及强风化砂岩组成,岩质较软,且构造面发育,呈薄层夹中厚层状构造,岩体破碎;洞身段大部分为中风化砂岩,岩质较硬,局部裂隙明显发育,常为微张开—闭合状态,力学强度较高,耐风化能力较强,工程地质稳定性也较好。围岩的物理力学参数见表1。

表1 各级围岩物理力学指标推荐值

2 隧道围岩变形数值模拟

本文采用GDEM力学分析软件对廷心隧道进行数值模拟,该软件基于连续介质力学离散元理论,耦合了有限元与离散元计算方法[3-4]。

扩建后隧道净宽为19.23 m,净高为12.94 m,两隧洞间净距为14.5 m,扩建后的隧道属于大跨度隧道,因此模型左右边缘和隧道左右两侧界限的距离取98 m,模型上部边缘依据真实地表建模,模型下部边缘和隧道下部界限的距离取65 m。模型宽为250 m,高为170 m。模型单元最大尺寸为5 m,主要位于隧道开挖模型外侧,单元最小尺寸为1 m主要位于隧道支护结构和围岩与支护结构相接触的地方。

由于隧道原位扩建时须对已经形成稳态的围岩松动圈进行二次扰动或破除,不同于新建隧道的围岩扰动方式,而且不同围岩等级、不同扩挖方案、不同扩建后支护方案都对隧道原位扩建围岩松动圈的演变规律有影响。因此为了研究公路隧道原位改扩建时围岩松动圈的演变规律,本文采用依托工程廷心隧道的单侧扩挖方案、扩建后支护方案,在Ⅲ级—Ⅴ级围岩三种工况下分别模拟廷心隧道围岩松动圈的演变。

根据廷心隧道原位扩建围岩实际情况和支护结构设计参数,选取的模型大小为沿着洞径的各方向至少5倍洞径。GDEM模型图如图1所示。模拟隧道原位扩建施工时,围岩荷载按6∶4分布,即围岩承受自身荷载的60%,其余40%作用于支护结构。

3 隧道围岩变形破坏分析

3.1 隧道改扩建围岩数值模型

在模拟隧道扩建时采用台阶法,模拟隧道扩建示意图如图2所示。

分别开挖①上台阶原衬砌结构及扩挖部分;②下台阶原衬砌结构及扩挖部分并拆除相应的衬砌,并设置相应的临时支护,再开挖;③侧洞室的上台阶部分;④侧洞室的下台阶部分。

隧道内分别对扩建后的衬砌设置拱顶沉降、双侧拱肩收敛、双侧拱腰收敛、双侧拱脚收敛和仰拱隆起一系列监测点,同时在隧道外10 m和20 m处设置两圈检测点,但中隔墙较近部分只布设一个监测点。监测点数据会每计算100时步收集一次,监测点具体布置如图3所示。

3.2 围岩应力调整规律

数值模拟计算得到在Ⅲ级—Ⅴ级围岩工况下廷心隧道原位扩建施工后各监测点的竖向应力计算结果如图4—图6所示。

综合以上监测结果发现:隧道原位扩建时[5],从Ⅲ级围岩到Ⅴ级围岩,左洞衬砌与右洞衬砌各部分竖向应力均基本保持平稳,左洞衬砌各部分竖向应力平均增长0.06 MPa～0.9 MPa,右洞衬砌各部分竖向应力平均增长0.05 MPa～0.1 MPa。

围岩等级越低围岩竖向应力相对越高,从Ⅲ级围岩到V级围岩,围岩竖向应力左侧增加0.6 MPa～1.7 MPa,右侧增加0.1 MPa～2.4 MPa。从Ⅲ级围岩到Ⅴ级围岩衬砌外围(10 m和20 m)的竖向应力整体下降0.1 MPa～0.4 MPa。其中衬砌外20 m的竖向应力下降幅度比衬砌外10 m的竖向应力的下降幅度稍大。右侧10 m处检测点的竖向应力整体下降幅度比左侧10 m处检测点的竖向应力下降幅度稍大,左右的下降幅度分别为0.04 MPa～0.34 MPa和0.08 MPa～0.37 MPa,右侧20 m 处检测的竖向应力下降幅度在0.01 MPa～0.47 MPa,左侧20 m处检测的竖向应力下降幅度在0.06 MPa～0.17 MPa。

3.3 围岩变形破坏规律

数值模拟计算得到在Ⅲ级—Ⅴ级围岩工况下廷心隧道原位扩建施工后围岩接触破坏图如图7—图9所示。

通过分析以上数据可得:从Ⅲ级围岩到Ⅴ级围岩,围岩力学参数越差,围岩破碎范围越大,从整体来看,拱腰和拱脚部位的围岩破碎程度相对较高,而且靠中隔墙侧拱脚部位的围岩破碎程度比靠扩挖侧拱脚部位更集中。

在隧道原位扩建过程中,围岩破坏变形逐渐向外延伸,从Ⅲ级围岩到Ⅴ级围岩,围岩塑性破坏的扩张趋势更为强烈。

Ⅲ级围岩工况下,原隧道围岩塑性破坏主要出现在拱腰,厚度2.04 m,隧道原位扩挖施工后[6-8],围岩松动圈主要出现在靠中隔墙侧的拱脚以及拱底,拱脚处塑性破坏厚度最大为8.86 m,围岩塑性破坏的平均厚度3.28 m,围岩塑性破坏厚度为60.78%。

Ⅳ级围岩工况下,原隧道衬砌外各部位围岩均发生塑性破坏,平均厚度3.52 m,隧道原位扩挖施工后,围岩塑性破坏范围半径增大,衬砌外各部位围岩均发生塑性破坏,平均厚度5.88 m,围岩破坏厚度为67.05%。

Ⅴ级围岩工况下,原隧道衬砌外各部位围岩均发生、形成塑性破坏,平均厚度6.86 m,隧道原位扩挖施工后,围岩塑性破坏半径显著增大,平均厚度11.51 m,围岩破坏厚度为67.78%。

3.4 围岩位移及形变

数值模拟计算得到在Ⅲ级—Ⅴ级围岩工况下廷心隧道原位扩建施工后各监测点的竖向位移计算结果如图10—图12所示。

通过以上结果,可以发现:

1)从Ⅲ级围岩到Ⅴ级围岩,围岩力学参数越差,隧道衬砌监测点的变形越大,受到大跨度隧道扁平率的影响,无论隧道左线还是右线,拱顶、拱底及拱肩衬砌和围岩的变形相对较大,而拱腰、拱脚衬砌和围岩的变形相对较小。

2)从Ⅲ级围岩到Ⅴ级围岩,隧道拱顶和双侧拱肩发生下沉,而拱脚和拱底出现隆起情况。从Ⅲ级围岩到Ⅴ级围岩,隧道左线衬砌拱顶下沉90.92%,拱底隆起84.96%,左、右拱肩下沉各73.04%,75.61%,左、右拱腰下沉各77.42%,79.21%,左、右拱脚隆起各17.53%,48.86%;隧道右线衬砌拱顶下沉80.06%,拱底隆起81.66%;左、右拱肩下沉各74.54%,72.97%,左、右拱腰下沉各75.84%,78.17%,左右拱脚隆起各47.21%,40.66%。其中拱顶沉降与拱底隆起的变化率是最大的,而拱脚部分的变化率最小。

4 结论

本文通过分析广西贺州至巴马高速公路中的廷心隧道原位扩建的实际工程案例和相应的工程规定。整理数据从而得到以下结论和建议:

1)在隧道整体受力中,围岩力学参数越好,衬砌上的竖向应力越低,在拱腰的竖向应力更大,拱顶和拱底的竖向应力更小。但是对于同时不同情况的力学参数,在隧道衬砌外围的应力会发生不同的改变。所以在实际工程中,应当根据实地调查的数据对支护参数进行选取。

2)在整个隧道扩建过程中,隧道的中间隔墙部分受到的破坏最为集中,而且随着围岩力学参数越来越好,受到的破坏程度逐步增大。

3)由于受到隧道扁平率的影响,在不同围岩等级的隧道原位扩建时,隧道的拱顶,拱底以及拱肩的围岩变形相对较大,而拱腰和拱脚的变形很小,双侧隧道也呈现出对称变形。