冲沟超浅埋隧道施工数值模拟研究①

□□ 刘学军,张连鑫

(1.新疆大学 建筑工程学院,新疆 乌鲁木齐 830046;2.新疆建筑科学研究院(有限责任公司),新疆 乌鲁木齐 830002)

引言

近年来,伴随国家西部大开发以及众多城市群一体化的发展新脉络,城郊与城际间互联互通的需求快速增长。隧道因其穿山越岭的优势在公路建设中迅速发展。而隧道工程受限于复杂地质、地形、地貌及工况等因素影响,使得大断面、小净距、小埋深和连拱等特殊隧道结构形式不断涌现[1]。

目前,关于围岩力学性能与浅埋隧道施工变形已有不少学者做了研究。杨辉等[2]针对软岩地层中浅埋大断面隧道进洞施工下穿运营公路极易造成地表沉降超限、塌方与威胁行车安全这一难题,以贵州省某隧道为例提出洞内外综合加固方案,有效控制了复杂地形隧道洞口的沉降值和超挖,防止了塌方、冒顶及滑坡等地质灾害的发生。万小明[3]以麒麟山隧道为研究背景,采用数值模拟方法针对大断面围岩跨度大、软弱岩体和小埋深等不良影响因素研究得到了大断面浅埋软弱围岩的变形规律。徐前卫等[4]结合监测数据和数值模拟探究围岩的破坏构造力学,发现浅埋偏压隧道深埋侧拱脚和浅埋侧拱肩处围岩更易发生剪切破坏。McQueen L B等[5]通过对澳大利亚布里斯班隧道的岩体进行强度变形机理研究,针对岩体不连续性的控制探究出一种新的岩体强度预测方法。彭学军等[6]以鹅岭隧道为工程背景,采用FLAC3D建模并引入单元安全系数法,分析了隧道围岩潜在的破坏形式,确定了三台阶法合理的开挖参数。谢云鹏等[7]结合谢家烋围岩压力计算理论,改进日本山本法支护结构计算模型,提出一种山岭浅埋隧道三心圆支护结构计算模型,为隧道支护结构计算提供一种新方法。张文接等[8]采用有限元数值对比分析了“管棚与地表注浆”综合加固与未加固工况下穿施工过程中围岩的位移及管棚的受力,结果表明围岩变形量:拱顶>拱底>拱腰。徐前卫等[9]通过力学模型试验对滇中典型红层软弱隧道围岩的变性破坏模式及应力扰动特征进行了详细研究。傅立磊[10]依托厦门某超浅埋软岩大断面隧道工程利用理论分析、数值模拟、模型试验以及现场数据测试等手段,对隧道下穿路基施工过程的路基与洞室变形机理及影响因素进行分析,并在此基础上提出了相应的控制措施和控制标准。

综合现有学者研究来看,在浅埋隧道围岩破坏形式及变形控制方面的研究成果众多。而隧道在穿越冲沟地形时,通常埋深更小甚至达到超浅埋隧道界限。此类浅埋隧道施工时通常会表现出明显的纵向效应特征,围岩在形变和应力上也会表现出明显的差异性[11]。拟依托贵州某高速隧道工程,采用有限差分法对隧道在穿越冲沟地段时围岩变形情况作出预测,并探究支护系统的可靠性。

1 工程概况

大堡隧道隶属贵州省黔东南州境内雷榕高速第六分部隧道群,隧道起点为大堡村,终点至平永镇欧湾大桥。隧道右线桩号K48+284-K49+796,长为1 512 m;左线隧道桩号L2K48+296-L2K49+799,长为1 503 m;隧道左右线净距为6.6～22.4 m。隧道主洞建筑限界为:双车道净宽为10.25 m,行车道净高为5 m,检修道净高为2.5 m。隧道为大断面分离式小净距长隧道,其中右线隧道里程桩号K48+607-K48+617区段由JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》[12]取为超浅埋隧道,除此外整体均取为浅埋隧道。

隧址区属构造侵蚀中低山地貌,最高点位于隧道(右洞)中后部,最大高程为656.01 m,最小高程为457.03 m,高差约200 m。隧道进出洞口地形为斜坡,斜坡地表植被主要以乔木与灌木结合。隧道洞身范围内无稍大型断裂构造,岩层呈单斜状产出,岩层产状:145°～148°∠45°～54°。大堡隧道浅埋段上覆第四系残坡积(Q4e1+d1)粉质黏土和碎石土,下伏元古界上板溪群清水江组第一段-第二段(Ptbnbq1-2)变余凝灰岩,隧道主要地质构造如图1所示。隧道区地下水类型主要为松散层孔隙水和基岩裂隙水两种类型,呈点滴状和线状渗出为主。岩体裂隙发育,呈碎裂状结构,围岩等级区分为V级一般,[BQ]=192.93,主要工程地质问题为围岩的稳定性。

隧道施工采用上下台阶法开挖,在开挖前采用小导管进行超前支护,待稳定后进行施工。浅埋段处开挖进尺为2 m·d-1,现场开挖后采用“锚喷初支与二次模筑混凝土配合超前支护”的复合式衬砌设计,具体支护参数设计见表1。

表1 Va级围岩支护参数设计

2 数值模型建立

依据JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技术规范》[13]相关规定,隧道先行洞与后行洞错开100 m施工,故对右洞开挖穿越冲沟段时可看成单线隧道,忽略左洞施工影响。

利用Flac3D对隧道右线里程K48+585-K48+635进行建模,其中里程K48+597-K48+622段地表进行锚喷注浆加固,平均加固深度为10 m。由圣维南原理可知[14],隧洞开挖后仅在周围洞径3～5倍范围内发生应力重分布。故取隧道横向长度为80 m,竖向最大尺寸为66.25 m,沟底高为44 m,根据现场取冲沟坡面倾角45°。隧道断面最大开挖宽度为12.25 m,净空高度为9.5 m,采取隧洞周围局部网格密集,其余地方稀疏将网格划分,最终隧道模型如图2所示,共计生成网格71 792个,节点数为53 392个。

图2 隧道网格模型

模型边界在水平方向上,左右边界约束水平位移,隧道径深方向约束前后边界位移,垂直方向仅约束底部边界位移,上部边界设为自由变形。因埋深较浅忽略围岩构造应力,初始应力场仅考虑地层自重。分别以软件内置cable、beam和shell单元来模拟隧道锚杆、钢拱架、初支结构。地表加固区与超前支护作等效加固处理,钢筋网作为结构长期安全储备,不予考虑。在模型计算中粉质黏土与变余凝灰岩均以M-C屈服准则处理分析。依据勘察资料及相关规范,确定隧道地质条件及支护材料参数,具体见表2。

表2 模型材料参数

3 计算结果分析

3.1 竖直沉降分析

取冲沟下隧道断面K48+612进行监测,对断面各点进行竖直沉降模拟分析。因模型对称分布,对断面各点仅取一侧进行分析,分别研究拱顶、拱肩和拱腰三处随开挖步的沉降变化,绘制各点沉降随开挖步序变化曲线如图3所示。

图3 K48+612断面各点沉降时程图

由曲线可知,断面各点均随着开挖施工其变形速率由快变缓,大体可分为急速沉降、缓慢沉降和趋于稳定三个阶段。隧道开挖后围岩初始暴露期内,围岩变形快速发展,在第14步时距离掌子面1 m处隧道拱顶沉降达到3.43 mm;后续变形发展逐渐减缓,在第19步距离掌子面11 m进行下台阶开挖,此时沉降值达到6.87 mm,开挖即进行仰拱支护,此时下台阶隆起值迅速降到1.80 mm;在第21步进行断面二衬支护,此时断面拱顶沉降达到7.38 mm,可见两端锁脚锚杆以及仰拱喷浆支护对上拱沉降具有很好的抑制作用;在二衬后围岩变形开始缓慢逐渐稳定,开挖完成最终拱顶沉降为8.25 mm,拱肩和拱腰处分别为7.38 mm和5.29 mm,均未超过规范允许值。

后续在施工现场通过全站仪实施监测验证发现隧道最大拱顶沉降为8.72 mm,与模拟误差不大,证明模型结果相对可靠。

3.2 水平位移分析

对冲沟K48+612断面分别取拱顶和两侧拱腰、拱脚进行模拟,绘制曲线如图4所示。由图可知,断面的收敛范围主要在拱肩以下位置,在拱顶处几乎无水平位移,水平方向上各点呈对称分布。隧道在未开挖到冲沟断面时,前方施工引起冲沟断面各点水平方向上轻微位移;冲沟处刚开挖后发生后围岩向水平两端快速位移,最大的位移值在拱脚处,达到1.98 mm;到下台阶开挖即仰拱支护时,水平位移基本稳定在4.60 mm,直到施作二衬仰拱基本未有变形,表证二衬支护对围岩位移的约束作用;最终稳定时,收敛值降至3.67 mm,说明围岩在水平方向上发生了往复运动。主要是因为在第18～19步时下台阶开挖,围岩水平迅速向断面圆心内位移;同时在E30步时下台阶未开挖,对两端有撑开效应,随后E31下台阶开挖,拱脚处在上部围岩的约束下也快速向内迁移。拱腰和拱脚处最终水平位移值为2.20 mm和3.67 mm。

3.3 围岩塑性区分析

冲沟从中心断面开挖后围岩在不同时期的塑性区变化如图5所示。总体可以看出,隧洞四周围岩以受拉伸屈服为主,几乎不发生剪切屈服。塑性区云图中tension-n表示现在正在屈服,tension-p表示过去处于屈服状态,现已恢复为弹性状态。对围岩可能造成破坏的只有tension-n位置,而剪切屈服只发生在模型两侧地层的个别位置。

图5 冲沟断面塑性区变化

图5(a)为围岩初始暴露期,很明显在拱肩与拱顶位置发生拉伸屈服状态,此时围岩以受到拉应力为主;图5(b)表示随着围岩上部变形变缓,此时已不再受到拉伸屈服,而下台阶受到上拱反作用和拱架抑制等影响,开始向上隆起,台阶中间部分表现为拉伸屈服状态;图5(c)显示在之后两端拱脚处应力集中作用明显,仰拱两端表现出拉压屈服;图5(d)则说明在后续开挖中,围岩扰动仍在拱部上下位置出现一些屈服。另外,在地表处也发生明显的拉压屈服状态,说明地表随围岩共同发生了部分沉降,且屈服状态几乎都集中在加固区外,表示地表锚喷注浆提高了地层的刚度,加固效果良好。

3.4 支护受力特征分析

不同支护在隧道开挖完成后最终受力或位移情况如图6所示。由图6(a)和(b)可以看出,初支衬砌应力沿着隧道轴线方向对称分布。拱顶和拱肩主要承受拉应力,仰拱处主要承受压应力。最大拉应力在拱顶位置,最小拉应力在两端拱肩处,在两端拱脚及仰拱两端压应力较大。最大主应力在拱顶位置,为2.997 MPa,最小主应力为6.468 MPa。由图6(c)可知,钢拱架受力在拱顶周围以及仰拱处受拉,其余地方受压。最大拉力在拱顶处,为187.32 kN,最大压力为525.38 kN。在两端拱脚处和仰拱脚处应力集中区域连通,钢拱弯矩也极为明显,在隧道施工时应对底部支护重点监测。由图6(d)可知,锚杆水平方向上最大位移发生在两端拱脚处,且越往拱部上端位移越小,这与围岩水平收敛值规律一致;说明围岩与锚杆支护结合良好,锚杆抗拔力得到充分发挥,锚杆最大水平位移为3.61 mm。

图6 支护结果受力云图

3.5 地表沉降分析

为探究隧道开挖对地表变形的影响,在地表分别布置测点。其中一组在冲沟沟底位置取任意一侧,分别距离轴线处0、5 m、10 m、15 m和20 m处布置测点;另一组测点在沿隧道轴线上分别距隧道起点5 m、15 m、25 m、35 m和45 m处布置测点。绘制两组地表沉降变化曲线如图7所示。

图7 地表各点沉降时程变化曲线

由图可知,在冲沟沟底处地面各点的沉降速率随着隧道开挖向冲沟靠近,沉降速率越来越快,当隧道逐渐远离冲沟后,各点沉降速率越来越慢,随后逐渐稳定;各点远离隧道中心沉降越来越小,且各点沉降值不随距离的线性变化而改变。若囊括对称轴另一边各点沉降,将会呈现沉降凹槽分布。在隧道轴线方向上,位于冲沟两端坡面各点沉降并不呈现对称分布。将冲沟坡面与隧道掘进方向相同时称为“正坡”,相反则称为“负坡”。“正坡”掘进时地表各点沉降速率较快,随着冲沟逐渐逼近再到远离,速率逐渐变缓;但“负坡”各点沉降速率表现先慢后快,越来越快。这表明随着隧道开挖整体地层向隧道临空面的运动趋势大于向坡体临空面的运动趋势,围岩的掘空对地表具有一定牵引性,但冲沟能在一定程度上阻止“负坡”地表的牵引力。

4 结论

4.1 经模型模拟分析可知,开挖完成时,隧道最大拱顶沉降为8.25 mm,拱肩和拱腰处分别为7.38 mm和5.29 mm;最大水平位移为4.60 mm,最终水平位移为3.67 mm,均未超过规范允许值。可见支护系统运作良好,对围岩支护具有一定可靠性。

4.2 隧洞四周围岩以受拉伸屈服为主,几乎不发生剪切屈服。围岩屈服区主要集中在拱顶、拱肩与仰拱处。围岩-支护系统整体在仰拱两端存在应力集中现象,施工时应重点关注。地表上屈服区只发生在加固区外,说明地表注浆加固效果良好。

4.3 隧道开挖时沟底各点随隧道临近冲沟沉降速率逐渐加快,而轴线上“正坡”和“负坡”各点由于冲沟对二者牵引程度不同导致沉降速率存在纵向差异性。