不同掘进工法下软岩中深埋小净距隧道变形规律研究*

贾 锋 杜永强 杨文波 聂金诚 寇 昊 肖龙鸽

(1.中国建设基础设施有限公司, 北京 100044; 2.中建隧道建设有限公司, 重庆 401320; 3.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 成都 610031; 4.中国建筑股份有限公司, 北京 100037)

我国西部地区构造运动活跃、地形复杂,软弱围岩一直是隧道工程面临的一大难题。小净距隧道因其占地面积小、造价较低等优点在双线隧道中广泛应用,同时其自身存在变形情况复杂等问题,因此研究小净距隧道变形规律具有工程意义。

许多学者对小净距隧道做了不少相关研究。张志强等对非对称小净距隧道展开不同掘进顺序的数值模拟,指出小断面隧道作为先行隧道掘进时的围岩整体变形量较小。[1]王小林等基于西安地铁隧道进行有限元模拟,发现隧道左、右隧道掘进顺序不是影响拱顶沉降和地表变形的决定性因素,但先掘进小断面利于降低支护结构受力变形。[2]刘春等采用数值模拟并依托重庆轨道实际工程,对于优先掘进小断面的观点提出不同看法,指出大断面作为先行隧道掘进时中岩柱受力更为均匀,整体结构变形量小。[3]胡展基于排头隧道实际工程探究不同施工工序下围岩的变形规律,发现同时掘进隧道双隧道对中岩柱产生的变形扰动较小。[4]李伟聪对小净距隧道受力变形进行了二维数值模拟,指出隧道全断面掘进时的变形量大于分部掘进。[5]江帆结合文林山隧道工程研究大断面浅埋小净距隧道变形规律,得出全断面掘进下隧道先行隧道变形量大于后行隧道。[6]侯福金等将数值模拟与现场实测相结合,指出超大断面小净距双隧道在掘进过程中会互相扰动,且后行隧道掘进产生的影响更大。[7]王更峰等依托魁岐大跨小净距隧道工程研究不同掘进工法下隧道变形规律,发现V级围岩条件下采用交叉中隔墙法(CRD法)对控制变形有较大优势。[8]陈平结合郑家塔隧道指出:采用三台阶临时仰拱法替代施工周期较长的CRD法在隧道变形方面仍能保障安全。[9]林从谋等依托大帽山扩建隧道工程,研究分析中隔墙法(CD法)掘进下隧道隧道身变形规律。[10]Wu等采用现场监测与数值模拟相结合的方法研究净距对隧道变形的影响,指出隧道变形随净距的增大而减小,当净距大于2.5倍隧道径时变形受净距的影响较小。[11]

目前对于浅埋小净距隧道的变形规律已经进行了大量研究,但对于深埋软岩地质环境下的小净距隧道变形规律的研究尚不完善。因此,将依托华丽高速东马场1号隧道工程,采用现场实测和数值模拟的方法,研究左、右隧道不同掘进工法和掌子面间距对隧道变形的影响规律,以期得到软岩中深埋小净距隧道适宜的掘进施工方案。

1 工程概况

华丽高速东马场1号隧道位于云南省丽江市永胜县境内,与程海湖相邻。该隧道拟建路线里程段地形起伏较大,设计为左、右分离式双隧道隧道形式,隧道进口如图1所示。左隧道起点里程ZK70+180,止点里程ZK75+278,隧道全长为5.097 km,最大埋深为621.5 m;右隧道起点里程K70+130,止点里程K75+330,全长为5 210 m,最大埋深为619.6 m。隧道区海拔高程为1 869.951～2 512.482 m,相对高差为642.531 m,地形崎岖且多基岩出露,地表植被覆盖率一般。隧道软岩占比较大,其中Ⅳ级围岩厚为3 359 m(占比32.6%),Ⅴ级围岩厚为3 740 m(占比36.3%)。

图1 东马场1号隧道进口

东马场1号隧道宽度为11.0 m,两隧道净距为24 m。根据JTG D70—2004《公路隧道设计规范》的规定(表1)[12],该隧道为小净距隧道。

表1 分离式独立双隧道的最小净距

2 现场监测的软岩中深埋小净距隧道变形规律

2.1 掘进工法和支护方案

华丽高速东马场1号隧道现场主要采用的掘进工法有:两台阶掘进、三台阶掘进、左隧道三台阶右隧道两台阶掘进。

隧道支护结构如图2所示。超前支护采用φ42×4的热轧无缝钢管的超前小导管形式,长为4.5 m,环向间距为30 cm,布设范围为拱部120°。初期支护采用φ25中空注浆锚杆,长为300 cm,间距100 cm×80 cm;喷射25 cm厚C25混凝土,钢拱架采用I18,间距为80 cm。二次衬砌采用50 cm厚C30钢筋混凝土,预留变形量12 cm。仰拱采用C15混凝土回填。

2.2 隧道变形监测结果和大变形等级分析

东马场1号隧道施工过程中受到软弱围岩等不良地质条件的影响,隧道结构发生大变形破坏,产生初支掉块剥落、钢拱架扭曲折叠、二衬变形开裂等一系列工程问题,如图3所示。

为保障施工安全与工程进度,减轻工程病害,隧道在掘进过程中同步进行变形监测。在隧道周标记测点并使用全站仪进行监测,测量精度为0.1 mm。监测结果发现不同掘进工法下隧道变形差异较大。

选取典型监测断面(表2),对其进行左、右隧道不同掘进工法和掌子面间距的变形规律分析,其中水平收敛监测位置为隧道拱腰处。所选取断面位于隧道进口处,围岩岩性基本一致,随里程号的增大隧道掘进工法逐渐由三台阶转变为左隧道三台阶右隧道两台阶,最终左、右双隧道均采用两台阶掘进。图4为左、右隧道均为两台阶掘进,典型监测断面为K71+414和K71+485;图5为左、右隧道均为三台阶掘进,典型监测断面为K71+303与K71+372;图6为左隧道三台阶、右隧道两台阶掘进,典型监测断面为K71+316和K71+389。每组监测断面中左、右两隧道均同时掘进,其中左隧道断面里程号较大,可视为左隧道先行掘进。不同监测段落的监测时长差异较大,而各工况变形量在第35天后基本稳定。为较好地体现不同掘进工法对变形规律的差异影响,选取前35 d监测数据进行对比分析。

表2 监测断面

a—拱顶沉降; b—沉降速率; c—水平收敛; d—收敛速率。

a—拱顶沉降; b—沉降速率; c—水平收敛; d—收敛速率。

a—拱顶沉降; b—沉降速率; c—水平收敛; d—收敛速率。

a—拱顶沉降; b—沉降速率; c—水平收敛; d—收敛速率。

对于不同掘进工法下的隧道变形,两台阶掘进变形最大,左隧道三台阶右隧道两台阶掘进次之,三台阶掘进最小。两台阶掘进和三台阶掘进中隧道左隧道变形始终大于右隧道,而左隧道三台阶、右隧道两台阶掘进的左隧道最终变形量小于右隧道。左、右隧道变形差异随掘进推进呈现先增大后减小的趋势,掘进过程中,两台阶掘进在第10天时变形差异最大,拱顶沉降最大相差156.1 mm,水平收敛最大相差58.2 mm;左隧道三台阶、右隧道两台阶掘进在第11天时变形差异最大,拱顶沉降最大相差164.7 mm,水平收敛最大相差118.4 mm;三台阶掘进在第10天时变形差异最大,拱顶沉降最大相差49.5 mm,水平收敛最大相差42 mm;对比分析隧道最终变形,三种工况最终拱顶沉降分别为552.0,426.0,328.4 mm,最终水平收敛分别为386.0,331.5,306.1 mm。整体变形以拱顶沉降为主,拱顶沉降相较水平收敛大7.3%～43.0%,这是由于采用台阶法分布掘进造成的。

对于不同掘进工法下隧道的变形速率,两台阶掘进,三台阶掘进,左隧道三台阶、右隧道两台阶掘进工法对应的拱顶沉降速率分别在第17、23、27天降至10 mm/d。

隧道变形速率总体呈波动下降趋势,左隧道在掘进前期相较右隧道的变形速率更快,但隧道右隧道在第15天之后变形速率超过左隧道。

根据现场监测结果发现隧道掌子面间距也对变形存在一定影响。如图8所示:选取左、右隧道均为两台阶掘进段落,掌子面间距分别为71,94 m,典型监测断面为K71+323～K71+417和K71+414～K71+485。监测结果表明:掌子面间距为71 m时的最终拱顶沉降比间距为94 m时大2.37%,其最终水平收敛大2.58%,两者最终变形量差距较小。两种工况拱顶峰值沉降速率均出现在第4天,掌子面间距为71 m的拱顶峰值沉降速率为78 mm/d,掌子面间距为94 m的拱顶峰值沉降速率为47.4 mm/d。掌子面间距为71,94 m的拱顶沉降速率分别在第17天、28天降至10 mm/d,掌子面间距较小的工况前期变形速率更快,变形稳定时间更短。

图8 软岩小净距隧道几何模型 m

研究区段隧道围岩分级划分为Ⅴ级,围岩为泥质砂岩,风化程度较高,受构造影响,裂隙发育,岩体破碎。研究区段隧道埋深为215.972～248.568 m,属于深埋隧道。[13]结合隧道变形监测数据和隧址区地应力场测试结果(表3),根据软岩隧道大变形分级标准[14-17](表4),该区段可能发生Ⅰ～Ⅱ级大变形。

表3 隧址区地应力场

表4 大变形分级标准[14-17]

3 不同掘进工法下软岩中深埋小净距隧道变形规律的数值模拟

3.1 计算模型及参数

为更加深入分析软岩中深埋小净距隧道掘进工法和掌子面间距对隧道变形的影响,选取K71+288泥岩断面,采用FLAC3D软件建立计算模型,尺寸为140 m×75 m×100 m,如图8所示。模型底部和前、后均施加固定约束,上部施加围岩自重应力8.56 MPa,左、右施加水平构造应力12.86 MPa。围岩采用软件自带的摩尔-库仑模型,初期支护和二次衬砌采用弹性本构。围岩和初期支护、二次衬砌采用实体单元,超前小导管和锚杆采用cable单元。围岩与支护的物理力学参数见表5、表6。

表5 围岩物理力学参数

表6 支护物理力学参数

3.2 计算工况

为研究不同掘进工法对深埋软岩小净距隧道变形的影响,基于现场实测结果设计了的三种相应掘进工法,如图9所示。在隧道模拟掘进过程中,将实体单元用空模型取代以表示掘进。各工法下隧道均以左隧道先行掘进,掘进进尺为1 m/步,掘进时同步施加支护。三台阶掘进中,上台阶高为2.75 m,中台阶高为2.5 m,下台阶高为3.3 m;两台阶掘进中,上台阶高为5.25 m,下台阶高为3.3 m。同时为探究两隧道掌子面间距(图10)对变形的影响,考虑0,25,50,75 m四种不同掘进掌子面间距的情况,共计12种工况进行掘进模拟,如表7所示。两台阶、三台阶掘进的关键掘进步以及对应工况如表8、表9所示。采用FLAC3D对隧道掘进进行数值模拟的流程如图11所示。

表7 掘进方法和掘进间距数值计算工况

表8 两台阶掘进的关键掘进步对应的工况

表9 三台阶掘进关键掘进步对应工况

a—两台阶掘进; b—三台阶掘进; c—左隧道三台阶、右隧道两台阶掘进。

图10 模型掌子面间距示意

图11 数值模拟流程

3.3 不同掘进工法的计算结果和分析

为便于分析隧道周圈的变形规律,如图12所示布置监测点,对隧道左、右两隧道拱顶沉降、拱肩和拱腰的水平收敛进行监测。

图12 隧道断面监测点布置

3.3.1两台阶掘进

两台阶掘进时隧道各监测点位移情况如图13所示。左隧道拱顶沉降大于右隧道,拱顶最终沉降与左隧道水平收敛受掌子面间距影响小,变形稳定时间随掌子面间距增大而增长,模拟结果与现场实测结论基本吻合。隧道掌子面间距分别为0,25,50,75 m的工况,所对应右隧道水平收敛为595.620,572.701,536.178,529.871 m。右隧道水平收敛随着掌子面间距的增大而减小,当间距达到50 m后减小幅度变缓。

a—左隧道测点(工况1); b—右隧道测点(工况1); c—左隧道测点(工况2); d—右隧道测点(工况2); e—左隧道测点(工况3); f—右隧道测点(工况3); g—左隧道测点(工况4); h—右隧道测点(工况4)。

左、右隧道在掘进约25 m后变形开始大幅增大,拱肩、拱腰位移分别在掘进后约40,50 m处停止高速增长,此后左隧道左侧位移随着掘进进尺的增大而逐渐增大,同时右侧位移逐渐减小,且变形量大致相等,这表示随着掘进的进行,左隧道保持整体形状基本不变并向左发生位移,分析可知是右隧道掘进对左隧道的扰动影响。而右隧道变形在达到峰值后基本不再发生变化。当左、右隧道掌子面间距非零时,右隧道在掘进前会产生向右位移。综合分析可知:左、右两隧道掘进都使另一侧隧道产生朝两者相互远离方向的位移。

3.3.2三台阶掘进

三台阶掘进时隧道各监测点位移情况如图14所

a—左隧道测点(工况9); b—右隧道测点(工况9); c—左隧道测点(工况10); d—右隧道测点(工况10); e—左隧道测点(工况11); f—右隧道测点(工况11); g—左隧道测点(工况12); h—右隧道测点(工况12)。

示。比较分析图13、图14,两种工况隧道变形趋势大致相同,但在数值上存在差异。相较两台阶掘进的施工工法,以三台阶掘进时的变形量普遍要小6%～13%。

在模拟计算中,两台阶掘进时上台阶高度高,一次掘进形成的断面过大,导致对围岩产生强烈扰动,从而影响整体稳定性。[18]而三台阶掘进时一次掘进断面小,对围岩扰动小,隧道变形量小于两台阶掘进。此外,两台阶掘进支护施加时机较晚,围岩塑性区面积较大,隧道变形量大。

3.3.3左隧道三台阶、右隧道两台阶掘进

三台阶掘进工法在控制隧道变形方面要优于两台阶,但其也存在不足之处。三台阶掘进的施工技术复杂,循环作业时间长,施工效率较低。此外,三台阶掘进的工序作业时间短,使得施工作业人员交接班频繁,施工成本更高。

由于两台阶和三台阶掘进工法下左隧道位移均大于右隧道,因此为在控制隧道变形的条件下,尽量缩短施工工期并降低成本,将两台阶掘进工法中的左隧道隧道以三台阶法进行掘进,该工法下隧道各监测点位移情况如图15所示。

a—左隧道测点(工况9); b—右隧道测点(工况9); c—左隧道测点(工况10); d—右隧道测点(工况10); e—左隧道测点(工况11); f—右隧道测点(工况11); g—左隧道测点(工况12); h—右隧道测点(工况12)。

对比分析图13～图15,左隧道三台阶、右隧道两台阶掘进工法相较两台阶掘进工法的左隧道变形要小8%～12%,右隧道变形要大0.4%～1.6%;相较三台阶掘进工法的左隧道变形要小0.1%～0.6%,右隧道变形要大9%～13%。该工法相较两台阶掘进工法减小了原先较大的左隧道变形,从而保障隧道整体结构稳定性;相较三台阶掘进工法,虽然在变形量上有所增大,但主要增大的是原先变形较小的右隧道的变形,因此两种工法左右隧道中最大水平收敛仅相差5%。且该工法在缩短工期、降低成本方面明显优于三台阶掘进。综上所述,左隧道三台阶、右隧道两台阶掘进工法在软岩中深埋小净距隧道掘进中优于三台阶掘进和两台阶掘进。

模拟结果显示掌子面间距对隧道拱顶沉降影响较小,而水平收敛受掌子面间距影响较为明显。该工法下选用不同掌子面间距时隧道左、右隧道水平收敛如表10所示。可知:左隧道水平收敛小于右隧道,且两者在数值上较为接近。水平收敛随掌子面间距的增大而减小,且在掌子面间距达到50 m后减小幅度缓慢。为控制隧道变形,建议采用掌子面间距50 m以上的掘进工法。

表10 不同掌子面间距下水平收敛值统计

4 结束语

依托华丽高速东马场1号隧道工程,通过现场实测数据分析及数值模拟,对比研究了软岩条件下深埋小净距隧道左、右隧道不同掘进工法和掌子面间距时隧道的变形规律,得到的主要结论如下:

1)现场变形监测结果表明:隧道以拱顶沉降为主,小净距隧道左、右隧道的掘进工法对隧道变形影响较大;掌子面间距较小的工况前期变形速率更快,变形稳定时间更短。隧道变形量从大到小的掘进工法依次为两台阶,左隧道三台阶、右隧道两台阶,三台阶掘进。

2)数值模拟结果表明:软岩中深埋小净距隧道在掘进时存在左、右隧道相互扰动的现象,左隧道(先行隧道)变形明显大于右隧道(后行隧道)。左、右隧道均采用三台阶掘进较均采用两台阶掘进的变形量减小了6%～13%;左隧道三台阶、右隧道两台阶掘进中的左隧道(先行隧道)变形量相较双隧道均采用两台阶掘进减小了8%～12%,与双隧道均采用三台阶掘进的变形相近。左、右隧道掌子面间距对拱顶沉降影响较小,而对隧道水平收敛影响较大,随掌子面间距的增大,水平位移逐渐减小,且在间距达到50 m后变形减小幅度变缓。

3)通过现场实测与数值模拟结果对比,两者均表现为先行隧道变形大于后行隧道,两台阶掘进变形大于三台阶掘进,隧道拱顶沉降受掌子面间距的影响较小。综合考虑隧道施工工期、建设成本以及隧道变形控制效果,建议软岩中深埋小净距隧道采用先行隧道采用三台阶、后行隧道采用两台阶的掘进工法,并将掌子面间距控制在50 m以上。