浅埋偏压不同跨径小净距隧道合理净距及加固措施研究

高景明,冯世展,赵运刚,梁 斌,李文杰

(1.中交二公局第四工程有限公司,河南 洛阳 471013; 2.河南科技大学 土木工程学院,河南 洛阳 471000)

受山岭地形限制,多数隧道工程洞口净距不能满足分离式隧道的要求,且存在左右洞跨径不同等问题,要采用小净距隧道的结构形式。在不同跨径小净距隧道施工过程中,中夹岩的稳定性十分重要,直接关系到整个隧道的施工安全。国内外专家采用数值模拟和现场实测相结合的方法,对小净距隧道的中夹岩进行了深入研究。姚志雄等[1]研究了浅埋地形条件下四孔小净距隧道的力学特性。李然等[2]以京张高铁长城站实际工程为背景,运用数值模拟与现场实测相结合的方法,研究了拉锚控制对中夹岩的加固效果。毕志刚等[3]依托闽南小净距隧道工程,研究了中夹岩柱的力学特性,并针对中夹岩提出了小导管注浆加固的加固方案。陈皓等[4]建立了三维力学模型,分析了多个净距下的小净距隧道中夹岩柱的力学特性。郑俊清[5]针对煤系隧道塌方事故的原因进行了分析,并提出了相应的施工处理措施。闫振虎等[6]提出了对中夹岩盘进行分区加固的加固措施。孟凡兵等[7]依托大坪山小净距隧道项目,研究了不同位置处爆破对围岩的损伤破坏。刘芸等[8]对比了中夹岩的不同加固方案,并采取了对中夹岩盘进行分区加固的措施。周佳媚等[9]研究了在地震作用下隧道围岩的力学特征。孙闯等[10]研究了在软弱地质条件下小净距隧道的合理净距。丁玉仁[11]分析了小净距隧道的影响因素和水平位移特征。郝瑞军[12]研究了在倾抖地质条件下小净距隧道围岩的力学特性。毕玉[13]研究了在浅埋偏压地形下采用CD法施工的小净距隧道的合理净距。王明年等[14]对小净距隧道围岩应力进行分析。唐雨春等[15]对小净距隧道施工过程中出现的问题进行了总结。这些研究为小净距隧道的施工过程提供了宝贵的经验和借鉴。

在浅埋偏压不同跨径小净距隧道方面的研究还相对欠缺。本文依托新疆乌尉高速上新光隧道进口段工程,以安全系数分析法为基础,深入研究不同工况下中夹岩的力学特性。通过揭示不同净距下隧道中夹岩的形变情况,分析中夹岩的稳定性,确定合理的隧道净距。同时,对中夹岩柱采取一定的加固措施,以确保隧道施工安全进行。

1 工程概况

上新光隧道进、出口为不同跨径的小净距隧道(见图1)。右线净空15.4 m×5 m,左线净空11 m×5 m。隧道进、出口为偏压、浅埋段,围岩为强-中风化花岗岩。右洞为先行洞,在施工达到30 m且二次衬砌混凝土达到设计强度后,再进行左洞的开挖作业。隧道进口的左、右线间距为15.4 m。围岩为中风化花岗岩,其等级为Ⅳ级。

2 中夹岩破坏模式及加固理论

2.1 基本假定

后行洞在开挖时要与先行洞错开一定的开挖距离。假设此时先行洞围岩自身可以保持稳定。隧道断面如图2所示。为了便于计算,将隧道上覆围岩的宽度减小为d,不再是D+d,此时,中夹岩柱的形状发生改变,变为规则的d×H矩形承重土柱。中夹岩简化力学模型如图3所示,其中中夹岩柱的自重为G,竖向载荷为q1。q1的计算公式为

q1=qh(D+d)/d

(1)

式中qh为竖向土压力。

浅埋隧道竖向土压力的计算公式为

(2)

式中:W3为中夹岩柱上覆土体的重力;Q1、Q2分别为上覆土体两侧的摩擦力。

图1 隧道出洞口

图2 隧道断面

图3 中夹岩简化力学模型

2.2 中夹岩抗滑力与下滑力

在实际工程中通常采用锚杆对中夹岩进行加固。此时,需要在原有抗滑力的基础上,加上锚杆提供的抗剪作用实现对抗滑力的修正。在d/H

(3)

式中:dm为中夹岩加固时锚杆之间的纵向间距;fv为锚杆的抗剪强度;S为锚杆的截面积;n为穿过中夹岩破裂面锚杆的个数。当d/H≥tanα时,抗滑力为

(4)

式中H为中夹岩简化模型上部滑块的高度。

中夹岩上部滑块体沿着破裂面方向向下的下滑力T与其相对应的反作用力为一对大小相等、方向相反的作用力。由此可推导,当d/H

(5)

式中γ为围岩重度。

当d/H≥tanα时,中夹岩上部滑块体的下滑力为

(6)

2.3 小导管注浆加固后中夹岩的力学参数

锚固后中夹岩的弹性模量受其围岩自身和锚杆弹性模量的共同影响。因此,注浆锚杆固定后,中夹岩的弹性模量为

(7)

式中:E为中夹岩的弹性模量;E1为注浆锚杆的弹性模量;S1为注浆锚杆的横排间距;S2为注浆锚杆的环向间距;r为注浆锚杆的半径。

钢架与喷射混凝土共同支护后,等效混凝土的弹性模量为

(8)

式中:Eα为喷射混凝土的弹性模量;Eb为钢架的弹性模量;S3为钢架的横排间距;d为喷射混凝土的厚度;A为钢架截面积;l为注浆锚杆的长度。

最后,根据各向同性原则,注浆锚杆支护后中夹岩的等效弹性模量为

(9)

3 模型建立

本文依托上新光隧道项目,运用MIDAS GTS NX软件建立了不同跨径的小净距隧道有限元模型。设置隧道净距分别为2.9 m(0.2B)、8.7 m(0.6B)、14.5 m(1B)、21.75 m(1.5B)及29 m(2B),其中B为开挖洞宽。

根据圣维南原理建立三维有限元模型。在模型中隧道左、右应取3倍以上洞径,即模型横向尺寸为120 m,上下边界为3～4倍洞高,即模型高度为60 m,满足隧道建模的边界效应。模型表层为强风化花岗岩,其余均为中风化花岗岩。左洞跨径为11 m,右洞跨径为15.4 m,右洞为先行洞,左洞为后行洞。模拟开挖时每次进尺为2 m。先行洞开挖30 m后再开挖后行洞。小净距隧道有限元模型及测点分布如图4、图5所示。

图4 小净距隧道有限元模型

图5 小净距隧道测点分布

小净距隧道的物理力学参数如表1所示。

表1 小净距隧道的物理力学参数

4 结果分析

4.1 围岩位移

4.1.1 拱顶沉降

右线隧道拱顶沉降如图6所示。隧道右线刚开挖时,左线隧道还未开工,隧道右洞相当于普通的单洞隧道开挖,拱顶沉降增加缓慢。右洞开挖步序至15后,左洞开始开挖,对右洞造成扰动,随着开挖即将结束,拱顶沉降趋于平缓。随着隧道净距的减小,拱顶的最终沉降量不断增大。在隧道净距为0.2B和0.6B的情况下,当右线隧道进行到15～25工序时,拱顶的沉降量急剧增加,围岩形变量较大,产生突变。最终沉降量分别达到了7.23 mm和6.32 mm,该状态下的中夹岩柱极不稳定,必须对其采取加固措施。当隧道净距不小于1B时,隧道拱顶沉降曲线的变化趋势较为相近,且最终沉降量较小。拱顶沉降在预留量150 mm之内。左线隧道与右线隧道的拱顶沉降变化曲线大致相同,隧道右洞的跨径大于左洞。沉降量均小于右线隧道。

图6 右线隧道拱顶沉降曲线

4.1.2 中夹岩水平位移

中夹岩在不同净距下的水平位移变化曲线如图7所示。图7中的位移正向为向右,负向为向左。中夹岩左侧测点的位移大部分为负向位移,且其负向位移随着隧道净距的增加而减小;中夹岩右侧测点的位移方向均为正向,并且随着隧道净距的增加,其正向位移也不断减小。隧道净距越大,水平位移曲线与坐标轴的交点越偏向左侧测点,表明隧道中夹岩左、右侧的岩体存在错动,且随着隧道净距的增大而减小。

图7 中夹岩水平位移

综上所述,隧道净距越大,中夹岩的水平位移曲线就越趋于平缓。当隧道净距大于1B时,其水平位移曲线基本平缓,中夹岩柱中部岩体基本不发生水平位移,仅在其边缘位置处出现较大的水平位移。满足水平位移预留量150 mm的要求。

4.2 中夹岩塑性区

不同净距下中夹岩塑性区的分布情况如图8所示。由图8可知,随着隧道净距的增大,左、右洞围岩的塑性区差异越来越大。由于右洞跨径大于左洞跨径,隧道总体呈现出右洞塑性区比左洞大的趋势。当隧道净距为0.2B时,左、右洞的隧道塑性区完全贯穿,且中夹岩柱面积较小,此时中夹岩柱会产生大变形,无法承担上覆围岩的压力;当隧道净距为0.6B时,中夹岩塑性区已经分离,但其塑性区分布范围较大,围岩仍处于不稳定状态;当隧道净距为1B～2B时,中夹岩柱塑性区分布基本一致,塑性区仅出现在隧道侧壁处,中夹岩未联通,塑性区分布范围较小,核心部位不受塑性破坏影响;当隧道净距增大到2B时,塑性区分布在洞壁周围,中夹岩两侧塑性区大幅减小,隧道围岩塑性区分布与普通分离式隧道分布一致,已不属于小净距隧道。

(a)0.2B

(b)0.6B

(c)1B

(d)1.5B

(e)2B

4.3 中夹岩竖向应力

在中夹岩柱中部的厚度最小处的连线位置布置测点(见图5)。运用数值模拟的方法计算出5种不同净距下中夹岩柱在测点位置处的竖向应力值(见图9)。受隧道先后行洞施工和浅埋偏压地形的影响,右洞跨径大于左洞,导致中夹岩柱的右侧竖向应力值比左侧大。

图9 中夹岩的竖向应力

当隧道净距为0.2B时,中夹岩的竖向应力曲线呈单峰趋势,竖向应力极值出现在中部测点处,说明中夹岩的应力集中在中部,此时中夹岩的稳定性极差,需要施加相应加固措施;当隧道净距为0.6B时,中夹岩的竖向应力曲线基本呈直线分布,竖向应力在中部分布较为均匀,中夹岩处于不稳定状态;当隧道净距为1B时,竖向应力曲线呈中间低两边高的凹型分布,开挖过程中压力拱叠加,竖向应力场分布均匀;当隧道净距为1.5B或2B时,中夹岩的竖向应力曲线呈凹型趋势,两端应力极值减小,中部测点的应力值下降较快,且随着隧道净距的增大,其下降趋势越明显,隧道净距越大,中夹岩稳定性越强,所受应力越小,受施工扰动也就越小,更为安全。

4.4 浅埋地层地表沉降

地表沉降测点的布置如图5所示,地表沉降曲线如图10所示。当隧道净距为0.2B时,沉降量最大;当隧道净距为2B时,沉降量最小。当隧道净距为0.2B、0.6B与1B时,隧道沉降量相差较大。当0.2B与0.6B时,沉降量远大于1B,处于极不稳定状态。由此可知,当净距为0.6B及以下时,隧道较为危险,而净距为1B～2B的隧道沉降量相差不多,均在地表沉降预留量150 mm之内,较为安全。在5种不同净距下,地表沉降曲线均呈左低右高的M型分布,其沉降量在中夹岩的中线处最小,在两隧道中线处的沉降值普遍偏大,其峰值均位于右线隧道中线处。由于受到后行洞开挖扰动的影响,右洞跨径大于左洞,导致隧道右线附近地表沉降普遍大于隧道左线,在靠近右线隧道的隧道中线处出现极值。由此可见,先行洞隧道中线处的地表沉降量受后行洞开挖影响极大,应加强监测频率。

图10 地表沉降监测

4.5 合理净距分析

影响小净距隧道合理净距的因素较多,如隧道埋深、围岩级别、开挖方案等。隧道净距越小,后行洞开挖对先行洞的扰动越大,中夹岩的稳定性和完整性越差,需要进行相应的加固措施,这样会增加隧道的开挖成本与施工难度。

当隧道净距大于1B时,隧道拱顶的沉降量及中夹岩的水平位移均较小。此时中夹岩的塑性区分布已经完全分离,且塑性区较小,随着隧道净距的增大,中夹岩塑性区的分布范围变化并不明显。中夹岩竖向应力呈凹型趋势,且随着隧道净距的增大,中夹岩中间部分的竖向应力值下降速率较快,说明中夹岩中部受开挖扰动的影响逐渐减小。中夹岩上部地表的沉降明显减小,且随着隧道净距的增大而不断减小。各项数据均满足隧道设计值要求。当隧道净距增大到2B时,中夹岩的受力特征与普通的分离式隧道相似。综上所述,小净距隧道的合理净距范围应为1B～2B,因此上新光隧道进洞口段的线间距为15.4 m(1.06B)是合理的。

5 中夹岩柱加固方案

使用小导管注浆加固可增大中夹岩岩体的弹性模量、黏聚力和岩体内摩擦角,减小岩体泊松比。以此改变中夹岩的岩体参数,增强其稳定性和安全系数。

上新光隧道洞口小净距段采用长3.5 m、φ42 mm×4 mm的注浆钢花管对中夹岩柱进行加固。小导管环向间距为40 cm,纵向排距为240 cm。

对施工现场进行监测,测点布置如图11所示。现场监测结果如图12、图13所示。小净距段施工结束后,地表测点D1～D5的最终沉降量分别为47.15、42.13、38.45、53.15、55.56 mm,模拟值分别为49.56、45.18、36.71、50.19、57.01 mm。加固后的中夹岩与未进行加固措施的中夹岩相比,其监测点的地表沉降值减小13～15 mm。G1和G2的最终沉降值的现场实测值分别为2.77 mm和3.17 mm,模拟值分别为2.57 mm和3.02 mm,误差均在10%以内。相较于未加固工况,左洞拱顶最终沉降(3.23 mm)和右洞拱顶最终沉降(3.66 mm)分别减小了14.25%和13.39%。由图12、图13可知,地表沉降在预留量150 mm以内,表明该加固方案是可行的。

图11 测点布置

(a)地表沉降监测值

(b)地表沉降模拟值

(a)拱顶沉降监测值

(b)拱顶沉降模拟值

6 结论

(1)运用MIDAS GTS NX软件建立隧道有限元模型,对5种不同净距隧道的围岩力学特性进行分析,确定小净距隧道的合理净距为1B～2B。

(2)在不同跨径小净距隧道中,中夹岩竖向应力曲线呈凹字形分布。竖向应力分布在左右洞拱腰位置,其连线中点位置处的应力分布较小,且拱腰处塑性区分布较大,因此该处应加强监测。

(3)在隧道小净距段,右洞拱顶沉降、地表沉降以及中夹岩的水平位移均在设计值之内。但左右两洞拱脚处的塑性区分布相对较大,需要加强这几处区域的监测,并施以相应的加固措施。

(4)根据围岩加固理论,采用小导管注浆加固区域的措施对中夹岩进行加固。通过施工现场的监测数据可以发现,隧道地表沉降量均在预留量150 mm以内。表明采用小导管注浆加固能显著增强中夹岩的稳定性、刚度以及整体性,该方法可为此类施工提供借鉴。