超大跨度变断面隧道围岩力学动态响应与开挖步序优化数值模拟研究——以苏州七子山隧道为例

赵 虎, 张恭禄, 李世堂, 刘 禹, 任相利, 孔令威,王 瑞, 邱德才, 张合鑫

(1.山东省路桥集团有限公司, 济南 250014; 2. 山东科技大学土木工程与建筑学院, 山东 青岛 266590;3.山东中建八局投资建设有限公司, 济南 250031)

在国家大力投资及建设下,我国公路铁路隧道建设飞速发展,全国范围内已建成了多条隧道,如青藏铁路新关角隧道、青岛胶州湾海底公路隧道等。随着流量的增加,单洞双车道已无法满足城市发展需求,我国乃至世界的隧道朝着超大跨度变断面发展,其在满足服务功能、提高空间利用率等方面同普通隧道相比具有非常大的优势[1-2],但是超大跨度变断面隧道跨度大、开挖面积大、结构形式多变,在建设过程中极易引起隧道围岩不稳定、塌方、冒顶等事故,具有较大的风险和施工难度[3]。目前国内外超大跨度变断面隧道施工工法主要采用CRD法(交叉中隔墙法)、台阶法、双侧壁导坑法或多种工法的结合。但是现有技术对于超大跨度变断面处施工仍存在施工难度大、施工不易开展等问题。为了保证超大跨度变断面隧道的施工安全,同时兼顾施工便利性及施工效率,有必要对超大跨度变断面处的开挖工法进行研究。

诸多学者对超大跨度变断面隧道施工工法进行了研究,这为探究超大跨度变断面隧道施工工法优化提供了思路。Fan等[4]对变断面隧道采用室内试验、数值模拟等方法,对不良地质下的施工技术进行了研究,提出了开挖支护方法等关键施工技术。赵博剑[5]对“导洞反向扩挖工法”在渐变大断面隧道中的应用进行了分析,利用数值模拟的手段分析了围岩变形及初支结构受力特点。徐冲[6]对变截面隧道的线形优化和断面轮廓设计进行了一系列研究,认为变截面段最佳的过渡方案是“台阶式”。方刚等[7]通过现场监测和数值模拟分析了变截面段隧道的受力和变形特性,发现变截面大跨隧道采用三台阶临时仰拱法和三台阶开挖法可有效地控制变截面大跨隧道的应力集中和变形。闫明超等[8]对超大断面变截面施工的总体方案、开挖方法、初期支护以及变截面二次衬砌施工等技术内容,总结了超大断面隧道变截面施工的关键技术要点。

针对变断面隧道的围岩变形以及初期支护方面,前人进行了大量的相关研究。Li等[9]进行了大规模地质力学模型试验和数值模拟,揭示了超大断面隧道衬砌结构的破坏行为,为深埋区双孔超大断面隧道施工中的支护结构设计和安全控制提供了可靠参考。庄一舟等[10]对不同型号的钢架进行室内加载试验,系统分析了隧道钢架支护初期的力学性能,对变断面隧道的初期支护设计和施工具有重要参考价值。文竞舟等[11]通过分析隧道施工现场钢拱架支护的自身特点和受力特性,建立含有钢拱架和喷射混凝土的隧道复合初期支护的地基曲梁力学模型,为变断面隧道现场施工提供了直观、可靠的力学依据。孙引浩[12]对三台阶临时仰拱法上台阶采用支立门架法和类正洞台阶法横向过渡扩挖的2种方案进行了分析,利用数值模拟的手段分析了洞周土体变形、土体位移与应力变化规律。郭德平等[13]对变截面隧道采用室内试验,对比分析二台阶法、二台阶留核心土法以及三台阶法开挖下的围岩应力与位移特性,提出针对不同断面隧道施工的优化设计方法。郭会杰等[14]总结了隧道紧急停车带变截面段的变形特征,采用现场试验验证、数值模拟等方法。认为采用纵向预应力锚索+环向预应力锚索对紧急停车带端头附近围岩进行加固,可以有效提高变截面一侧围岩整体稳定性,减小变截面段围岩非对称变形。甄卓[15]对变截面隧道采用室内试验、数值模拟和现场检测数据等方法,对围岩力学参数的弱化进行了研究,为优化施工方案提供了关键技术要点。

本文在前人研究成果的基础上,依托苏州长江路南延工程-七子山隧道工程,针对该工程开挖过程中的连拱转超大跨度段临时支撑是否随开挖步拆除,以及超大跨度段的施工工序是否进行调整优化作为对比方案,采用数值模拟分析方法从拱顶沉降、仰拱隆起、边墙水平收敛和各测点的围岩应力进行对比分析。与其他已有的研究工作相比,本研究可以更直观具体地发现以上两种工况下的不同和优劣,并提出优化建议。

1 隧道工程概况及开挖方案

1.1 工程概况

七子山隧道工程是苏州国际快速物流通道二期工程——长江路南延工程的重点控制性工程,主线隧道全长6.18 km,开挖断面大,隧道暗挖段洞身围岩主要以中风化砂岩及破碎状中风化砂岩为主,隧道暗挖段围岩类别分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 4种级别围岩。工程线路纵断面如图1所示。

图1 线路纵断面图

1.2 隧道开挖方法

1.2.1 连拱隧道段

限于隧道入口的地形条件,隧道采用连拱隧道结构形式。连拱隧道开挖采用单侧壁导坑法,其中中导洞超前开挖,再开挖地质条件较差或受力不利一侧的匝道导洞,其滞后中导洞15～20 m;然后再开挖另一侧主线导洞,主线导洞滞后匝道导洞25～30 m。中导洞及侧壁导洞均采用短台阶法施工,台阶长度4～6 m,开挖进尺控制在一榀钢架(一榀钢架是指一个完整的门型架,由钢架梁和钢架柱组合成的一组钢屋架)间距内。中导洞贯通后及时浇筑中隔墙混凝土,并回填密实。连拱段隧道各导洞开挖步距如图2所示。

图2 连拱段隧道导洞开挖步距

1.2.2 超大跨隧道段

变断面超大跨度隧道段共5种断面形式,断面尺寸由小里程向大里程方向逐渐缩小为标准断面尺寸,最大开挖宽度约29.6 m,最大开挖断面尺寸为415 m2,各断面之间采用突变设置封堵墙方式进行处理。根据开挖跨度、埋深及参考国内类似特大跨隧道的施工经验,以及结合连拱隧道施工方案,变断面大跨段衬砌采用双侧壁导坑+CRD法进行施工[16-17]。七子山隧道建成后各断面如图3所示。

图3 七子山隧道变断面

2 隧道结构计算模型

数值模拟采用FLAC3D有限差分程序。隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑,采用各向同性Mohr-coulomb弹塑性模型计算。围岩、初期支护、二衬均采用实体单元模拟,模型通过zone cmodel assign null模拟隧道土体开挖,每个导洞开挖后施作初期支护及锚杆。模型尺寸为:隧道横向取225 m(大于5倍洞径),竖直向上取至地表(平均埋深为37.5 m),竖直向下取40 m(2倍洞径),纵向取60 m,其中隧道连拱段、大跨段1和大跨段2各取20 m。约束条件为:地表为自由边界,无任何约束,左右边界和底面分别施加垂直于边界面的位移约束。为准确求解,在隧道结构的附近和分析的目标面附近采用细密单元,单元总数为694 633,节点总数221 565。计算模型如图4所示。

图4 三维数值计算模型

为了计算简便,对工程实际进行一定简化,在数值模拟计算时统一采用C25喷射混凝土+钢格栅的形式作为初期支护,C25喷射混凝土+钢拱架的形式作为临时支撑[18]。其中连拱段主线初期支护喷层厚度为26 cm,连拱段匝道初期支护喷层厚度为24 cm,大跨度段初期支护喷层厚度为30 cm。最后,依据等效原则将钢格栅和钢拱架折算为C25混凝土一同考虑,折算公式为

(1)

式中:Ec为C25混凝土喷层弹性模量;Sc为C25混凝土喷层每米的截面积;Eg为格栅钢拱架的弹性模量;Sg为单位长度范围内格栅钢拱架的截面积。

根据隧道勘探资料、施工图设计资料以及相关的规范,确定三维计算模型围岩、中隔墙、支护等参数见表1。其中Ⅳ级围岩的黏聚力c和摩擦角φ分别取0.35 MPa和32°。

表1 围岩物理力学参数

3 连拱转超大跨度变断面处临时支护方法优化分析

3.1 临时支护优化方法

在隧道连拱段转大跨段过程中,即小断面转为大断面,涉及施工工序的转换,因此在施工过程中风险将大大提高。从现有的施工技术方面,适用于隧道小断面转为大断面的开挖方法一般为反向开挖[19-20],即隧道连拱段主线右侧上台阶向前扩挖至隧道大跨段中,然后沿大跨段横向方向开挖形成临空面,直至上台阶全部开挖完毕,在此过程中每进行一步要同时布设临时支撑及初期支护,完成支护后向下开挖该循环及反向开挖连拱段剩余部分。为考虑该过程中的施工安全问题,在横向开挖过程中涉及临时支撑的布置与拆除,但还要同时兼顾施工便利性及施工进度。因此,采用FLAC3D开展数值模拟研究,以开挖过程中临时支撑是否随开挖步拆除作为两种开挖支护方案,对比分析隧道变断面开挖过程中围岩位移和围岩应力的变化规律,为连拱转超大跨度隧道的工程设计和施工提供参考和指导。两种开挖支护方案模型对比如图5所示。

为研究临时支撑随开挖步拆除与保留分别对隧道围岩扰动的影响,选取典型部位应力应变结果进行比较分析。以隧道大跨段1第一循环中间位置作为目标断面,取拱顶,仰拱,左、右边墙共4个节点。

3.2 围岩位移对比分析

3.2.1 竖向位移对比分析

从图6可知,临时支撑随开挖步拆除或保留两种临时支护方法的观测断面拱顶沉降均急剧下降。隧道连拱段开挖至大跨段上台阶右半部后,二者对应的拱顶位移均下降,但差值不大;而在上台阶左半部开挖至该断面结束时,二者差值逐渐变大。当临时支撑拆除时,拱顶沉降先大幅增加后趋于稳定,当保留临时支撑时,拱顶沉降量相对较小,后续开挖保持在一定水平,二者拱顶沉降差值稳定在约7.4 mm。当该断面开挖结束且初期支护闭合成环时,保留临时支撑的拱顶处围岩轻微沉降,拱顶沉降最终稳定在23.5 mm,拆除临时支撑的最终拱顶沉降为27.8 mm,相对前者增加了18.3%。隧道大跨段反向开挖直至该断面初期支护闭合成环时,两种方法的拱顶沉降速率均明显增加,并在隧道中台阶和下台阶的开挖中趋于稳定。

图6 拱顶沉降曲线

由图7可知,两种支护方法的观测断面仰拱隆起规律均呈现不同程度上升趋势。隧道大跨段上台阶和中台阶开挖结束后,临时支撑的拆除与保留两种方式对应的仰拱位移均呈现上升趋势,但二者差值不大;下台阶开挖直至整个断面封闭成环,两种支护方法的仰拱隆起均呈现急剧增大的趋势,保留临时支撑的仰拱隆起发生在拆除临时支撑阶段,仰拱最终隆起量为64.3 mm,拆除临时支撑的仰拱隆起发生在下台阶右半部开挖过程中,仰拱最终隆起量为67.2 mm,相较于保留临时支撑增大了4.5%。

图7 仰拱隆起曲线

3.2.2 边墙水平收敛对比分析

由图8和图9可知,观测断面左、右边墙的水平收敛规律在临时支撑拆除或保留两种支护方法下基本一致。对于左边墙收敛的对比分析:隧道连拱段向前扩挖至隧道大跨段上台阶右半部后,两种方法的水平收敛略有不同,但差值不大;上台阶左半部开挖后,拆除临时支撑的左边墙水平收敛变化较小,保留临时支撑的水平收敛呈下降趋势,二者差值逐渐增大;初期支护闭合成环后,临时支撑拆除的过程中,水平收敛急剧增大,变化了4.71 mm;该断面开挖支护结束后,保留临时支撑的左边墙最终水平收敛值为9.96 mm,拆除临时支撑的左边墙最终水平收敛值为9.87 mm,相较于保留临时支撑的方式减小了0.9%。对于右边墙的收敛对比分析:隧道连拱段向前扩挖至隧道大跨段上台阶开挖结束后,两种方法的右边墙水平收敛呈轻微减小后缓慢增大的趋势,中台阶开挖结束后二者差值逐渐增大,临时支撑拆除的方法水平收敛逐渐增大,保留临时支撑的方法水平收敛浮动较小;初期支护闭合成环后,临时支撑拆除的开挖过程中,水平收敛急剧增大,变化了5.64 mm;该断面开挖支护结束后,保留临时支撑的右边墙最终水平收敛值为11.41 mm,拆除临时支撑的右边墙最终水平收敛值为10.64 mm,相较于保留临时支撑减小了6.7%。

图8 左边墙水平收敛曲线

图9 右边墙水平收敛曲线

临时支撑在反向开挖过程中的拆除与保留对隧道变断面的围岩扰动存在明显的影响作用,采用不同的临时支护方式,变截面处的围岩位移有所不同。由数值模拟分析的结果可知,在开挖过程中保留临时支撑,拱顶处围岩沉降相对较小,但边墙处水平收敛会相对增大;拆除临时支撑时,拱顶处围岩沉降相对较大,但边墙处水平收敛相对减小,且边墙处水平收敛变化更为明显。

3.3 围岩最大主应力对比分析

由图10可知,隧道连拱段开挖至大跨段上台阶右半部后,拆除临时支撑的拱顶最大主应力缓慢减小,保留临时支撑的则呈增大趋势;隧道大跨段上台阶左半部开挖时,由于拆除临时支撑,拱顶最大主应力迅速释放,剩余导洞开挖最大主应力基本稳定,而保留临时支撑的拱顶最大主应力减小幅度较小;当该断面开挖结束及初期支护闭合成环后,随开挖拆除临时支撑的拱顶最大主应力突然释放并稳定在0.353 MPa,而保留临时支撑的最大主应力最终稳定在0.359 MPa,随开挖步拆除临时支撑的最大主应力变化率较大。

图10 拱顶最大主应力曲线

通过图11仰拱处围岩最大主应力对比分析发现,两者的仰拱处最大主应力在隧道连拱段向前扩挖直至隧道大跨段中台阶开挖结束后均呈现缓慢减小趋势;开挖下台阶导洞后两种方案变化趋势相同,仰拱最大主应力均得到释放,但二者差值逐渐增大;初期支护闭合成环直至拆除临时支撑,仰拱处最大主应力持续释放并最终稳定在0.261 MPa,拆除临时支撑的仰拱处最大主应力最终稳定在0.236 MPa,从总体变化趋势上看开挖过程中保留临时支撑的最大主应力变化率较大。

图11 仰拱最大主应力曲线

通过图12左边墙处围岩最大主应力对比分析发现,两者的左边墙处最大主应力在隧道连拱段向前扩挖直至隧道大跨段上台阶开挖结束后均为缓慢减小的趋势。当隧道大跨段中台阶左半部开挖后,保留临时支撑的最大主应力基本保持不变,拆除临时支撑的最大主应力增大,剩余导洞开挖两种方法的最大主应力变化幅度较大但总体呈现增大趋势;当该断面开挖结束及初期支护闭合成环后,在拆除临时支撑过程中左边墙处最大主应力急剧增大并最终稳定在0.322 MPa,保留临时支撑左边墙的最大主应力最终稳定在0.323 MPa。

图12 左边墙最大主应力曲线

通过图13右边墙处围岩最大主应力对比分析发现,两者的右边墙处最大主应力在隧道连拱段向前扩挖直至隧道大跨段中台阶左半部开挖结束后均呈现先减小后趋于平稳的趋势。开挖中台阶右半部导洞后,保留临时支撑的最大主应力基本保持不变,拆除临时支撑的最大主应力急剧增大;开挖下台阶导洞直至初期支护闭合成环后,拆除临时支撑过程中左边墙处最大主应力急剧增大并最终稳定在0.253 MPa,保留临时支撑右边墙的最大主应力最终稳定在0.249 MPa。

图13 右边墙最大主应力曲线

3.4 变断面开挖工序转换建议

通过对比两种开挖支护方法发现,开挖过程中保留临时支撑围岩所受扰动更小,围岩应力变化浮动较小,施工过程更为安全。但由于变断面开挖过程中其空间相对封闭,横向开挖过程中机械及人工无法通过临时支撑开挖下一个导洞,从而造成施工的不便利性。为兼顾施工安全及施工便利,建议在横向开挖支护过程中布设门式拱架,既可以保证门式拱架在隧道横向开挖过程中发挥其支撑作用,减少上覆围岩所受开挖扰动影响,实现施工工序的转换,又方便人工及大型机械施工[21-22]。

由连拱隧道主线右侧上台阶导洞进入大跨右侧上台阶开挖,架设大跨护拱拱架及临时拱架,纵向开挖长度约5 m。然后在导洞内架设门式拱架,替换临时拱架,不再向纵向开挖支护。拆除临时拱架,横向开挖大跨围岩并架设门式拱架并支护,门式拱架高于大跨正常拱架,直至大跨边缘。在门式拱架下架设护拱拱架、第1层及第2层拱架。门式拱架横梁采用HW200×204型钢拱架,长度5 m,门腿采用I25a工字钢,高度视隧道临空面高度而定,门式拱架施工间距为0.5 m。门式拱架安装与布置图及具体施工工序转换如图14、表2所示。

表2 连拱转超大跨度隧道之间工序转换

图14 门式拱架安装与布置

4 超大跨度变断面处开挖工序优化分析

4.1 开挖工序优化方法

隧道开挖过程中,围岩应力受开挖扰动从而应力重分布,该过程将影响应力应变过程,不同的开挖方法也会影响隧道施工的安全性和稳定性。因此,选择合理的开挖工序,不仅会对施工进程、效率带来相对的提高,也能保障施工安全。参考类似超大断面隧道的工程经验以及各种施工方案的优缺点[23-25],超大跨度隧道采用双侧壁导坑+CRD法施工。为保证施工安全及提高施工进度,在原开挖工序的基础上进行优化调整,并结合FLAC3D开展数值模拟研究,分析开挖过程中围岩变形、应力变化变化规律,并对两种施工方案的数值计算结果展开对比分析,为超大断面隧道的施工提供参考和指导。

原施工工序具有安全性高、围岩所受扰动较小等优点,但也存在施工难度高和施工速度慢等一定的局限性。因此在保证施工安全的基础上,为了提高施工效率,对原本设计的施工工序进行一定的调整,即在保持大跨隧道初期支护设计参数不变的情况,先采用双侧壁导坑法施工两侧导坑,再采用CRD法开挖隧道中部导坑,在隧道初期支护成环后,根据监测情况依次拆除临时支撑并施作二衬支护。原施工工序与优化后施工工序对比如图15所示。

图15 开挖工序对比

为对比分析原方案与优化方案对围岩应力和位移影响,通过模拟超大跨度隧道原方案和优化方案的开挖过程,以隧道大跨段(一)第二循环中间位置作为目标断面,取拱顶、左右边墙、仰拱共4个节点的围岩应力和位移进行对比分析。

4.2 围岩位移对比分析

4.2.1 竖向位移对比分析

由图16和图17可知,采用两种不同的开挖工序,监测断面的拱顶沉降和仰拱隆起规律基本保持一致。在原开挖工序下,拱顶沉降和仰拱隆起主要发生在开挖断面经过监测断面的过程中,并且随着开挖断面的推进,拱顶沉降和仰拱隆起基本保持稳定。在优化开挖工序下,拱顶沉降和仰拱隆起主要发生在中岩墙开挖过程中。对于拱顶沉降,在两种工序下,无论是否拆除临时支撑,优化开挖工序都表现出比原开挖工序更小的拱顶沉降量。相较于原开挖工序,优化开挖工序的拱顶最终沉降值减小了8.60%。对于仰拱隆起,在两种工序下,无论是否拆除临时支撑,优化开挖工序也显示出比原开挖工序更小的仰拱隆起值。相较于原开挖工序,优化开挖工序的仰拱最终隆起值减小了4.01%。

图16 拱顶沉降曲线

图17 仰拱隆起曲线

综上所述,通过对比分析,优化开挖工序可以有效减小监测断面的拱顶沉降和仰拱隆起量,提高施工的安全性和稳定性。

4.2.2 边墙水平位移对比分析

由图18和图19可知,在采用不同的开挖工序时,监测断面水平收敛的规律基本一致。采用原开挖工序时,水平收敛主要发生在开挖断面经过该监测断面过程中,并且随着开挖断面的推进该监测断面水平收敛基本保持平稳,各个导洞贯通后,左、右边墙水平收敛稳定在25 mm左右,拆除临时支撑后,水平收敛值最终稳定在42～44 mm。在采用优化开挖工序时,水平收敛主要发生在中岩墙开挖过程中,各个导洞贯通后左、右边墙水平收敛稳定在19 mm左右,拆除临时支撑后,水平收敛值最终稳定在35～40 mm。从整体变化趋势上看,无论是拆除临时支撑之前还是之后,优化开挖工序的水平收敛始终小于原开挖工序,相较于原开挖工序,左边墙优化开挖工序的最终水平收敛值减小了9.42%,右边墙优化开挖工序的最终水平收敛值减小了16.70%。

图18 左边墙水平收敛曲线

图19 右边墙水平收敛曲线

4.3 围岩应力对比分析

通过图20各测点围岩应力变化对比可知,不论是原开挖工序还是优化开挖工序,拱顶和仰拱处围岩竖向应力均得到释放,原工序在开挖过程中围岩应力释放趋势更为明显;边墙处围岩应力均呈现增大的趋势,原工序在开挖过程中围岩应力增大趋势更为明显。就总体围岩应力变化特征来看,优化开挖工序的围岩应力变化趋势相对平稳,围岩所受开挖扰动相对较小。

4.4 变断面开挖工序转换建议

通过对比两种开挖工序发现,相对于原工序,优化开挖工序的拱顶最终沉降值减小了8.60%,仰拱最终隆起值减小了4.01%,左边墙和右边墙最终水平收敛值分别减小了9.42%和16.70%,且优化开挖方案的各测点围岩应力变化均相对较小。根据数值模拟结果对比可以看出,两种开挖方法在工序接替次数上基本一致,但优化工序在开挖过程中围岩所受扰动更小,围岩应力变化浮动较小,更有利于隧道及其支护结构的长期稳定。因此建议采用优化开挖工序:先开挖隧道两侧导洞,保留隧道中部岩土体,根据围岩监测情况最后开挖中部岩土体。

5 结论

结合七子山隧道工程实际,通过数值模拟分析对不同工况下的围岩应力、围岩位移进行了对比分析,对连拱转超大跨度隧道变断面处施工工序和超大跨度隧道施工工法进行了优化,以指导施工,得到了以下结论。

(1)对连拱转超大跨度段临时支撑是否随开挖步拆除,及超大跨度段开挖工序是否优化进行了数值模拟,发现围岩位移和围岩应力均存在明显差异。

(2)连拱转超大跨度隧道在施工断面封闭成环前保留临时支撑围岩所受扰动更小,施工过程更为安全,但由于变断面开挖过程中其空间相对封闭,从而造成施工的不便利性,因此建议在横向开挖支护过程中布设门式拱架,既可以减少上覆围岩所受开挖扰动影响,实现施工工序的转换,又方便人工及大型机械施工。

(3)根据数值模拟结果对比可以看出,超大跨度隧道两种开挖步序在工序接替次数上基本一致,但优化开挖工序在开挖过程中围岩所受扰动更小,围岩应力变化浮动较小,因此建议采用优化方案先开挖隧道两侧导洞,保留隧道中部岩土体,根据围岩监测情况最后开挖中部岩土体。

(4)重点研究了隧道连拱段转大跨段1、大跨段1转大跨段2两处截面跨度的改变对围岩的影响,未针对超大跨度隧道在多次断面跨度改变下的围岩应力和变形规律进行研究。同时只对左线隧道的变断面开挖过程进行了研究,未考虑右线隧道开挖的相互影响。后期可以对双线隧道同时开挖时围岩应力和变形的相互作用进行研究。