軟弱圍巖區(qū)淺埋偏壓隧道洞口段變形分析與數(shù)值模擬①

許明賢， 葉施虎

(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092)

0 引言

靖那高速公路坡荷隧道位于廣西省百色市境內(nèi)，為雙幅四車道分離式隧道.隧道左幅樁號為ZK63+235～ZK65+465，全長2230m;右幅樁號為K63+216～K65+480，全長2264m.坡荷隧道區(qū)地貌屬構(gòu)造、剝蝕低山及巖溶峰林地貌，地面標(biāo)高1077.00～1346.00m，地形起伏較大.隧道進(jìn)口位于斜坡坡腳處第四系全新統(tǒng)風(fēng)化層(Qcol4)中，主要為雜色碎石土，碎石成分為頁巖，少量粘土充填［1］.

隧道洞身段襯砌均按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用柔性支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)合式襯砌，即以錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、工字鋼拱架、格柵鋼拱架等為初期支護(hù)，超前注漿小導(dǎo)管、超前錨桿等為施工輔助措施，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，在監(jiān)控量測信息的指導(dǎo)下施作初期支護(hù)和二次襯砌.

一般當(dāng)?shù)乇韮A斜，埋深小于2.5倍坍落拱高度的隧道，簡稱淺埋偏壓隧道，如傍山隧道［2－3］.

加強(qiáng)隧道施工全過程的監(jiān)控量測，有利于施工方及時(shí)掌握圍巖與支護(hù)動態(tài)，確保施工過程中的圍巖穩(wěn)定與支護(hù)安全，為二襯施工提供合理時(shí)機(jī)與支護(hù)參數(shù)［2－3］;同時(shí)監(jiān)控量測信息能有效地反映支護(hù)結(jié)構(gòu)與施工方法的合理性，并為設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化、施工工藝的調(diào)整提供最直接的依據(jù)［4－5］.

本文選取隧道左線進(jìn)口端洞口處的典型斷面，采用數(shù)值模擬方法分析淺埋、偏壓條件下隧道施工過程中拱頂圍巖變形的基本特征，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際處理措施，為相關(guān)工程提供有利借鑒.

1 現(xiàn)場監(jiān)控?cái)嗝娴牟荚O(shè)與監(jiān)測結(jié)果

整個隧道施工過程中，拱頂下沉與周邊收斂量測都屬于監(jiān)測方案中的必測項(xiàng)目.拱頂下沉量測和圍巖周邊收斂量測依舊采用傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，具體實(shí)施過程如文獻(xiàn)［6］所述，監(jiān)測點(diǎn)在隧道開挖后毛洞的拱頂(A點(diǎn))及軸線左右各2m處(B、C點(diǎn))及隧道腰部左右(B、C點(diǎn))，布設(shè)如圖1所示.

圖1 觀測斷面測點(diǎn)布置示意圖

隧道進(jìn)口段連續(xù)的3個監(jiān)測斷面依次是:ZK63+252、ZK63+256、ZK63+262 斷面，相比較而言本次監(jiān)測斷面的布設(shè)密度較高，并在此監(jiān)測斷面上同時(shí)進(jìn)行了拱頂下沉與周邊收斂量測的測控點(diǎn)，其目的是更準(zhǔn)確地反映洞口段圍巖開挖過程中的變形特征，并及時(shí)反饋監(jiān)測信息指導(dǎo)安全施工.

洞口段詳細(xì)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)［6］如圖2，需要指出的是本組監(jiān)測數(shù)據(jù)反映的結(jié)果與類似工程具有以下不同之處［1］:

圖2 現(xiàn)場觀測曲線

1)本洞口段整個觀測過程歷時(shí)3個月之多但在觀測期內(nèi)隧道掘進(jìn)工作幾乎處于停滯狀態(tài)，且洞內(nèi)圍巖長期受到鄰近施工活動、自然因素的影響;

2)洞室偏壓變形較類似工程更加明顯，具體表現(xiàn)為拱頂下沉和周邊收斂觀測值絕對值總體上較大，沉降和收斂速率明顯較高，最大拱頂下沉速率達(dá)到42mm/d;

3)整體監(jiān)測曲線表現(xiàn)出突變性特征，即在某一監(jiān)測日期處，監(jiān)測曲線同時(shí)出現(xiàn)為沉降、收斂值的突然增大.此種現(xiàn)象是在內(nèi)因和外因聯(lián)合作用下的結(jié)果，也是圍巖長期變形效應(yīng)的突然性釋放.

4)監(jiān)測數(shù)據(jù)為不能進(jìn)行合適的擬合.即使采用突變點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所得擬合函數(shù)的表達(dá)形式也與理論和其他工程實(shí)踐差距較大.

總體上分析得出該監(jiān)測段處于持續(xù)的偏壓變形階段，并對外界影響因素具有較強(qiáng)的響應(yīng).

與鄰近地區(qū)公路隧道工程相比本隧道開挖斷面較大，最大開挖直徑近13m;洞口整體處于山坡邊緣，主要因地形原因造成偏壓;地質(zhì)條件較差，位于松散堆積層內(nèi).總之，該隧道地質(zhì)條件差，洞體受力變形效應(yīng)復(fù)雜，有必要進(jìn)行更深入的分析.

2 隧道施工的有限元模擬

為了進(jìn)一步分析隧道受偏壓作用時(shí)圍巖受力與變形規(guī)律，利用有限元方法對典型偏壓段的施工過程進(jìn)行了動態(tài)模擬.

2.1 有限元模型的建立

(1)基本假設(shè)

對有限元分析模型做了如下的基本假設(shè):①將隧道圍巖受力與變形視為平面問題加以研究;②隧道偏壓段圍巖為各向同性、均勻的彈性連續(xù)介質(zhì).

(2)主要參數(shù)

數(shù)值模擬時(shí)，圍巖采用摩爾庫倫模型，二次襯砌采用理想彈性模型.根據(jù)隧道地質(zhì)勘查資料以及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D70－2004，隧道圍巖為灰?guī)r、二次襯砌采用C40混凝土，材料參數(shù)如表1所示.

表1 模型材料參數(shù)

(3)模型的建立

隧道地表橫向坡度約為26°，斷面為三心圓曲墻式，最大開挖直徑為12.86m.有限元計(jì)算模型的水平寬度取為隧道跨度的4.5倍，垂直高度是從計(jì)算模型的地表至下部邊界，取跨度的3.8倍;已知邊界條件均取為位移約束，上部邊界取至地表，為自由邊界，左右為水平位移約束邊界，下部為水平和豎直位移約束邊界.

單元劃分在保證精度的條件下，按盡量減少單元數(shù)量的原則進(jìn)行.對隧道周圍圍巖加固區(qū)做了細(xì)化，以便更詳細(xì)模擬該區(qū)位移和應(yīng)力，有限元計(jì)算模型以及建模完成后的網(wǎng)格劃分如下圖3，4所示

圖3 有限元計(jì)算模型

圖4 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

2.2 有限元計(jì)算分析

本文基于未施加二次襯砌和施加了二次襯砌兩種情況對比分析隧道開挖后圍巖的位移和受力規(guī)律.首先進(jìn)行未施加二次襯砌條件下的模擬結(jié)果分析:

圖5 水平位移計(jì)算云圖

圖6 豎直位移計(jì)算云圖

(1)地層豎向位移和水平位移

根據(jù)圖5水平位移計(jì)算云圖和圖6豎直位移計(jì)算云圖可知，隧道開挖后圍巖均偏向于卸載臨空面移動，但水平位移和豎直位移的變化規(guī)律不同.

隧道地層最大豎向位移偏離了隧道中線，出現(xiàn)在左側(cè)拱肩部位，最大值約為60.6mm.地層水平位移較大的區(qū)域發(fā)生在距隧道軸線斜上方約45°地表和右側(cè)拱腳部位，其中地表處向臨空面最大水平位移為16.2mm，右側(cè)拱腳部位向臨空面的最大 水平為33.6mm.

圖7 拱頂各點(diǎn)豎向位移模擬曲線

圖7 為拱頂各點(diǎn)豎向位移模擬曲線.表明隨著開挖過程的進(jìn)行，拱頂各點(diǎn)的位移在持續(xù)累積增長，最終中間測點(diǎn)的位移量最大，右測點(diǎn)的位移量最小.計(jì)算結(jié)果中未反映初期支護(hù)對于圍巖穩(wěn)定性的影響，也不考慮降雨等外界因素的影響，這與參考文獻(xiàn)中的實(shí)測曲線特征不能完全吻合，但該計(jì)算曲線明確反映了圍巖位移的增長規(guī)律.

從水平位移的分布規(guī)律來看，隧道開挖過程中，隧道斜上方位置的地表土可能會產(chǎn)生沿隧道軸向的縱向開裂現(xiàn)象，該處地表區(qū)域同時(shí)對應(yīng)豎向位移最大區(qū)域，有可能出現(xiàn)向下沉陷現(xiàn)象，因此施工中需加強(qiáng)管理，特別是避免地表水滲入致使圍巖軟化，造成隧道位移失控和引起邊坡失穩(wěn).

(2)圍巖屈服程度

從圖8圍巖塑性區(qū)分布云圖可以看出，開挖結(jié)束后，圍巖僅在局部位置(右側(cè)拱腳、左側(cè)拱肩邊坡坡腳)發(fā)生和接近屈服現(xiàn)象，而且塑性屈服區(qū)域明顯沿著左側(cè)拱肩豎直向地表延伸直至形成貫穿區(qū)域.說明在計(jì)算條件下，若有針對性地采取措施可以保障施工洞室穩(wěn)定.

(3)圍巖內(nèi)力分布

圖9反應(yīng)隧道開挖后圍巖中的最大主應(yīng)力分布情況.可見洞室開挖后，拱頂?shù)恼戏胶拖路骄霈F(xiàn)較大范圍的受拉區(qū)域，拱頂正上方的受拉區(qū)域貫穿至地表后沿著整個邊坡表面延伸，坡頂受拉明顯.

圖8 圍巖塑性區(qū)分布圖

圖9 圍巖主應(yīng)力分布圖

為加強(qiáng)對比分析本文同時(shí)建立了考慮二次襯砌效應(yīng)的模型.同樣從施加襯砌后圍巖的水平向位移和豎直向位移、圍巖內(nèi)力的角度分析隧道位移的變形與受力特征，同時(shí)進(jìn)一步分析了襯砌自身的變化特性.具體從以下幾個方面進(jìn)行比較分析:

1)圍巖位移變化.施加了襯砌后圍巖的水平位移較大值出現(xiàn)的位置產(chǎn)生了變化，集中在二襯拱腳局部點(diǎn)位，兩側(cè)呈對稱分布，位移幅度減小為14mm.顯著小于未施加襯砌時(shí)右側(cè)拱腳部位向臨空面的最大水平為33.6mm.施加了襯砌后圍巖的豎直位移也呈現(xiàn)出對稱分布形態(tài)，位移幅值僅為23mm.分析可知襯砌對圍巖位移的發(fā)生區(qū)域以及產(chǎn)生位移的程度具有顯著的影響.

2)圍巖塑性區(qū).施加了襯砌后左右兩側(cè)圍巖的塑性區(qū)面積顯著減小，左側(cè)塑性區(qū)僅出現(xiàn)在二襯和圍巖接觸處的拱腳局部位置，向上并未延伸到地表.

圖10 襯砌的應(yīng)力云圖

3)圍巖與襯砌主應(yīng)力.襯砌及時(shí)施加后，圍巖內(nèi)未見明顯的拉應(yīng)力區(qū)，更未見拉應(yīng)力區(qū)從洞體內(nèi)側(cè)貫穿至地表，僅在坡頂部位至洞體正上方這一局部區(qū)域分布因局部擾動造成的拉應(yīng)力區(qū).襯砌的應(yīng)力云圖如圖10所示.由圖可見，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力呈不對稱分布.左側(cè)襯砌外側(cè)受拉，拉應(yīng)力分布區(qū)主要位于拱肩部位，最大拉應(yīng)力達(dá)到2.5MPa，同時(shí)該部位襯砌內(nèi)側(cè)受壓，最大壓應(yīng)力達(dá)到5.0MPa，根據(jù)鋼筋混凝土的承載特性，支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的;右側(cè)襯砌的端部受力特性與左側(cè)拱肩處相反，表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)受到拉應(yīng)力，外側(cè)受壓，但受力程度較左側(cè)偏低.

不論支撐施加與否，隧道開挖后拱頂圍巖失去支撐、隧道底部圍巖回彈并抵抗周圍巖體向隧道底部滑移，引起隧道底部出現(xiàn)了較大隆起與拉應(yīng)力分布區(qū).在施工過程中也應(yīng)重視回彈效應(yīng)對整體隧道穩(wěn)定性的影響.

3 結(jié)論與建議

(1)本隧道工程洞室開挖后拱頂位移、應(yīng)力在隧道左右兩側(cè)均呈現(xiàn)不對稱分布形態(tài)，偏壓影響明顯;在施加了二次襯砌后，整體圍巖的變形規(guī)律也發(fā)生了較明顯的改變，并且襯砌自身的受力與變形能更好地解釋偏壓隧道的力學(xué)響應(yīng)特征.

(2)在隧道施工過程中，隧道斜上方位置的地表土可能會產(chǎn)生沿隧道軸向的縱向開裂現(xiàn)象并出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象.

(3)數(shù)值模型中不能很好地反映降雨等外界因素對圍巖的影響.對于此類因素出現(xiàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)采取加強(qiáng)監(jiān)測量測等方法加以應(yīng)對.

(4)襯砌，包括超前支護(hù)、初期襯砌的施加能加強(qiáng)隧道洞室的穩(wěn)定性，對保證施工安全與工程的順利完成意義明顯.

［1］《靖那高速設(shè)計(jì)說明》，2008.

［2］張守成.雅瀘高速公路某隧道偏壓段數(shù)值模擬及監(jiān)控量測技術(shù)研究［D］.成都:西南石油大學(xué)，2010.

［3］楊小禮，眭志榮.圍巖中偏壓隧道的剪脹特性研究.巖土力學(xué)，28(1).

［4］石效民，鄧洪亮等.淺埋偏壓隧道施工過程圍巖應(yīng)力變化規(guī)律研究［J］.施工技術(shù)，2011，40(3):57 －59.

［5］劉曉敏.山區(qū)大跨度偏壓隧道軟弱圍巖移動變形力學(xué)效應(yīng)分析［D］.保定:河北大學(xué)，2010.

［6］葉施虎.淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工監(jiān)測分析與處理［J］.上海國土資源，2012，33(1):83 －86.