軟弱圍巖中淺埋偏壓程度對大斷面隧道的開挖影響

王春林 劉剛伯 蒲 鷗 謝規(guī)球 趙建剛

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022； 2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

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·橋梁·隧道·

軟弱圍巖中淺埋偏壓程度對大斷面隧道的開挖影響

王春林1劉剛伯2蒲 鷗2謝規(guī)球1趙建剛1

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022； 2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

依托某軟弱圍巖中大斷面隧道工程實(shí)例，通過組合淺埋與偏壓因素，得到了12組工況，分別對大斷面隧道進(jìn)行了開挖數(shù)值模擬，分析了圍巖位移、應(yīng)力、錨桿軸力等變化情況，結(jié)果表明，埋深0 m～30 m，坡度為1∶1時對隧道造成的影響十分顯著。

隧道，軟弱圍巖，淺埋偏壓，大斷面

0 引言

依托某大斷面隧道，開挖跨度與高度分別為21.5 m，15 m，穿越了大段的淺埋偏壓土層，圍巖主要是軟弱圍巖，主要成分為全風(fēng)化硅質(zhì)砂巖。工程主要采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，因施工工序多且受地形因素影響，易引發(fā)工程事故[1，2]。

目前，于跟社采用數(shù)值分析的辦法，研究了淺埋偏壓荷載下對隧道的影響，并且結(jié)合檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行針對分析；劉宇[4]對于隧道施工過程的安全控制，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析淺埋偏壓隧道穩(wěn)定性；易亞濱[5]用有限元分析中的接觸單元來計算復(fù)合式襯砌在淺埋、偏壓荷載作用下，初期支護(hù)和二次襯砌之間的相互作用，以及它們各自受力狀況，為隧道復(fù)合式支護(hù)設(shè)計提供依據(jù)。但是，組合不同淺埋偏壓程度對隧道開挖影響的研究文獻(xiàn)較少[6]。

本文主要采取數(shù)值分析方法研究淺埋偏壓程度對隧道開挖的影響。

1 隧道施工數(shù)值模擬

1.1 建立模型與參數(shù)的選取

利用MIDAS GTS 有限元數(shù)值分析計算軟件，巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，錨桿采用植入型桁架單元、噴射混凝土初襯、二次襯砌、鋼支撐均采用梁單元模擬，強(qiáng)風(fēng)化砂巖采用面單元模擬；左右邊界距洞口距離分別為4倍隧道跨度，下邊界距拱底為4倍洞高，水平方向約束左右邊界，豎直方向約束下邊界，網(wǎng)格劃分圖如圖1所示，圖2為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工示意圖，圖2中數(shù)字表示施工步驟。

表1為施工過程中的各項(xiàng)參數(shù)。本文選取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對隧道進(jìn)行開挖工法模擬。

1.2 模擬工況的確定

考慮將覆蓋在模型頂部的土層分別取5 m，15 m，30 m，40 m；坡度取值為1∶1，1∶1.5，1∶2，共進(jìn)行12組工況組合，各工況組合如表2所示。

表1 圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)

表2 模擬工況

2 計算結(jié)果分析

2.1 隧道圍巖應(yīng)力分析

各工況圍巖應(yīng)力的數(shù)據(jù)見表3。

表3 圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)

由表3可得：1)在埋深不變的情況下，隨著坡度的減緩，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)呈向全受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變。即受拉區(qū)會逐漸減小，圍巖逐漸轉(zhuǎn)變成全受壓狀態(tài)；圍巖向地表方向移動的趨勢減??；2)在坡度不變的情況下，隨著埋深的增大，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)呈向全受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變。即受拉區(qū)會逐漸減小，圍巖逐漸轉(zhuǎn)變成全受壓狀態(tài)；圍巖向地表方向移動的趨勢減?。?)偏壓的主要影響埋深范圍在0 m～30 m，當(dāng)埋深為40 m時，隧道結(jié)構(gòu)只承受很小的偏壓荷載，基本不用考慮偏壓因素對隧道結(jié)構(gòu)造成的影響。這個規(guī)律與《公路隧道設(shè)計規(guī)范》上描述的圍巖偏壓影響分界值32.04 m較為接近；4)埋深在5 m～30 m，要加強(qiáng)隧道的初期支護(hù)，加強(qiáng)對偏壓范圍內(nèi)隧道施工的監(jiān)控量測，防止淺埋偏壓段對隧道初期支護(hù)造成破壞。

2.2 隧道圍巖位移分析

隧道拱頂圍巖位移數(shù)據(jù)見表4。

表4 隧道拱頂位移

由表4可得：

1)在埋深一樣的工況下，拱頂水平位移Ux，Uy位移值呈現(xiàn)隨著坡度的減緩而減小的趨勢，這是因?yàn)樵谄露葴p緩的工況下，偏壓荷載在減小。

2)在坡度一樣的工況下，隨著埋深的加大，隧道拱頂水平位移值呈減小的趨勢。

3)在坡度一樣的工況下，埋深在5 m～30 m內(nèi)，拱頂豎向位移隨著埋深的增加而增加，在30 m～40 m的埋深下，拱頂豎向位移趨于穩(wěn)定，不再隨著埋深的增加而增加，是因?yàn)樗淼郎戏礁采w土層隨著埋深的增大到一定程度后，會形成土拱效應(yīng)，即當(dāng)埋深超過一定的值時，增加覆蓋土厚度對隧道就不會造成顯著的影響，由上述結(jié)果可得，30 m是隧道淺埋與深埋的分界點(diǎn)。

4)在坡度1∶1.5和1∶2的工況下，隨著埋置深度的加大，隧道拱頂水平位移量值增量不顯著，是因?yàn)檫@兩個坡度相對來說較緩，引起的偏壓荷載較小，隨著埋置深度的加大，對偏壓荷載影響不大，所以隧道拱頂水平位移量值隨著埋深的增加變化不大。

5)坡度為1∶1時，隨著埋深的增加，雖然隧道拱頂水平位移趨勢為減小，但是量值依然較大。因此，當(dāng)隧道埋深為5 m～30 m，且出現(xiàn)較陡的坡度，即坡度不小于1∶1偏壓的工況，規(guī)劃設(shè)計時要加強(qiáng)該處的支護(hù)強(qiáng)度，施工時要采取合理的辦法去削弱偏壓的影響，并且在施工過程中加強(qiáng)對該處的監(jiān)測工作，保證工程的安全可靠。

2.3 隧道錨桿軸力分析

隧道錨桿軸力數(shù)據(jù)見表5。

由表5可得到：

在埋深一致的工況下，錨桿的最大拉力值隨著坡度減緩而減??；在坡度一致的工況下，錨桿的最大拉力值隨著埋深的增加而增加。左部的錨桿常處于受壓區(qū)。這是偏壓工況下錨桿受力特征不同于一般隧道中錨桿受力特征的工況。

表5 隧道錨桿軸力

3 結(jié)語

在軟弱圍巖下，通過組合淺埋與偏壓這兩種因素得到12種工況，分別對大斷面隧道開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

1)對圍巖應(yīng)力場分布而言，在埋深不變的工況下，隨著坡度的減緩，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)呈向全受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變；在坡度不變的工況下，隨著埋深的增大，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)呈向全受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變，偏壓的主要影響范圍在0 m～30 m，當(dāng)埋深為40 m時，基本不用考慮偏壓對隧道結(jié)構(gòu)造成的影響。

2)對于圍巖位移而言，在埋深一樣的工況下，拱頂水平位移Ux，Uy位移值呈現(xiàn)隨著坡度的減緩而減小的趨勢；在坡度一樣的工況下，隨著埋深的加大，隧道拱頂水平位移值呈減小的趨勢；在坡度一樣的工況下，埋深為5 m～30 m時，拱頂豎向位移隨著埋深加大而加大，超過30 m，埋深對隧道拱頂位移影響不顯著；坡度為1∶1工況下，隨著埋深的增加，雖然隧道拱頂水平位移趨勢為減小，但是量值依然較大；在坡度1∶1.5和1∶2的工況下，隨著埋置深度的加大，隧道拱頂水平位移量值增量不顯著；坡度不小于1∶1偏壓的工況，規(guī)劃設(shè)計時要加強(qiáng)該處的支護(hù)強(qiáng)度，施工時要采取合理的辦法去減小偏壓的影響。

3)對隧道錨桿受力分析而言，隧道左側(cè)錨桿處于受壓狀態(tài)，右側(cè)的錨桿基本處于受拉狀態(tài)?？梢钥醋魇亲髠?cè)錨桿的主要作用是為加強(qiáng)外側(cè)土體剛度以抵制來自隧道結(jié)構(gòu)的擠壓，防止外側(cè)的土體發(fā)生失穩(wěn)。

[1] 劉 會.偏壓淺埋隧道洞口施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2008(4):44-47，60.

[2] 周丁恒,曹力橋,馬永峰,等.四車道特大斷面大跨度隧道施工中支護(hù)體系力學(xué)性態(tài)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010(1):140-148.

[3] 唐純勇.基于正交試驗(yàn)設(shè)計的淺埋偏壓隧道有限元分析[D].西安：長安大學(xué)，2006.

[4] 劉 宇.基于隨機(jī)理論的淺埋偏壓隧道施工控制研究及工程應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[5] 易亞濱.淺埋、偏壓隧道復(fù)合式襯砌的相互作用和結(jié)構(gòu)計算[A].交通部科技教育司、交通部公路司、中國公路學(xué)會.第一屆全國公路科技創(chuàng)新高層論壇論文集公路設(shè)計與施工卷[C].2002.

[6] 張 敏.復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面隧道“零”進(jìn)洞工法技術(shù)體系及應(yīng)用研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2009.

The excavation effect of shallow buried bias in weak surrounding rock to large section tunnel

Wang Chunlin1Liu Gangbo2Pu Ou2Xie Guiqiu1Zhao Jiangang1

(1.CCCCFourthHighwayEngineeringBureauLimitedCompany,Beijing100022,China; 2.CivilEngineeringandArchitectureSchool,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

Based on a large section tunnel engineering in soft rock,through the combination shallow and bias factors,obtained 12 groups of conditions,respectively made excavation numerical simulation to large section tunnel,analyzed the variation situations of surrounding rock displacement,stress,bolt axial force etc.,the results showed that the buried depth of 0 m～30 m,slope 1∶1 had significant influence to tunnel.

tunnel,soft surrounding rock,shallow buried bias,large section

1009-6825(2016)29-0164-03

2016-08-08

王春林(1978- )，男，高級工程師

U455

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