淺埋彪水巖軟巖隧道開挖數(shù)值模擬研究

(昆明理工大學(xué),昆明 650500)

1 引言

近20年來，隨著我高等級公路或高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，公路隧道的建造取得了迅猛發(fā)展，截止2012年，我國已通車公路隧道10 022座，總長度8 053km，長度超過5 000m的已有20多座(不包括在建隧道)[1]。

隨著我國公路隧道建造技術(shù)的提高，修建的隧道發(fā)展趨勢逐漸向復(fù)雜地質(zhì)領(lǐng)域擴(kuò)展。尤其是近年來頻出的高等級公路或高速公路建設(shè)，出現(xiàn)了一批軟弱圍巖隧道工程。此類隧道工程修建難度大，工程事故頻發(fā)，往往成為隧道工程施工的重點控制性工程[2]。對于軟巖隧道的施工方法，國內(nèi)主要采用CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其思路是減小開挖斷面面積，將大斷面分割為幾個小斷面進(jìn)行分步施工，以利于隧道圍巖的穩(wěn)定性[3-4]。特別是淺埋、軟巖隧道往往成為施工的主要控制工程。

本文以香麗高速彪水巖軟巖隧道為研究背景，重點研究其淺埋、彪水巖軟巖隧道的工法，以摒棄過于保守或過于冒進(jìn)的施工方法，探索淺埋、彪水巖軟巖隧道的最優(yōu)工法，具有一定的工程意義，為類似工程提供借鑒。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 工程概況

圖1 彪水巖隧道平面位置示意圖

彪水巖軟巖隧道位于在建的香麗(香格里拉—麗江)高速虎跳峽地下立交公路段，香麗高速公路是云南省平均海拔最高的一條，也是云南第一條進(jìn)藏區(qū)穿越高寒地帶的高速公路，虎跳峽立交則是在國內(nèi)高原山區(qū)修建的第一條山區(qū)地下立交。主線隧道結(jié)構(gòu)總長2 031m(單洞長度)，B匝2號隧道全長276.413m，主線隧道設(shè)計時速80km/h、匝道設(shè)計時速60km/h，隧道最大埋深138m。洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)：按新奧法原理設(shè)計，采用初期支護(hù)和二次襯砌相結(jié)合的復(fù)合式襯砌，洞門及主體結(jié)構(gòu)按永久性建筑設(shè)計，設(shè)計使用年限為100年[3]。主線及匝道內(nèi)輪廓：仰拱內(nèi)輪廓的矢跨比在1/6～1/8之間； 主線隧道平曲線最小半徑R=1100m，最大縱坡2.73%； 對于車道數(shù)大于三車道的隧道內(nèi)輪廓，SE型深埋超大斷面隧道內(nèi)輪廓扁平率為0.554，最大開挖跨度達(dá)28.96m，最大開挖斷面面積358.7m2，為Ⅳ級圍巖，SC-1型斷面為極淺埋軟弱圍巖段。彪水巖隧道平面位置示意圖見圖1所示。

2.2 工程地質(zhì)條件

隧道區(qū)海拔高程介于2160～2310m 之間，相對高差約150m，起點里程YK75+314(ZK75+ 305)止點里程YK76+295(Zk76+237)。該段地勢相對陡峻，地形起伏較大。隧道右側(cè)約250m處及頂部有土路通過，交通條件相對較差。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭露結(jié)果，該隧道區(qū)段范圍內(nèi)分布地層為第四系坡殘積層(Q4dl+el)，下伏基巖為三疊系中統(tǒng)(T2)板巖、灰?guī)r。以上各地層巖層按照工程力學(xué)性能并結(jié)合工程特征共劃分為①～⑥個工程地質(zhì)單元層(單元層代號與縱斷面圖對應(yīng))，現(xiàn)自上而下分述如下：

①第四系坡殘積(Q4dl+el)層粉質(zhì)帖土：褐黃色，褐灰色，硬塑，局部夾板巖碎石； ②碎石土：呈褐黃色、褐灰色，硬塑，局部夾板巖碎石； ③板巖：呈褐灰、灰黑色，屬強(qiáng)風(fēng)化，巖體較破碎，巖石極軟； ④灰?guī)r夾板巖：呈深灰色，強(qiáng)風(fēng)化，巖體較破碎，卸荷裂隙發(fā)育且垂直坡面； ⑤灰?guī)r夾板巖：呈褐灰、深灰色，強(qiáng)、中風(fēng)化，巖體較完整，巖石較堅硬； ⑥板巖夾灰?guī)r：褐灰色，褐黃色，蘭灰色，灰黑色，中風(fēng)化，局部夾白色透鏡體灰?guī)r，巖體較破碎，巖石較軟。軟弱圍巖隧道地質(zhì)情況如圖2所示。

圖2 軟巖圍巖隧道SC-1型典型地質(zhì)縱斷面

3 隧道開挖方案數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本文選取軟巖段長度最長且埋深最淺的的SC-1型斷面作為研究對象，SC-1型隧道斷面右幅起點段長度105m，右幅終點段長度55m、開挖高度13m， 屬V級圍巖。

采用mohr-coulomb模型，各層接觸面參數(shù)由室內(nèi)剪切實驗確定，結(jié)果見表4。模型計算范圍：隧道拱底取35m、邊墻左右各取48.4m，隧道拱頂上覆巖土厚度取至地表約18m，模型按地層從上到下一共分為三層：第一層為16.69m板巖； 二層為11.31m較破碎的灰?guī)r夾板巖； 第三層為45m較完整的灰?guī)r夾板巖。模型尺寸：X=124m、Y=30m、Z=97m， 共18 656個節(jié)點和17 265個單元，分析時取開挖至20m的斷面作為研究對象。

3.2 主要模擬參數(shù)如表1-4所示。3.3 開挖方案數(shù)值模擬

淺埋、彪水巖軟巖隧道工程施工方案選擇關(guān)乎工程安全、投資、工期等要素。在對已有同類型隧道開挖方法研究的基礎(chǔ)上，選擇二臺階預(yù)留核心土、

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

圍巖等級容重(kN/m3)粘聚力(Mpa)內(nèi)摩擦角泊松比變形模量E(Gpa)側(cè)壓力系數(shù)V190.12220.391.30.4

表2 SC-1型襯砌主要支護(hù)參數(shù)

表3 SC-1斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

單側(cè)壁導(dǎo)坑、雙側(cè)壁導(dǎo)坑等開挖方法進(jìn)行數(shù)值模擬，以期確定該類地質(zhì)條件下合理的開挖方法，預(yù)測隧道施工中的險情，保證隧道施工安全和穩(wěn)定性[5-6]。

三種施工方法數(shù)值模型如圖3所示。

3.4 拱腳圍巖側(cè)向壓力分析

(1)圍巖受力分析

三種工法施工過程中的左右拱腳圍巖側(cè)向壓力曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，拱腳處水平圍壓從大到小順序為：二臺階留核心土法→單側(cè)壁導(dǎo)坑法→雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，最大圍壓值分別為0.26MPa、0.21MPa、0.13MPa。SC-1型斷面圍巖為V級、重度為19kN·m-13、隧道開挖高度13m、拱腳處上覆巖土體厚度約18m，根據(jù)公式：

q=γh

(1)

可以估算出拱腳處豎向圍巖壓力0.342MPa，V級圍巖側(cè)壓力系數(shù)取0.4，可推算出側(cè)向圍壓為0.136MPa，可知單側(cè)壁導(dǎo)坑法和二臺階法施工的側(cè)向圍壓大于理論計算值，采用這兩種工法時，拱腳圍巖已進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，由此推斷單側(cè)壁導(dǎo)坑法和二臺階預(yù)留核心土法施工不滿足安全要求，若要采用這兩種方法則需要另外采取加固措施； 而采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時，拱腳側(cè)向圍壓為0.12MPa，小于理論計算值，圍巖處于彈性變形狀態(tài)，是較為合理的開挖工法。

(a)二臺階預(yù)留核心土法

(b)單側(cè)壁導(dǎo)坑

(c)雙側(cè)壁導(dǎo)坑圖3 隧道開挖方法數(shù)值模型示意

表4 各層圍巖接觸面參數(shù)

(a)三種工法的左拱腳側(cè)向圍巖壓力

(b)三種工法的右側(cè)拱腳側(cè)向圍巖壓力圖4 三種工法施工過程中的左右拱腳圍巖側(cè)向壓力

(2)圍巖沉降對比分析

拱頂圍巖最大變形值變化曲線如圖5所示。

從圖5 可以看出：拱頂最大沉降從大到小順序為：二臺階預(yù)留核心土法→單側(cè)壁導(dǎo)坑法→雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖拱頂沉降值最小，圍巖穩(wěn)定性最高，相比而言，二臺階預(yù)留核心土法施工時，拱頂圍巖沉降高達(dá)35mm，圍巖極易失穩(wěn)，從圍巖變形情況分析，二臺階預(yù)留核心土法不適合用于SC-1型淺埋軟弱圍巖隧道施工。

由以上分析可知：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是較為安全合適的開挖方法。而隧道施工現(xiàn)場正是采用該方法進(jìn)行施工。

圖5 三種工法的拱頂圍巖沉降

4 現(xiàn)場監(jiān)測及分析

SC-1型淺軟巖段隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，監(jiān)測器材使用振弦式土壓力盒，分別測取左右拱腳壓力變化值，測點隨施工進(jìn)度分別埋設(shè)。待初噴混凝土達(dá)到初凝強(qiáng)度后開始測取讀數(shù)[8]。

實測得到SC-1斷面左右拱腳圍巖壓力分析如圖6所示。

(a)左側(cè)拱腳圍巖壓力

(b)右側(cè)拱腳圍巖壓力圖6 實測SC-1斷面拱腳處圍巖壓力

從圖6可以看出：左側(cè)拱腳圍巖實測最大圍巖壓力值為0.14MPa，比公式(1)推算的側(cè)向壓力理論值0.136MPa略大。右側(cè)拱腳最大圍巖壓力值為0.170MPa，略大于理論估算值。根據(jù)檢測結(jié)果可知該斷面存在明顯的偏壓變形。目前該斷面尚未發(fā)現(xiàn)拱頂開裂、掉塊等現(xiàn)象?？深A(yù)知：兩側(cè)拱腳圍巖處于彈塑性臨界工作狀態(tài)，為保證圍巖的穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)拱腳注漿，增打鎖腳錨桿等措施。

在相應(yīng)SC-1斷面地表進(jìn)行沉降觀測，埋設(shè)位置如圖7所示[7]。

圖7 SC-1斷面地表沉降觀測點

監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 相應(yīng)SC-1斷面地表沉降觀測

通過圖8的監(jiān)控結(jié)果可知：SC-1型隧道段開挖端口(YK76+289)處最大沉降值為0.81mm，累計總沉降值為5.84mm； YK76+284斷面最大沉降值為0.56mm，累計沉降值為3.28mm； YK76+279斷面最大沉降值為0.34mm，累計沉降值為1.79mm； YK76+274斷面最大沉降值為0.18mm，累計沉降值為0.88mm， 10月29日之后沉降值逐漸收斂。由監(jiān)測結(jié)果可知淺埋軟巖段隧道地表最大沉降值主要出現(xiàn)在距離開挖端5m左右地段，隨離開里程增加逐漸減小，沉降主要集中在開挖段5m范圍內(nèi)。隧道開挖后，地表出現(xiàn)4mm左右裂縫，最大沉降值達(dá)5.84mm，需要加強(qiáng)超前支護(hù)措施，毛洞開挖完成后需要及時安裝初期支護(hù)和二襯。

5 結(jié)論

(1)采用傳統(tǒng)分部工法中的二臺階預(yù)留核心土法和單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時，兩種方法拱腳圍巖均進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)、前者初襯瀕臨破壞，可知這兩種工法不適合淺埋彪水巖軟巖隧道施工；

(2)數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：淺埋、彪水巖軟巖隧道采用雙側(cè)導(dǎo)壁法施工方案時，襯砌結(jié)構(gòu)受力良好，能夠滿足地表沉降要求。在造價預(yù)算充足的情況下，是對沉降量有嚴(yán)格要求的工程項目的首選方案； 造價預(yù)算不充裕的情況下，也可以采用通過加強(qiáng)單側(cè)導(dǎo)壁工法的支護(hù)參數(shù)，使其滿足淺埋段地表沉降要求。該研究可指導(dǎo)類似隧道工法的選擇。