松散堆積體隧道洞口段鋼拱架間距對(duì)隧道穩(wěn)定性影響研究

熊明康，王宗學(xué)，張 航，錢志豪

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)股份有限公司公路三分公司,四川成都 610200; 2.西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

我國(guó)西部開發(fā)建設(shè)中，不得不穿越松散堆積體而修建隧道，松散堆積體隧道洞口段圍巖極其破碎、自穩(wěn)能力差，增加了隧道施工的困難和成本，以及人員事故風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須重視此類圍巖的初期支護(hù)參數(shù)，控制圍巖變形，增加支護(hù)強(qiáng)度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了解決松散堆積體施工問題，做了大量研究：楊建周等在室內(nèi)松散堆積體大直徑試件力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬提出超前小導(dǎo)管預(yù)加固的施工方法；謝亦朋等依托云南省羅打拉隧道，結(jié)合圖像數(shù)字處理技術(shù)，探討了隧道開挖引起的堆積體圍巖變形、破壞過程及失穩(wěn)機(jī)制，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證；馬杲宇等基于雅康高速日地1號(hào)隧道開展了松散斜坡堆積體隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)體系力學(xué)行為的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)其圍巖變形機(jī)理與支護(hù)結(jié)構(gòu)非對(duì)稱受力特性進(jìn)行了研究；周世一依據(jù)珠峰隧道提出了堆積體綜合治理方案；昝文博等采用有限元法對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)地表沉降、周邊圍巖位移和掌子面擠出變形進(jìn)行了分析；宋志榮等結(jié)合二郎山隧道工程實(shí)例，提出了大范圍松散堆積體條件下的進(jìn)洞方法。

松散堆積體隧道施工仍不可避免的發(fā)生事故，且針對(duì)不同鋼拱架間距的研究較少。鋼拱架間距過大，初期支護(hù)剛度不夠，導(dǎo)致支護(hù)變形甚至失穩(wěn)；鋼拱架間距過密，浪費(fèi)鋼材，提高工程造價(jià)。因此本文以火鳳山隧道為依托，對(duì)松散堆積體隧道洞口段不同鋼拱架間距進(jìn)行了分析研究，為該隧道鋼拱架間距提供參考，為類似工程支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

火鳳山隧道位于重慶市兩江新區(qū)曾家?guī)r北延伸段，為小凈距雙洞單向三車道隧道，是重慶主城區(qū)和兩江新區(qū)往來交通的關(guān)鍵工程。隧道單洞凈寬13.25 m，凈高4.5 m，穿越主要由粉質(zhì)黏土和碎、塊石組成的素填土區(qū)域，暴雨工況下易沿原填土界面或填土內(nèi)部產(chǎn)生圓弧滑動(dòng)，隧道的開挖可能誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)，洞口自穩(wěn)能力差，支護(hù)困難。根據(jù)工程勘察資料，隧道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖的力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

基于火鳳山隧道洞口段的地形圖，建模時(shí)山體范圍延隧道縱向取150 m，橫向?qū)挾葹樗淼乐行木€向邊側(cè)取50 m，底部取到隧道底部以下35 m處，頂部至自然坡面。模型的邊界條件設(shè)置為左、右、后三個(gè)邊界面限制垂直于平面方向的位移，底面限制垂直于平面和平行于平面方向的位移，前邊界面隧道開挖處采用自由界面，周圍噴射的混凝土采用Shell單元模擬，上邊界面坡體采用種草護(hù)坡，也采用Shell單元進(jìn)行模擬。隧道圍巖特性按彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，圍巖采用實(shí)體單元，錨桿使用Cable單元，噴射混凝土層和鋼筋網(wǎng)根據(jù)抗壓強(qiáng)度等效準(zhǔn)則合并使用Shell單元。利用MIDAS-GTS建立火鳳山隧道的數(shù)值計(jì)算模型(圖1)。

圖1 計(jì)算模型

2.2 數(shù)值計(jì)算工況

研究松散堆積體隧道洞口段不同鋼拱架間距對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，以依托工程火鳳山隧道設(shè)計(jì)工法與支護(hù)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立隧道三維分析模型，模擬在不同鋼拱架間距的條件下隧道開挖后隧道洞周位移和初期支護(hù)應(yīng)力進(jìn)行分析。選取的3種鋼拱架間距分別為40 cm、50 cm、60 cm。

為了突出所研究支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)支護(hù)體系的影響，在對(duì)某一支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，將其他支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置為在JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》允許范圍內(nèi)的較低標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)具體設(shè)置值見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)設(shè)置值

鋼拱架利用鋼材的韌性彌補(bǔ)了混凝土的脆性缺陷，使初期支護(hù)成為真正的剛?cè)峤Y(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)。鋼拱架的間距是初期支護(hù)剛度的主要影響參數(shù)，鋼拱架越密集則初期支護(hù)的剛度越大，對(duì)圍巖的變形控制越有效，但圍巖應(yīng)力釋放少對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載就越大，對(duì)初期支護(hù)材料強(qiáng)度的要求就越高；鋼拱架越稀疏則情況相反。因此，合理的鋼拱架間距即要使初期支護(hù)的剛度足夠保持圍巖變形在控制范圍內(nèi)，又要使圍巖應(yīng)力釋放一定程度以保證初期支護(hù)不發(fā)生材料強(qiáng)度破壞。本次計(jì)算鋼拱架間距分為40 cm、50 cm、60 cm三種工況。表3列出了不同鋼拱架間距下折算出的初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)。

表3 不同拱架間距力學(xué)參數(shù) GPa

3 計(jì)算結(jié)果分析

在松散圍巖體地層中，為研究鋼拱架間距對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，提取了3種工況下開挖后斷面的拱肩、拱腰和拱腳的收斂值、拱頂?shù)某两抵岛凸暗椎穆∑鹬狄约俺跗谥ёo(hù)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。具體計(jì)算結(jié)果如下。

3.1 隧道洞周位移

圖2給出了鋼拱架間距50 cm開挖后隧道斷面拱肩、拱腰和拱腳的收斂值和拱頂?shù)某两抵狄约肮暗椎穆∑鹬怠?/p>

(a)隧道開挖30 m豎向位移

(b) 隧道開挖60 m豎向位移圖2 鋼拱架間距50 cm開挖后隧道洞周位移

由圖可知，隨著掌子面的推進(jìn)，隧道各特征點(diǎn)的位移值也不斷增大。隧道開挖后，在掌子面前方一定范圍內(nèi)，已經(jīng)產(chǎn)生了一定的小變形，隨著掌子面的推進(jìn)，拱頂下沉不斷增大，其初期下沉速率很大，而后速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。在開挖完成30 m斷面處，左線隧道：拱頂沉降最大值達(dá)到了4.37 cm，拱肩沉降最大值達(dá)到了2.83 cm；隧道底部隆起最大值達(dá)到了7.47 cm；在開挖完成60 m斷面處，拱頂沉降最大值達(dá)到了11.85 cm，拱肩沉降最大值達(dá)到了8.44 cm；隧道底部隆起最大值達(dá)到了10.42 cm。鋼拱架間距40 cm和60 cm兩種工況下洞周位移規(guī)律和上述工況一致，只是在量值上有所差異。為了研究方便，提取不同工況下的洞周位移最大值見表4。

表4 洞周位移最大值 mm

由表4可知在三種不同工況下隧道洞口段開挖引起的洞周收斂呈拱腳大于拱腰大于拱肩的分布規(guī)律，隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起。不同工況下的隧道洞周位移值具有一定的差異，隧道洞周位移值隨著鋼拱架間距的增大而增大。

3.2 初期支護(hù)應(yīng)力

圖3給出了鋼拱架間距50 cm的支護(hù)條件下距隧道洞口60 m隧道斷面初期支護(hù)的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的變化情況。

(a) 開挖30m第一主應(yīng)力

(b) 開挖60m第一主應(yīng)力

(c) 開挖30m第三主應(yīng)力

(d)開挖60m第三主應(yīng)力

從圖3中可以看出：隨著開挖的逐漸深入，初期支護(hù)的受力逐漸增加，尤其表現(xiàn)在拱肩位置的第一主應(yīng)力以及邊墻位置的第三主應(yīng)力。從第一主應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)開挖完成30 m時(shí)，最大拉應(yīng)力最大值處于拱肩處，達(dá)到了4.01 MPa；當(dāng)開挖完成60 m時(shí)，隨初期支護(hù)長(zhǎng)度的增加，最大拉應(yīng)力最大值也同樣出現(xiàn)在拱肩位置，增大至5.41 MPa。隧道出現(xiàn)的該拉應(yīng)力分布情況應(yīng)為隧道襯砌縱向發(fā)生不均勻位移導(dǎo)致的初期支護(hù)翹曲產(chǎn)生的，計(jì)算值已超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，實(shí)際施工中隧道底部可能會(huì)產(chǎn)生環(huán)向裂縫。從第三主應(yīng)力云圖來看，除洞門頂部位置存在極小部分拉應(yīng)力外，初期支護(hù)總體承受壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力最大值位于邊墻處，當(dāng)開挖完成30 m時(shí)，最大壓應(yīng)力為8.22 MPa；當(dāng)開挖完成60 m時(shí)，最大壓應(yīng)力增大至11.22 MPa。隨著開挖的進(jìn)行，最大壓應(yīng)力位置由拱腰向拱腳處轉(zhuǎn)移，量值越來越大。剛拱架間距40 cm與60 cm的初期支護(hù)應(yīng)力云圖與上述工況規(guī)律相似，只是在量值上有所差異，礙于篇幅所限不再贅述，為方便研究將各工況下最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力值整理于表5。

由表可知，隨著開挖的不斷進(jìn)行，最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力不斷增大，在不同鋼拱架間距下，受力分布規(guī)律上并未出現(xiàn)明顯區(qū)別，只是在量值上有一定差異，隨著鋼拱架間距的增加，第一、第三主應(yīng)力逐漸減小。

4 結(jié)論

針對(duì)松散堆積體隧道洞口段圍巖極其破碎、自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)，采用FLAC3D數(shù)值軟件分析了不同鋼拱架間距對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力的變化特征。主要得出以下結(jié)論：

表5 最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力 MPa

(1)從洞周位移進(jìn)行分析，在三種不同的鋼拱架間距下，洞周位移規(guī)律沒有明顯差別，只是在量值上有所差異。隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，隧道拱底產(chǎn)生較大隆起，洞周收斂呈拱底大于拱頂大于拱肩的分布規(guī)律；三種不同工況下的隧道變形量具有一定的差異，隧道圍巖變形值隨鋼拱架間距的增加而增加。

(2)從第一主應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，在三種不同鋼拱架間下，隧道最大拉應(yīng)力最大值處于隧道拱肩位置，拉應(yīng)力分布情況應(yīng)為隧道襯砌縱向發(fā)生不均勻位移導(dǎo)致的初期支護(hù)翹曲產(chǎn)生的，計(jì)算值已超過混凝土的抗拉強(qiáng)度；從第三主應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，初期支護(hù)總體承受壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力最大值處于邊墻位置，隨著開挖的進(jìn)行，最大壓應(yīng)力位置由拱腰向拱腳處轉(zhuǎn)移，量值越來越大。

(3)對(duì)松散堆積體土層隧道進(jìn)行開挖計(jì)算，從圍巖變形及第一、第三主應(yīng)力來看，在不同鋼拱架間距下，受力分布規(guī)律上并未出現(xiàn)明顯區(qū)別，只是在量值上有一定差異。隨著鋼拱架間距的增加，圍巖變形有所增加，第一、第三主應(yīng)力逐漸減小，但增加鋼拱架間距可以減少實(shí)際工程造價(jià)。