畢志剛,李文杰,呂文國,王 凱,梁 斌*
(1.中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司,西安 710018;2.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,洛陽 471023)
山嶺地區(qū)修建隧道工程,由于地形復(fù)雜加上交通受限,公路隧道洞口段通常會采用小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式[1-4]。小凈距隧道工程中,上行、下行隧道間距降低到合理的寬度,充分利用了中夾巖的承載作用,尤其在淺埋偏壓地質(zhì)條件下,中夾巖柱的穩(wěn)定性尤為重要。中夾巖厚度相對較小,在先行隧道和后行隧道多次爆破開挖施工影響下,局部位置容易出現(xiàn)塑性破壞。
小凈距隧道施工,中夾巖的穩(wěn)定性關(guān)系到隧道施工安全,許多學(xué)者針對小凈距隧道施工開展了相應(yīng)研究?;诙S彈塑性數(shù)值計(jì)算方法,姚勇等[5]研究了多種圍巖不同小凈距寬度條件下平行雙洞隧道中夾巖墻受力和變形的時(shí)程變化。以大坪山隧道為工程背景,孟凡兵等[6]采用新中夾巖累積損傷新計(jì)算方法,預(yù)測爆破施工引起的中夾巖累計(jì)損傷。張帆等[7]從新建隧道與既有隧道之間的合理巖柱的留設(shè)、新建隧道的施工方法以及支護(hù)方式等方面,采用數(shù)值模擬方法分析新平風(fēng)嶺隧道的穩(wěn)定性控制問題。劉蕓等[8]通過數(shù)值模擬方法,研究了不同中夾巖加固方法及其組合的作用效果。通過數(shù)值模擬計(jì)算方法,趙秀紹等[9]研究了后行隧道開挖對中夾巖的擾動影響,并分析針對性措施的中夾巖注漿效果。陳秋南等[10]研究花崗巖殘積土圍巖小凈距隧道施工工法優(yōu)化和不同偏壓率對其最小合理間距的影響,并通過現(xiàn)場監(jiān)測分析中夾巖的加固部位。戴俊等[11]通過數(shù)值模擬方法研究了小凈距隧道不同開挖方法條件下圍巖和支護(hù)的力學(xué)特性,重點(diǎn)分析了隧道施工中夾巖的力學(xué)特性。姚云[12]采用數(shù)值模擬方法,研究小凈距隧道施工中夾巖的穩(wěn)定性,并分析注漿加固對提高中夾巖穩(wěn)定性的作用效果。李享松等[13]根據(jù)邊坡穩(wěn)定性力學(xué)機(jī)理和極限平衡假定,建立小凈距隧道中夾巖安全性理論分析計(jì)算模型,提出破裂面上方滑塊體的下滑力、抗滑力及中夾巖穩(wěn)定性安全系數(shù)的計(jì)算方法。采用數(shù)值模擬方法,李軍[14]研究了不同凈距和坡度條件下中夾巖的塑性區(qū)分布規(guī)律,并研究針對性的注漿處置措施。孫闖等[15]采用數(shù)值模擬方法,研究了弱節(jié)理?xiàng)l件下不同凈距中夾巖的塑性區(qū)分布,同時(shí)分析中夾巖的穩(wěn)定性,得到合適的隧道間距?;诂F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),丁玉仁[16]研究了小凈距群施工過程中中夾巖水平位移規(guī)律。郝瑞軍[17]采用數(shù)值模擬方法,研究了陡傾結(jié)構(gòu)面地質(zhì)條件下小凈距隧道施工時(shí)圍巖力學(xué)特性。
小凈距隧道施工過程中,根據(jù)圍巖條件,選擇合適的施工方法,應(yīng)減少隧道施工對中夾巖的擾動效應(yīng),同時(shí)采取一定的措施對中夾巖進(jìn)行加固,確保隧道施工安全?,F(xiàn)依托中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司承擔(dān)的福建省三明市莆炎高速公路布盂隧道工程,基于中夾巖側(cè)向加固理論,通過數(shù)值模擬方法研究淺埋偏壓小凈距隧道中夾巖與初期支護(hù)的力學(xué)特性,分析隧道開挖對中夾巖穩(wěn)定性的影響,提出現(xiàn)場中夾巖加固措施,以期為類似工程施工提供重要指導(dǎo)。
布盂隧道進(jìn)口位于福建省尤溪縣新陽鎮(zhèn)高士村布盂境內(nèi),出口位于大田縣文江鄉(xiāng)橋下村。布盂隧道為分離式隧道,進(jìn)口線間距約 18 m,出口線間距約 19 m,根據(jù)JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]要求,進(jìn)出口位置屬于小凈距隧道。右線設(shè)計(jì)里程樁號為 K196+225~K197+304,長1 079 m;左線設(shè)計(jì)里程樁號為 Z3K196+298~Z3K197+290,長 992 m,整體呈北東~南西走向,屬于長隧道。隧道進(jìn)出口均位于山坡半山腰,交通較為不便,隧道左右線進(jìn)口如圖1所示。
圖1 隧道左右線進(jìn)口Fig.1 Entrance of left and right line of the tunnel
隧道進(jìn)口段地形呈緩坡段,植被發(fā)育,山體上部地形自然坡度10°~15°,山體下部坡度 20°~30°,主要有殘坡積粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土和全~強(qiáng)風(fēng)化肉紅色花崗巖,土層呈松散狀,可塑-硬塑;巖層強(qiáng)風(fēng)化裂隙發(fā)育,呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)。洞口處土體穩(wěn)定性較差,雖然目前坡體基本穩(wěn)定,洞口邊仰坡和兩側(cè)邊坡開挖后易引起坍塌,進(jìn)口段埋藏淺,且土體厚度大,圍巖等級為Ⅴ級。隧道出口段植被發(fā)育,地形自然坡度 25°~30°,圍巖主要包括殘坡積粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。土層松散,可塑-硬塑;強(qiáng)風(fēng)化巖裂隙發(fā)育,呈碎石狀,圍巖穩(wěn)定性很差,洞口仰坡和兩側(cè)邊坡易坍塌,圍巖級別為Ⅴ級。
圖2 小凈距段襯砌結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Lining structure of small spacing section
圖3 中隔壁法施工工序Fig.3 Construction procedure of center cross diaphragm (CRD)method
隧道洞口圍巖軟弱破碎,為確保小凈距隧道開挖時(shí)中夾巖的穩(wěn)定性,減少爆破震動的不利影響,同時(shí)滿足中夾巖特定的加固要求,在Ⅴ級圍巖條件下,洞口的開挖選擇中隔壁法。洞口小凈距段襯砌結(jié)構(gòu)如圖2所示,中隔壁法施工工序如圖3所示。隧道左右線均采用中隔壁法開挖,右洞先行開挖,左洞后行開挖,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為隧道開挖步序,先行洞開挖超前1.5倍洞徑以上。隧道洞口中隔壁法開挖具體步驟為:①分步開挖Ⅰ和Ⅱ部,施作初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù),并設(shè)置鎖腳鋼管;②分步開挖Ⅲ和Ⅳ部,施作初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù),并設(shè)置鎖腳錨桿;③拆除臨時(shí)中隔壁鋼架,而后澆筑該段仰拱;④灌筑該段仰拱填充;⑤待初期支護(hù)收斂后,拆除臨時(shí)鋼架,采用襯砌模板臺車澆筑二襯。
布盂隧道進(jìn)出口位置屬于淺埋偏壓地層,圍巖軟弱破碎,穩(wěn)定性很差。由于地形條件限制,進(jìn)出口段設(shè)計(jì)為小凈距隧道,且存在隧道跨度大、圍巖壓力不對稱、中夾巖施工易擾動等特點(diǎn),進(jìn)洞較困難。為此,開展隧道開挖過程中圍巖力學(xué)特性、中夾巖穩(wěn)定性和加固方法相關(guān)研究,確保施工進(jìn)度與安全。
小凈距隧道中夾巖的厚度相對較小,先行洞施工時(shí),需要對中夾巖全面加固,增加其整體穩(wěn)定性,減小中夾巖因兩側(cè)圍巖開挖而產(chǎn)生的變形。小凈距隧道開挖支護(hù)完成后,初期支護(hù)和注漿錨桿為中夾巖柱提供一定的側(cè)向約束,從而提高中夾巖的穩(wěn)定性[19]。隧道圍巖屬于脆性材料,其失穩(wěn)破壞主要表現(xiàn)為拉伸破壞以及剪切破壞,根據(jù)摩爾庫侖定律可以求得圍巖內(nèi)部剪應(yīng)力大小。
τmax=(σ1-σ3)/2
(1)
式(1)中:σ1、σ3分別為中夾巖內(nèi)部第1、第3主應(yīng)力;τmax為中夾巖內(nèi)部最大剪應(yīng)力。
如果中夾巖側(cè)壁不施加約束,則圍巖表面σ3=0,τmax=σ1/2;而對中夾巖施加側(cè)向約束后,σ3>0,τmax=(σ1-σ3)/2。因此,當(dāng)中夾巖受到初支和注漿錨桿的側(cè)向約束后,圍巖應(yīng)力處于三維受壓狀態(tài),圍巖的抗壓強(qiáng)度相應(yīng)提高,同時(shí)減少了圍巖拉應(yīng)力區(qū),也大大降低了圍巖內(nèi)部的剪應(yīng)力。施加側(cè)向約束能夠改善中夾巖的受力狀態(tài),提高圍巖的承載能力,根據(jù)摩爾庫倫定理論可知[20],中夾巖換算強(qiáng)度為
(2)
式(2)中:Rh為中夾巖換算強(qiáng)度,kPa;Pi為初期支護(hù)壓力,kPa;φ0為中夾巖摩擦角,(°);Rj為隧道圍巖抗壓強(qiáng)度,kPa。
由上述計(jì)算可知,中夾巖對上部圍巖的支撐力為
(3)
式(3)中:Kz為中夾巖支撐力安全系數(shù),通常取Kz=2;Bzp為中夾巖有效承載寬度,m。
數(shù)值計(jì)算采用Midas GTS有限元軟件建立隧道洞口小凈距段施工三維模型,模型橫向尺寸為150 m,高度為 80 m,縱向開挖長度為 30 m,模型左右邊界施加x方向約束,底部邊界施加z方向約束,頂部為自由邊界。模型地層主要包括 4 m粉質(zhì)黏土層、6 m 碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、50~80 m中風(fēng)化花崗巖層,地層采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬,本構(gòu)模型選擇摩爾庫倫模型;初期支護(hù)、中隔壁采用二維板單元進(jìn)行模擬,為彈性本構(gòu)模型;系統(tǒng)錨桿、中夾巖注漿小導(dǎo)管采用植入式桁架進(jìn)行模擬,為彈性本構(gòu)模型。模型隧道開挖分 12 個(gè)循環(huán),每個(gè)開挖循環(huán)為 1 m,三維有限元模型如圖4所示,物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
圖4 計(jì)算模型Fig.4 Numerical calculation model
表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of materials
圖5 圍巖水平位移和豎向位移Fig.5 Horizontal displacement and vertical displacement of surrounding rock
圖6 圍巖最大剪應(yīng)力和von mises應(yīng)力Fig.6 Maximum shear stress and von mises stress of surrounding rock
布盂隧道洞口段屬于小凈距隧道,右洞先行開挖,左洞后行開挖,左右線隧道貫通后圍巖水平方向和豎向圍巖位移如圖5所示,最大剪應(yīng)力和von mises應(yīng)力如圖6所示。隧道洞口段屬于淺埋偏壓地層,左右線隧道頂部坡面粉質(zhì)黏土層出現(xiàn)較大的水平位移,其中左線隧道拱頂右側(cè)坡面最大水平位移為 10.7 mm,方向沿坡面向下。隧道頂部粉質(zhì)黏土層與碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖界面易產(chǎn)生相對滑動,相應(yīng)位置需要重點(diǎn)加固。右線隧道頂部巖層豎向位移較大,最大豎向位移為 24.7 mm,隧道拱頂部位應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測且加強(qiáng)支護(hù)。左右線隧道拱腰和邊墻位置中夾巖剪應(yīng)力和von mises應(yīng)力較大,是圍巖剪切拉伸破壞的主要部位;同時(shí)由于淺埋偏壓地層的影響,右線隧道拱腳位置圍巖出現(xiàn)剪應(yīng)力和von mises應(yīng)力極值,最大剪應(yīng)力為 0.75 MPa,最大von mises應(yīng)力為 1.36 MPa。右線隧道拱腳位置應(yīng)加強(qiáng)支護(hù),增設(shè)鎖腳錨桿,且隧道二襯應(yīng)緊跟施作,減小地層偏壓對隧道初支受力的影響。小凈距隧道右洞先行開挖,左洞后行開挖,中夾巖受到多次擾動,隧道拱頂、拱腰和拱腳不同位置均出現(xiàn)較大的變形和應(yīng)力,應(yīng)針對性采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處治。
布盂隧道洞口段地層為淺埋偏壓地層,且洞口段屬于小凈距隧道,洞口段開挖過程中初支水平收斂與拱頂沉降時(shí)程曲線如圖7所示,左右線隧道初支最大剪應(yīng)力和von mises應(yīng)力如圖8所示。
由圖7可知,左線隧道拱腰最大水平收斂為 3.4 mm,最大拱頂沉降 15.0 mm;右線隧道拱腰最大水平收斂為 3.9 mm,最大拱頂沉降 24.5 mm。隧道開挖采用中隔壁法,施工時(shí)開挖斷面相對較小,但與初支其他位置相比,拱腰位置的水平收斂較大,左右線拱腰位置水平收斂平均值為 3.7 mm。由于洞口淺埋偏壓地層的影響,右線隧道拱頂沉降稍大,較左線大 9.5 mm,隧道洞口施工應(yīng)提高右線隧道監(jiān)測頻次,開挖面應(yīng)及時(shí)封閉成環(huán)。
由圖8可知,左右線隧道拱腰位置均出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力和von mises應(yīng)力,與臨近位置隧道中夾巖應(yīng)力分布一致,且右線隧道左拱腰附近應(yīng)力值較大,最大剪應(yīng)力為 0.90 MPa,最大von mises應(yīng)力為 1.60 MPa。隧道施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù),支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán),為中夾巖提供一定的側(cè)向約束,減少中夾巖塑性破壞,保證隧道施工安全。
圖7 初支水平收斂和拱頂沉降Fig.7 Horizontal convergence and vault settlement of initial support
隧道左右線貫通后,中夾巖水平位移如圖9所示,由于隧道洞口地層淺埋偏壓,左右線隧道拱腰連線圍巖向左出現(xiàn)水平位移,且圍巖水平位移呈先增大后減小再增大的趨勢。在偏壓地層條件下,右線隧道拱腰位置水平向左位移為 3.1 mm,左線隧道拱腰位置水平向左位移為 5.4 mm。為了加固小凈距隧道中夾巖,小凈距段施工采用小導(dǎo)管注漿加固中夾巖,小導(dǎo)管采用外徑Φ42 mm,長度為 5.0 m的熱軋無縫鋼管,加固范圍為邊墻腳至設(shè)計(jì)標(biāo)高向上6 m,沿隧道施工方向小導(dǎo)管平插角為45°。為了分析中夾巖注漿效果,模型隧道前8個(gè)開挖循環(huán)施作注漿小導(dǎo)管,后4個(gè)開挖循環(huán)未施作注漿小導(dǎo)管,注漿小道管注漿模型如圖10所示。
模型隧道后4個(gè)開挖循環(huán)未施作中夾巖注漿小導(dǎo)管,未注漿段隧道拱腰和拱腳位置中夾巖x方向應(yīng)變?nèi)鐖D11和圖12所示。沿隧道開挖方向,拱腰位置中夾巖x向應(yīng)變逐漸增大,左右線隧道拱腰位置最大應(yīng)變值分別為0.018和0.033,由于偏壓地層的影響,右線隧道拱腰附近中夾巖x向應(yīng)變稍大。
圖9 中夾巖水平位移Fig.9 Horizontal displacement of middle rock column
圖10 小導(dǎo)管注漿加固Fig.10 Small pipe grouting reinforcement
圖11 未注漿段拱腰中夾巖x方向應(yīng)變Fig.11 x-direction strain of middle rock column in the arch waist of non grouting section
圖12 未注漿段拱腳中夾巖x方向應(yīng)變Fig.12 x-direction strain of middle rock column in the arch foot of non grouting section
沿隧道開挖方向,拱腳位置中夾巖x向應(yīng)變逐漸增大,左右線隧道最大應(yīng)變值均為0.006,較拱腰位置應(yīng)變值相對較小。中夾巖注漿小導(dǎo)管長 5.0 m,以45°平插角隧道施工方向施作,模型隧道后4開挖循環(huán)臨近前部注漿位置,仍受到小導(dǎo)管注漿加固作用影響,x向應(yīng)變相對較小。由未施作注漿小導(dǎo)管中夾巖x向應(yīng)變變化規(guī)律可知,注漿小導(dǎo)管能夠很好地加固中夾巖,減小中夾巖的變形量。
左右線隧道貫通且中夾巖注漿小道管施作完成后,拱腰和拱腳位置中夾巖von mises應(yīng)力如圖13所示。中夾巖注漿加固后,圍巖應(yīng)力值較大部位集中于隧道初期支護(hù)側(cè),且右線隧道臨近初支中夾巖von mises應(yīng)力較左線稍大,在 0.69~0.78 MPa區(qū)間。由圖13可知,通過施作中夾巖注漿小導(dǎo)管,中夾巖得到很好的加固,同時(shí)也增強(qiáng)了圍巖和初支協(xié)同承載效果。
圖13 拱腰和拱腳位置中夾巖von mises應(yīng)力Fig.13 Von mises stress of middle rock column at the arch waist and arch foot
圖14 不同開挖斷面圍巖塑性區(qū)Fig.14 Plastic zone of surrounding rock at different excavation sections
為了分析注漿小導(dǎo)管對圍巖塑性區(qū)的影響,隧道模型分別截取第8開挖循環(huán)和第12開挖循環(huán)不同截面,如圖14所示。距端面 8 m截面屬于模型隧道第8開挖循環(huán),由于注漿小導(dǎo)管以45°平插角施作,該開挖循環(huán)中夾巖仍受到前一循環(huán)中夾巖注漿的影響,圍巖塑性區(qū)較小,僅僅出現(xiàn)在左右線隧道拱腰以及右線隧道右拱腳位置。距端面 12 m截面屬于模型隧道第12開挖循環(huán),由于未進(jìn)行中夾巖注漿且距前部注漿部位較遠(yuǎn),左線隧道拱頂和右拱腰位置出現(xiàn)較大塑性區(qū),有效塑性應(yīng)變分別為0.001和0.004;右線隧道左右拱腰和邊墻位置均出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū),其中左拱腰位置中夾巖塑性應(yīng)變較大,最大值為0.031。由塑性區(qū)分布可知,小導(dǎo)管注漿能夠很好加固中夾巖,保證隧道小凈距段施工安全。
結(jié)合中夾巖注漿加固數(shù)值模擬分析結(jié)果,根據(jù)JTG F60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[21]和現(xiàn)場施工設(shè)計(jì),隧道洞口小凈距段進(jìn)行中夾巖注漿加固。中夾巖采用Φ42 mm小導(dǎo)管進(jìn)行注漿,小導(dǎo)管為壁厚 3.5 mm、長度 5.0 m的熱軋無縫鋼花管,施工平插角為45°。根據(jù)不同圍巖條件,施工間距分為0.6 m×1.0 m(環(huán)×縱)、0.8 m×1.0 m(環(huán)×縱)兩種,加固范圍為邊墻至設(shè)計(jì)標(biāo)高向上 6 m。中夾巖注漿小導(dǎo)管施工設(shè)計(jì)如圖15所示。
圖15 中夾巖注漿施工設(shè)計(jì)Fig.15 Grouting design of middle rock column
中夾巖注漿加固施工可參照超前小導(dǎo)管施工工藝流程,但鋼管無需與鋼拱架焊接,主要施工技術(shù)要點(diǎn)如下:①小導(dǎo)管前端設(shè)計(jì)為錐形,尾部需要焊接Φ6 mm加勁箍鋼筋,管壁上梅花型鉆孔,孔徑為 10 mm,尾部 30 cm范圍內(nèi)不鉆孔;②小導(dǎo)管注漿孔應(yīng)大于鋼管直徑 3~5 mm,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工,確保鉆桿方向以及平插角度,鉆孔完成后需要采用高壓風(fēng)清孔;③采用錘擊打入或者鉆機(jī)頂入安裝小導(dǎo)管,頂入長度應(yīng)大于設(shè)計(jì)長度的90%,安裝完成后采用高壓風(fēng)清除管內(nèi)砂石,并采用塑膠泥封堵孔口縫隙;④根據(jù)注漿設(shè)計(jì),選擇適合的漿液和配比,注漿壓力宜為0.5~1.5 MPa。當(dāng)注漿孔壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),需要持續(xù)注漿15 min且進(jìn)漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)方可停止注漿。
布盂隧道右洞先行施工,左洞后行施工,隧道進(jìn)口段右線 K196+298~K196+365和左線Z3K196+304~Z3K196+380范圍進(jìn)行中夾巖注漿。右線隧道開挖支護(hù)后,按設(shè)計(jì)要求梅花型布置中夾巖注漿鉆孔,施作中空注漿錨桿。中夾巖注漿采用單液漿,水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,右線中夾巖注漿如圖16所示。隧道洞口段為Ⅴ級圍巖,通過中夾巖注漿加固,有效地填充了巖體的裂隙,提高了中夾巖柱的完整性,減小了中夾巖的收斂變形,巖體強(qiáng)度大大提高,保證了隧道施工安全。
圖16 中夾巖注漿Fig.16 Grouting of middle rock column
莆炎高速公路布盂隧道洞口段屬于淺埋偏壓小凈距隧道,通過數(shù)值模擬方法分析了洞口施工時(shí)初支、中夾巖的變形和受力特性以及中夾巖注漿加固方法,主要結(jié)論如下。
(1)淺埋偏壓地層條件下,由于采用中隔壁法進(jìn)行施工,圍巖與初支的變形相對較小,但初支拱腰位置收斂變形應(yīng)相對較大,應(yīng)重點(diǎn)加固拱腰應(yīng)力集中位置。
(2)隧道小凈距段中夾巖會產(chǎn)生一定的水平位移,施工開挖后隧道左右線拱腰位置平均水平位移為 4.25 mm,需要采取相應(yīng)的加固措施。
(3)中夾巖采用小導(dǎo)管注漿加固,正應(yīng)變值顯著減小,左右線隧道拱腰位置中夾巖正應(yīng)變分別減小77%和81%,拱腰位置中夾巖正應(yīng)變分別減少85%和80%,中夾巖注漿加固后,圍巖塑性區(qū)顯著減小。
(4)結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果和現(xiàn)場施工設(shè)計(jì),采用 5 m長中空花管對小凈距段中夾巖進(jìn)行注漿加固,漿液有效的填充了巖體的裂隙,提高了小凈距隧道中夾巖柱的整體穩(wěn)定性,保證了隧道施工安全。