多孔小凈距隧道施工力學(xué)特性數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測研究

諸岧

(上海隧道工程質(zhì)量檢測有限公司， 上海 201111)

小凈距隧道以其占地面積小且易滿足線形優(yōu)化的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但其開挖支護(hù)方法復(fù)雜，先行、后行隧道之間相互影響強(qiáng)烈，施工力學(xué)特性與常規(guī)分離式隧道存在較大差異。許多學(xué)者采用現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬等手段對小凈距隧道施工力學(xué)特性展開了研究，如Luo Yanbin等通過分析施工期間中夾巖墻的變形，獲得了中夾巖墻變形與水平圍巖壓力之間的關(guān)系及水平圍巖壓力計算方法；李磊等通過楊家坪隧道現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)先行洞二次襯砌端頭處于后行洞開挖作業(yè)面之外可有效減小后行洞對先行洞的擾動；孫振宇等通過統(tǒng)計41座小凈距隧道的圍巖壓力，基于隧道實(shí)際滑裂面，提出了小凈距隧道圍巖壓力計算方法；王春國在FLAC3D平臺上模擬偏壓大斷面小凈距隧道的施工過程，結(jié)果表明后行洞開挖導(dǎo)致先行洞內(nèi)側(cè)拱腰處彎矩顯著增大；舒志樂等分析了小凈距隧道先行、后行洞施工間距對圍巖擾動的影響，得出Ⅴ級圍巖中施工間距應(yīng)大于1.5倍洞徑；劉明才通過數(shù)值模擬研究隧道開挖過程中地表沉降、圍巖壓力與二次襯砌結(jié)構(gòu)受力，認(rèn)為后行洞開挖會導(dǎo)致中夾巖柱應(yīng)力發(fā)生顯著集中；吳德興等研究陡坡偏壓小凈距隧道的圍巖塑性區(qū)分布，發(fā)現(xiàn)先行洞外側(cè)及后行洞內(nèi)側(cè)受開挖影響較大，圍巖擾動范圍較大。但對多孔小凈距隧道的研究較少。該文以廣東省珠海市興業(yè)快線東段隧道為背景，在FLAC3D數(shù)值平臺上對多孔小凈距隧道開挖支護(hù)全過程展開精細(xì)化數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對其施工力學(xué)特性進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 工程背景

興業(yè)快線是珠海市綜合交通運(yùn)輸體系中“九縱五橫”高快速路網(wǎng)中的重要組成部分，連接香洲中心城區(qū)與高新區(qū)，是中心城區(qū)之間的交通要道。興業(yè)快線東段隧道由2個機(jī)動車主洞和2個非機(jī)動車人行輔洞構(gòu)成，全長550 m，其典型橫斷面(K10+150)布置見圖1。主洞輪廓采用曲墻三心圓，開挖凈空尺寸為15.3 m×10.68 m(寬×高)；輔洞輪廓采用曲墻單心圓，開挖凈空尺寸為8.6 m×7.3 m(寬×高)。兩主洞開挖輪廓間距6.2 m，主輔洞開挖輪廓間距8.6 m，均小于分離式獨(dú)立雙洞間的最小凈距(Ⅳ級圍巖條件下為2倍開挖斷面寬度)，屬小凈距隧道。

圖1 珠海興業(yè)快線東段隧道地質(zhì)橫斷面圖 (K10+150，單位：m)

洞身所穿越地層主要為全～弱風(fēng)化花崗巖，圍巖級別以Ⅲ～Ⅳ級為主；地下水主要為基巖裂隙水，水量一般，對隧道開挖影響較小。以里程K10+150為例(淺埋段Ⅳ級圍巖)，其地質(zhì)橫斷面見圖1，主洞埋深10 m，輔洞埋深11 m，地層自上而下依次為坡積粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。

主洞初期支護(hù)采用I18鋼拱架(間距0.5 m)+C25噴射砼(厚0.26 m)，輔以系統(tǒng)錨桿；二次襯砌采用C35模筑鋼筋砼，厚0.55 m。輔洞初期支護(hù)采用鋼格柵(間距0.7 m)+C25噴射砼(厚0.26 m)，輔以系統(tǒng)錨桿；二次襯砌采用C35模筑鋼筋砼(厚0.45 m)。

1.2 帶臨時豎撐的上下臺階法開挖

東段隧道K10+050—K10+200段為淺埋段Ⅳ級圍巖，輔洞、主洞分別采用帶單側(cè)和雙側(cè)臨時豎撐的上下臺階法開挖。

以右輔洞為例，其橫斷面開挖法及監(jiān)測點(diǎn)布置見2，縱向施工工序(見圖3)如下：1) 開挖上臺階左導(dǎo)坑(單循環(huán)進(jìn)尺2 m)，施作相應(yīng)初期支護(hù)及臨時豎撐；2) 開挖上臺階右導(dǎo)坑(單循環(huán)進(jìn)尺2 m)，施作相應(yīng)初期支護(hù)，右導(dǎo)坑滯后左導(dǎo)坑10 m；3) 拆除臨時豎撐，開挖下臺階(單循環(huán)進(jìn)尺2 m)，施作下臺階初期支護(hù)及鎖腳錨桿，下臺階滯后右導(dǎo)坑10 m；4) 開挖仰拱并施作相應(yīng)初期支護(hù)；5) 圍巖收斂穩(wěn)定后，擇機(jī)施作二次襯砌。

圖2 右輔洞開挖方法及監(jiān)測點(diǎn)布置(單位：m)

左右輔洞同時開挖，左輔洞施工工序與右輔洞類似，不再贅述。輔洞隧道開挖過程中，對拱頂沉降及水平收斂進(jìn)行監(jiān)測(見圖3)。

輔洞貫通后開挖右主洞，其橫斷面開挖方法及監(jiān)測點(diǎn)布置見圖4，縱向施工工序(見圖5)如下：1) 開挖上臺階左導(dǎo)坑(單循環(huán)進(jìn)尺2 m)，施作相應(yīng)初期支護(hù)及臨時豎撐；2) 開挖上臺階右導(dǎo)坑(單循環(huán)進(jìn)尺2 m)，施作相應(yīng)初期支護(hù)及臨時豎撐，右導(dǎo)坑滯后左導(dǎo)坑10 m；3) 開挖上臺階中導(dǎo)坑(單循環(huán)進(jìn)尺2 m)，施作相應(yīng)初期支護(hù)，中導(dǎo)坑滯后右導(dǎo)坑10 m；4) 拆除臨時豎撐，開挖下臺階(單循環(huán)進(jìn)尺2 m)，施作相應(yīng)初期支護(hù)及鎖腳錨桿，下臺階滯后中導(dǎo)坑10 m；5) 開挖仰拱并施作相應(yīng)初期支護(hù)；6) 圍巖收斂穩(wěn)定后，擇機(jī)施作二次襯砌。

圖4 主洞開挖方法及監(jiān)測點(diǎn)布置(單位：m)

圖5 右主洞縱向施工工序示意圖(單位：m)

左主洞滯后右主洞20 m，其開挖支護(hù)方法與右主洞類似，不再贅述。主洞隧道開挖過程中，對拱頂沉降及水平收斂進(jìn)行監(jiān)測(見圖4)。

2 淺埋段小凈距隧道群數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

以K10+150為目標(biāo)斷面，在FLAC3D數(shù)值平臺上對其前后25 m范圍(K10+125—175)的開挖支護(hù)全過程展開數(shù)值模擬分析。數(shù)值模型整體尺寸為289 m×107 m×50 m(寬度×高度×深度，見圖6)。圍巖及二次襯砌均采用四節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，共計403 055個實(shí)體單元、126 360個節(jié)點(diǎn)；初期支護(hù)及臨時鋼支撐采用雙面Liner單元模擬，共計10 357個節(jié)點(diǎn)、21 588個單元。模型頂面(地表面)為自由邊界，側(cè)面為法向位移約束邊界，底面為全約束邊界。

圖6 多孔小凈距隧道數(shù)值模型

根據(jù)上述施工工序模擬開挖支護(hù)全過程，共計626個施工步，其中關(guān)鍵施工步見表1。

表1 數(shù)值模擬中的關(guān)鍵施工步

2.2 本構(gòu)與參數(shù)

圍巖選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，二次襯砌采用線彈性本構(gòu)模型，其物性參數(shù)見表2、表3。

表2 巖土體的物性參數(shù)

表3 襯砌的物性參數(shù)

圍巖-初期支護(hù)-二次襯砌的相互作用見圖7。隧道的初期支護(hù)采用雙面Liner單元模擬，初期支護(hù)-圍巖通過Liner單元Side1的第一法向彈簧(Side1 normal link)與第一切向彈簧(Side1 shear link)實(shí)現(xiàn)相互作用；初期支護(hù)-二次襯砌通過Liner單元Side2的第二法向彈簧(Side2 normal link)與第二切向彈簧(Side2 shear link)實(shí)現(xiàn)相互作用。Liner單元的接觸參數(shù)取值見表4。

圖7 圍巖-初期支護(hù)-二次襯砌相互作用示意圖

表4 Liner單元的接觸參數(shù)

3 施工力學(xué)特性分析

3.1 拱頂沉降分析

隨著掌子面的推進(jìn)，輔洞拱頂沉降呈“急劇沉降—緩慢變化—穩(wěn)定收斂”變化趨勢。如圖8所示，左輔洞拱頂沉降數(shù)值計算終值為16 mm。右輔洞變形趨勢與左輔洞類似，拱頂沉降數(shù)值計算終值為20 mm。

主洞拱頂沉降呈“先期隆起—急劇沉降—緩慢變化—穩(wěn)定收斂”的變化趨勢。如圖9所示，右主洞左拱肩、拱頂和右拱肩沉降穩(wěn)定值分別為57 mm、67 mm、47 mm。左主洞拱頂沉降變化規(guī)律與右主洞類似，左拱肩、拱頂和右拱肩沉降穩(wěn)定值分別為44 mm、57 mm、54 mm。

拱頂沉降現(xiàn)場實(shí)測值(見圖8、圖9)的變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。需說明的是，由于現(xiàn)場實(shí)測無法獲得隧道開挖至目標(biāo)斷面前的拱頂沉降，將數(shù)值模擬的先期沉降值視為隧道的實(shí)際先期沉降值，與后續(xù)拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果疊加，得到隧道拱頂沉降最終值。受圍巖蠕變的影響，輔洞拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果均比數(shù)值模擬結(jié)果大3 mm左右，主洞拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果均比數(shù)值模擬結(jié)果大10 mm左右，但均小于JTG 3370.1—2018規(guī)定的預(yù)留變形量(Ⅳ級圍巖三車道隧道的預(yù)留變形量為60～120 mm，雙車道隧道為50～80 mm)?？梢姡瑤R時支撐的上下臺階開挖方法可用于類似條件下隧道工程施工。

圖8 右輔洞拱頂沉降變化

圖9 右主洞拱頂沉降變化

3.2 襯砌圍巖壓力分布

輔洞開挖及支護(hù)完成后，讀取作用在Liner單元Side1和Side2的法向彈簧應(yīng)力，得到圖10所示初期支護(hù)和二次襯砌上圍巖壓力分布。由圖10可知：輔洞初期支護(hù)圍巖壓力關(guān)于設(shè)計中線大致呈對稱分布，上臺階圍巖壓力(150～231 kPa)大于下臺階圍巖壓力(50～150 kPa)。由于輔洞臨時豎撐的存在抑制了外側(cè)拱肩位置的圍巖變形，拱肩位置的初期支護(hù)圍巖壓力(右輔洞231 kPa)明顯大于其他位置。二次襯砌圍巖壓力基本為零，僅仰拱附近存在較小的由仰拱自重引起的圍巖壓力。

圖10 初期支護(hù)與二次襯砌圍巖壓力分布(輔洞，單位：kPa)

主洞開挖及支護(hù)完成后初期支護(hù)與二次襯砌圍巖壓力分布見圖11。由圖11可知：主洞初期支護(hù)圍巖壓力的分布形態(tài)與輔洞基本相同，最大值(283 kPa)出現(xiàn)在外側(cè)拱肩附近。二次襯砌圍巖壓力(除仰拱附近外)基本為零。由于輔洞先行開挖，輔洞與主洞之間的中夾巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，中夾巖積蓄的圍巖變形能在主洞開挖過程中部分釋放，主洞內(nèi)側(cè)圍巖壓力(150～200 kPa)小于外側(cè)(200～280 kPa)。此外，受主洞開挖的影響，輔洞初期支護(hù)圍巖壓力明顯減小，二次襯砌圍巖壓力增大，但總圍巖壓力(初期支護(hù)圍巖壓力+二次襯砌圍巖壓力)基本不變。

圖11 初期支護(hù)與二次襯砌圍巖壓力分布(輔洞與主洞，單位：kPa)

定義初期支護(hù)和二次襯砌承受的圍巖壓力與總圍巖壓力的比值為復(fù)合式襯砌的荷載承擔(dān)比，復(fù)合式襯砌荷載承擔(dān)比分布見圖12。由圖12可知：輔洞內(nèi)側(cè)由于受開挖擾動影響較大，初期支護(hù)和二次襯砌的荷載承擔(dān)比約為6∶4；輔洞外側(cè)受開挖擾動影響較小，初期支護(hù)和二次襯砌的荷載承擔(dān)比約為7∶3。

圖12 初期支護(hù)與二次襯砌的荷載承擔(dān)比分布(單位：%)

4 結(jié)論

以珠海興業(yè)快線隧道群為工程背景，對大斷面小凈距隧道群淺埋段開挖與支護(hù)全過程進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，分析隧道開挖時拱頂沉降規(guī)律及復(fù)合式襯砌圍巖壓力分布規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

(1) 帶臨時豎撐的上下臺階開挖法引起的拱頂沉降呈“急劇沉降—緩慢變化—穩(wěn)定收斂”的變化趨勢；數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測沉降終值基本一致，均小于規(guī)范要求的預(yù)留變形量，該開挖方法可用于類似條件下隧道工程施工。

(2) 隧道群初期支護(hù)圍巖壓力近似呈對稱分布，單洞圍巖壓力呈外側(cè)大內(nèi)側(cè)小、上部大下部小的分布形態(tài)，初期支護(hù)圍巖壓力最大值出現(xiàn)在拱肩位置(臨時豎撐處)。

(3) 后行主洞開挖導(dǎo)致先行輔洞初期支護(hù)上圍巖壓力明顯減小，二次襯砌承擔(dān)部分圍巖壓力；輔洞內(nèi)側(cè)初期支護(hù)和二次襯砌的荷載承擔(dān)比約為6∶4，輔洞外側(cè)約為7∶3。