Ⅴ級(jí)圍巖淺埋大跨雙洞隧道施工力學(xué)行為及安全凈距研究

牛富生，黃大維

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458； 2.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458；3.華東交通大學(xué) 軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

目前公路、鐵路等工程已廣泛應(yīng)用雙洞隧道，選線(xiàn)時(shí)上、下行隧道往往受地物、地形的限制采用小凈距隧道結(jié)構(gòu)型式[1]，其設(shè)計(jì)既要考慮通行能力也要考慮受地質(zhì)、環(huán)境等造成的影響。軟弱破碎圍巖采用CRD法或雙側(cè)壁法時(shí)由于施工工序繁多，大大增加了施工過(guò)程中對(duì)圍巖反復(fù)擾動(dòng)的次數(shù)，因此如何合理選取雙洞隧道安全凈距，并保證圍巖穩(wěn)定是工程中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，尤其是對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖淺埋大跨雙洞隧道工程，尤為重要[2]。

目前已有不少學(xué)者針對(duì)淺埋大跨雙洞小凈距隧道開(kāi)展了相關(guān)研究。周飛[1]深入研究了施工間距及凈距變化下圍巖空間效應(yīng)的力學(xué)特性，此外還分析了中夾土柱的加固方法，提出了安全凈距取值。文獻(xiàn)[2-5]對(duì)雙洞隧道的凈距取值進(jìn)行了深入研究。王輝等[6]采用ABAQUS有限元分析軟件的Python編程，對(duì)某大跨度小凈距隧道不同扁平率及其間距進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[7-8]依托實(shí)際工程對(duì)偏壓小凈距隧道的施工力學(xué)進(jìn)行了研究。何珺[9]研究了非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道的圍巖壓力計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)受力性能、施工方案優(yōu)化及施工力學(xué)時(shí)空效應(yīng)。鐘祖良等[10]推導(dǎo)了能夠考慮隧道左右洞先后施工工序的圍巖壓力計(jì)算理論，并對(duì)其計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。孫杰[11]開(kāi)展了淺埋偏壓、洞口地段與較差巖性地段大斷面雙洞隧道施工優(yōu)化和安全控制。文獻(xiàn)[12-14]對(duì)超大斷面小凈距隧道的支護(hù)力學(xué)、施工方法比選、凈距優(yōu)化和變形控制展開(kāi)了系統(tǒng)研究。文獻(xiàn)[15-16]開(kāi)展了偏壓大跨小凈距隧道施工力學(xué)行為及變形破壞研究。孫文濤[17]對(duì)V級(jí)圍巖大跨偏壓小凈距隧道進(jìn)行了施工控制技術(shù)研究。龔建伍[18]對(duì)大斷面小凈距隧道設(shè)計(jì)施工若干問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。王更峰等[19]依托魁歧雙洞八車(chē)道小凈距隧道，通過(guò)計(jì)算分析確定了最小凈距，另研究了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下采用不同加固措施的中間巖柱受力、變形特性。文獻(xiàn)[20-21] 對(duì)小凈距偏壓公路隧道的圍巖壓力進(jìn)行了深入研究。萬(wàn)民科[22]對(duì)淺埋偏壓小凈距隧道的力學(xué)特性和施工技術(shù)進(jìn)行了研究。唐格[23]按照“監(jiān)測(cè)-反演-施工”的思路進(jìn)行了大斷面小凈距隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究。文獻(xiàn)[24-27]依托實(shí)際工程對(duì)節(jié)理巖體淺埋大跨小凈距隧道的失穩(wěn)模式、錨桿支護(hù)效果及最小安全凈距進(jìn)行了研究。

目前V級(jí)圍巖條件下淺埋大跨雙洞隧道采用CRD工法的施工力學(xué)及安全凈距系統(tǒng)性的研究較少。為此，本文依托將軍山隧道，基于ANSYS有限元軟件二次開(kāi)發(fā)，對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖條件下洞口段洞室采用CRD工法開(kāi)挖不同施工工序下“圍巖-支護(hù)系統(tǒng)”的動(dòng)態(tài)施工力學(xué)行為開(kāi)展深入研究，并將進(jìn)一步探討洞口段安全凈距。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

將軍山隧道位于上龍泉村與孫家洼村間的丘陵區(qū)，為分離式隧道，隧道單洞凈寬16.796 m，凈高10.850 m，左右線(xiàn)里程分別為ZK7+595—ZK8+970與YK7+595—YK8+970，長(zhǎng)度均為1 375 m。隧道進(jìn)口段洞門(mén)采用削竹式洞門(mén)，出口段采用端墻式洞門(mén)。

1.2 隧道洞口段圍巖分級(jí)

隧道進(jìn)出洞口斷面的里程位置、圍巖分級(jí)及工程地質(zhì)特征情況，見(jiàn)表1。

表1 隧道圍巖分級(jí)及工程地質(zhì)

1.3 洞口段隧道設(shè)計(jì)方案

將軍山隧道洞口段設(shè)計(jì)方案采用CRD工法施工，開(kāi)挖-支護(hù)各工序如圖1所示。設(shè)計(jì)施工步序?yàn)椋?1)左側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階(Ⅰ部)開(kāi)挖及初期支護(hù)；(2)右側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階(Ⅱ部)開(kāi)挖及初期支護(hù)；(3)左側(cè)導(dǎo)洞下臺(tái)階(Ⅲ部)開(kāi)挖及初期支護(hù)；(4)右側(cè)導(dǎo)洞下臺(tái)階(Ⅳ部)開(kāi)挖及初期支護(hù)；(5)拆除臨時(shí)支撐；(6)施作二次襯砌。

圖1 將軍山隧道CRD工法開(kāi)挖步序

設(shè)計(jì)采用的初期支護(hù)：雙排小導(dǎo)管，Φ42×5 mm超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)4.5 m，縱向間距3.0 m，環(huán)向間距0.42 m；Φ25-5中空注漿錨桿，長(zhǎng)4.5 m，縱向間距0.5 m，環(huán)向間距1.0 m；20b工字型鋼， 25格柵鋼架，縱向間距0.5 m；兩層C25初期支護(hù)，第一層26 cm，第二層20 cm；雙層鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為Φ6.5，環(huán)向、縱向間距皆為15 cm。二次襯砌采用C40鋼筋混凝土，厚度55 cm。

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算斷面選擇及模型參數(shù)

根據(jù)隧道工程地質(zhì)條件，選擇一個(gè)代表性斷面進(jìn)行分部開(kāi)挖不同方案“圍巖-支護(hù)”系統(tǒng)施工力學(xué)動(dòng)態(tài)分析。進(jìn)出洞口段計(jì)算選取斷面在里程左線(xiàn)ZK7+683.00位置，采用鉆孔號(hào)SZ2，孔口高程74.20 m。隧道埋深15 m，斷面上部圍巖以碎石土為主，下部圍巖以中風(fēng)化凝灰?guī)r為主，受斷層F1影響，洞頂以上基巖完整性、穩(wěn)定性較差，圍巖V級(jí)。地下水以松散巖類(lèi)孔隙水為主，水量較豐富。

計(jì)算參數(shù)按設(shè)計(jì)提供的有關(guān)數(shù)據(jù)選用，其中圍巖強(qiáng)度指標(biāo)采用規(guī)范規(guī)定值，錨桿加固區(qū)采用等效強(qiáng)度值，噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、格柵鋼架以及二襯均采用等效剛度和等效重度。圍巖強(qiáng)度、錨桿加固區(qū)、初期支護(hù)、臨時(shí)支撐及二襯計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 V級(jí)圍巖斷面計(jì)算參數(shù)

2.2 有限元計(jì)算模型及邊界條件

按實(shí)際施工圖設(shè)計(jì)建立的二維有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2所示：坐標(biāo)系XOY原點(diǎn)定于模型左下角點(diǎn)O處，X軸正方向規(guī)定為水平向右，Y軸正方向?yàn)樨Q直向上。結(jié)合新奧法大跨隧道洞室分部開(kāi)挖的施工特點(diǎn)，對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了采用該主程序模擬CRD施工工序圍巖地應(yīng)力及其變形位移逐步釋放的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了“圍巖-支護(hù)”系統(tǒng)復(fù)雜施工力學(xué)行為的數(shù)值模擬；基于現(xiàn)行公鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中普遍采用的“荷載-結(jié)構(gòu)法”，實(shí)現(xiàn)了采用ANSYS軟件有效模擬圍巖與隧道結(jié)構(gòu)間彈簧支撐系統(tǒng)(按Winkler局部變形理論假定)的相互作用關(guān)系，快捷確定隧道結(jié)構(gòu)的邊界節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，圍巖主動(dòng)和被動(dòng)變形區(qū)的范圍(確定圍巖抗力區(qū)土體彈簧的合理布設(shè)范圍)及襯砌安全系數(shù)，并可確定隧道在不同施工工序下襯護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力(彎矩、軸力、剪力)；采用基于彈塑性理論的八面體剪應(yīng)力計(jì)算原理，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了采用ANSYS程序軟件可以快速確定隧道開(kāi)挖后毛洞周圈的圍巖松動(dòng)區(qū)范圍及其形態(tài)分布，進(jìn)而確定系統(tǒng)錨桿的打設(shè)長(zhǎng)度，進(jìn)一步安全判定上、下行雙線(xiàn)近間距隧道的最小橫向間距。開(kāi)發(fā)的ANSYS程序軟件為隧道襯砌的配筋計(jì)算及施工圖設(shè)計(jì)提供較為精準(zhǔn)有據(jù)的理論支撐。

圖2 離散化有限元計(jì)算模型網(wǎng)格及邊界條件

將軍山隧道隧洞水平跨度為18.816 m，豎直跨度約為12.87 m。為了最大限度地降低邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型分別沿著隧道洞室左、右及下方各延伸約5倍相應(yīng)跨度，其上按實(shí)際埋深延伸至地表。整個(gè)計(jì)算模型水平向(X向)為184 m，豎直向(Y向)為74.2 m，共劃分為7 706個(gè)單元和7 555個(gè)節(jié)點(diǎn)(其中：7 450個(gè)4節(jié)點(diǎn)平面等參單元Plane42，用于模擬巖體；256個(gè)2節(jié)點(diǎn)線(xiàn)梁?jiǎn)卧狟eam3，用于模擬襯砌)。

模型在洞室開(kāi)挖區(qū)網(wǎng)格剖分較密，遠(yuǎn)離洞室區(qū)處逐漸變疏，其邊界條件定為：模型頂部為地表，為應(yīng)力自由面；由于該隧道處于巖體風(fēng)化程度較高巖層，構(gòu)造應(yīng)力不予考慮，僅考慮巖體自重應(yīng)力。因此，模型左、右兩邊界施加水平位移約束以限制水平方向的變形；模型底部施加豎直位移約束以限制豎向變形。數(shù)值模擬中，開(kāi)挖后立即支護(hù)，不考慮兩者之前的時(shí)間差。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 施工過(guò)程圍巖位移變化規(guī)律

圍巖位移矢量圖如圖3所示。結(jié)合圖3將隧道開(kāi)挖過(guò)程中各工序的最大位移及其發(fā)生部位匯總于表3中。

表3 各施工階段圍巖位移值及發(fā)生部位

從表3中可以看出，隨著開(kāi)挖工序的不斷進(jìn)行，洞室最大位移總體上呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，從最開(kāi)始第1步的1.14 mm增大至最后全部開(kāi)挖完畢的3.00 mm。在每一部位開(kāi)挖-支護(hù)循環(huán)中，開(kāi)挖工序圍巖變形均呈突增態(tài)勢(shì)，隨后支護(hù)工序其位移量值持續(xù)增加但速度明顯變緩，說(shuō)明支護(hù)對(duì)于圍巖的自由變形具有一定的抑制作用。

前四步開(kāi)挖位移變化較大，占總變形的90%以上，而拆除臨時(shí)支撐和施作二次襯砌帶來(lái)的變形較小，說(shuō)明及時(shí)封閉支護(hù)對(duì)抑制圍巖變形有很大效用。最大位移基本處于拱頂部位和底板中部，右側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階(Ⅱ部)開(kāi)挖時(shí)，圍巖臨空面劇增，跨度增大，圍巖穩(wěn)定性條件變差，變形最大位置均發(fā)生于拱頂。因此建議施工時(shí)，對(duì)于核心土工序應(yīng)采用多步長(zhǎng)臺(tái)階結(jié)合強(qiáng)支護(hù)進(jìn)行，以盡可能減少對(duì)圍巖的卸載擾動(dòng)效應(yīng)，防止出現(xiàn)過(guò)大變形，且建議施工方密切關(guān)注核心土開(kāi)挖過(guò)程中的監(jiān)控量測(cè)工作。

3.2 施工過(guò)程圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

將隧道開(kāi)挖過(guò)程中各工序的主應(yīng)力量值及其發(fā)生位置匯總于表4中。

表4 各施工階段圍巖主應(yīng)力變化情況(負(fù)值為壓)

從表4中可以看出，隨著開(kāi)挖工序的不斷進(jìn)行，洞室圍巖應(yīng)力不斷調(diào)整，在開(kāi)挖臨空面附近應(yīng)力集中效應(yīng)顯著，致使最大主壓應(yīng)力總體上呈較高水平(相對(duì)于洞室所處埋深的自重應(yīng)力水平，約為1.45 MPa)，從最開(kāi)始第1步的-1.45 MPa增大至最后全部開(kāi)挖完畢的-1.73 MPa，且在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中均維持在-2 MPa水平附近，均發(fā)生于開(kāi)挖輪廓線(xiàn)拐角處(如拱腳部位)。在洞室施工過(guò)程中，圍巖也將產(chǎn)生一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，主要分布于每次開(kāi)挖臨空面的底板及導(dǎo)洞各開(kāi)挖臺(tái)階交接處，拉應(yīng)力水平較低，一般都低于約0.1 MPa。另外剪應(yīng)力水平也較低，施工全部完成后僅為0.4 MPa。

3.3 施工過(guò)程圍巖塌落區(qū)變化規(guī)律

為研究圍巖的塑性狀態(tài)，按基于彈塑性力學(xué)的八面體剪應(yīng)力理論計(jì)算，即八面體剪應(yīng)力大于等于臨界剪應(yīng)力強(qiáng)度為臨界條件，繪制了塌落區(qū)域范圍，如圖4所示。

結(jié)合圖4將計(jì)算得到的隧道在各開(kāi)挖工序中的圍巖塌落區(qū)特征及其發(fā)生位置匯總于表5中。

表5 各施工階段圍巖塌落區(qū)變化情況

從表5中可以看出，隨著開(kāi)挖工序的不斷進(jìn)行，洞室圍巖將發(fā)生一定范圍的塌落區(qū)域(即圍巖形變演化致使應(yīng)力軟化區(qū))，塌落區(qū)面積從第1步開(kāi)挖的4.0 m2逐漸變化到最后施工全部完成的19.5 m2，最大進(jìn)深為2.8 m，主要發(fā)生區(qū)域?yàn)樗淼肋厜σ约白?、右拱腳。按現(xiàn)行支護(hù)措施采用4.5 m注漿錨桿基本能穿越塌落區(qū)，較為合理。

3.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律

將隧道開(kāi)挖過(guò)程中各工序的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩及其發(fā)生位置匯總于表6中。

表6 各施工工序支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩、軸力變化情況

從表6中可以看出，隨著開(kāi)挖工序的不斷進(jìn)行，作為初期支護(hù)重要組成的鋼拱架，其彎矩不斷變化和調(diào)整，在開(kāi)挖過(guò)程中最大可達(dá)近241.901 kN·m，發(fā)生于右側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階(II部)開(kāi)挖階段。各個(gè)階段最大彎矩發(fā)生位置主要分布于橫豎鋼拱架接頭部位，因此建議在施作該部位鋼拱架時(shí)應(yīng)重點(diǎn)予以關(guān)注，尤其是注重鋼拱架支座及鎖腳錨桿的工程質(zhì)量，以保證鋼拱架充分發(fā)揮加固效力。

圖4 施工各個(gè)開(kāi)挖-支護(hù)步圍巖塌落區(qū)分布圖

3.5 初期支護(hù)和二次襯砌安全系數(shù)計(jì)算

為便于分析，共取了初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)上的12個(gè)典型截面，分別表示不同的部位計(jì)算其安全系數(shù)，以抗壓強(qiáng)度為控制條件，見(jiàn)圖5。

圖5 典型截面

依據(jù)數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果，安全系數(shù)計(jì)算根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)規(guī)定進(jìn)行檢算，得出初期支護(hù)在整個(gè)施工過(guò)程中的安全系數(shù)最小值為5.6，滿(mǎn)足規(guī)范以抗壓為控制條件的安全系數(shù)大于2.4的要求。另外計(jì)算得出了二次襯砌的安全系數(shù)最小值為3.1，出現(xiàn)在拱腳部位，同樣滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 洞口段安全凈距探討

考慮洞口接線(xiàn)路基寬度，采用保證安全前提下的最小雙洞距離可大大節(jié)約路基土石方量，有利于施工，同時(shí)節(jié)省工程造價(jià)。在左洞和右洞同時(shí)按CRD工法開(kāi)挖的情況下探討雙洞安全凈距，計(jì)算0.5D、1.0D、1.5D(D為隧道毛洞開(kāi)挖跨度，取19 m)三種凈距(即三種工況)下的開(kāi)挖最終步塌落區(qū)分布規(guī)律，以塌落區(qū)處于非重疊貫通為臨界條件。有限元模型計(jì)算參數(shù)參考第2.1節(jié)取值。

4.1 雙洞安全凈距開(kāi)挖模擬

將軍山隧道隧洞水平跨度為18.816 m，豎直跨度約為12.87 m。為了最大限度地降低邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型分別沿著隧道洞室左、右及下方各延伸約5倍相應(yīng)跨度，其上按實(shí)際埋深延伸至地表。整個(gè)計(jì)算模型水平向(X向)為240 m，豎直向(Y向)為105 m。二維有限元計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 雙洞安全凈距開(kāi)挖模型

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

三種凈距(即三種工況)下的開(kāi)挖最終步塌落區(qū)分布，見(jiàn)圖7。由以上結(jié)果可以看出，雙洞0.5D凈距下左右洞口的塌落區(qū)處于貫通狀態(tài)，1.0D凈距下左右洞口的塌落區(qū)上部處于分離狀態(tài)，1.5D凈距下左右洞口的塌落區(qū)處于完全分離狀態(tài)。從安全和節(jié)約造價(jià)的角度考慮，雙洞1.0D凈距較為合理。

5 結(jié) 論

依托將軍山隧道，基于ANSYS有限元軟件二次開(kāi)發(fā)，對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖條件下洞口段洞室采用CRD工法開(kāi)挖不同施工工序下“圍巖-支護(hù)”系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)施工力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究，并對(duì)洞口段安全凈距做了進(jìn)一步的探討。得到如下結(jié)論：

(1) 隧道各開(kāi)挖工序下圍巖變形均呈突增態(tài)勢(shì)，前四步開(kāi)挖位移變化較大，占總變形的90%以上。對(duì)松散、軟弱區(qū)段，建議采用早強(qiáng)噴混凝土并及早施作支護(hù)封閉。

(2) 洞室圍巖應(yīng)力隨著開(kāi)挖工序的進(jìn)行在不斷調(diào)整，最大主壓應(yīng)力總體上呈較高水平，且在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中均維持在-2 MPa附近。圍巖應(yīng)力集中基本上出現(xiàn)在拱腳部位，應(yīng)注意加強(qiáng)該部位的監(jiān)測(cè)和必要的注漿加固。

(3) 隧道塌落區(qū)面積隨著開(kāi)挖工序的不斷進(jìn)行而增大，最大進(jìn)深為2.8 m，按設(shè)計(jì)支護(hù)措施采用4.5 m注漿錨桿基本能穿越塌落區(qū)。通過(guò)洞口段0.5D、1.0D、1.5D三種凈距比較分析，雙洞1.0D凈距較為合理。

圖7 三種凈距開(kāi)挖最終步塌落區(qū)分布圖

(4) 鋼拱架的彎矩隨著開(kāi)挖工序的不斷進(jìn)行而調(diào)整，在開(kāi)挖過(guò)程中最大達(dá)241.9 kN·m。各個(gè)階段最大彎矩發(fā)生位置主要分布于橫豎鋼拱架接頭部位，建議在施作該部位鋼拱架時(shí)應(yīng)注重鋼拱架支座及鎖腳錨桿的工程質(zhì)量。

(5) 初期支護(hù)和二次襯砌在整個(gè)施工過(guò)程中的安全系數(shù)最小值分別為5.6和3.1，均滿(mǎn)足規(guī)范以抗壓為控制條件的安全系數(shù)大于2.4的要求。