土石混合體地層樁承式隧道施工力學(xué)模擬分析

蔡成曦,姜志遠(yuǎn),殷永波,趙新,胡世興,靳曉光

1. 中鐵二十一局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 402160;2. 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400045

0 引言

近年來(lái),在山地城市軌道交通建設(shè)中多遇到土石混合體這一類地質(zhì)體。土石混合體相對(duì)松散,力學(xué)性質(zhì)較復(fù)雜,對(duì)隧道的施工安全和運(yùn)營(yíng)后的長(zhǎng)期穩(wěn)定有較大影響。從土石混合體物理力學(xué)參數(shù)的角度考慮:劉新榮等[1]通過(guò)室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)及顆粒離散元數(shù)值試驗(yàn),分析土石混合體顆粒間的作用規(guī)律和剪切強(qiáng)度的細(xì)觀機(jī)理;Charles等[2]對(duì)不同圍壓下壓實(shí)堆石的抗剪強(qiáng)度及變形特征進(jìn)行試驗(yàn)研究;Simoni等[3]對(duì)土石混合體進(jìn)行三軸試驗(yàn)并分析應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,認(rèn)為土石混合體有明顯剪切膨脹性;Varadarajan等[4]采用三軸試驗(yàn)分析2種土石混合體,發(fā)現(xiàn)土石混合體的剪切參數(shù)隨填料粒徑的增大而增大;羅亞瓊等[5]采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法進(jìn)行考慮含水量和含石量等多因素、多水平影響的土石混合體大型直剪試驗(yàn),通過(guò)分析土石混合體剪切強(qiáng)度特性,提出抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則,引入極差分析各因素對(duì)土石混合體的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和摩阻角的影響規(guī)律;陳美婷等[6]采用大型直剪試驗(yàn)儀研究土石混合體與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性受結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度的影響,采用下移結(jié)構(gòu)面法分析特定粗糙度下的剪切帶特性;楊忠平等[7]根據(jù)室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定軟件PFC2D中的土石混合體模型細(xì)觀參數(shù),模擬分析不同含石量的試樣在不同圍壓下的剪切特征;雪青華[8]基于室內(nèi)剪切試驗(yàn),采用PFC2D分析土石混合料在不同含石率、法向壓力、塊石形狀及最大粒徑下的塊石破碎特征及剪切破壞特征。

從土石混合體工程施工的安全性和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性角度考慮:胡瑞林等[9]結(jié)合宏觀尺度和微觀尺度下的物理力學(xué)試驗(yàn)與模擬,采用多尺度分析法研究土石混合體的強(qiáng)度、變形和滲透等特性及結(jié)構(gòu)控制機(jī)理,分析含石量、塊石形狀、基質(zhì)組分和土-石級(jí)配等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子的制約規(guī)律,探討土石混合體強(qiáng)度變形特征的隨機(jī)性;王琳[10]將軟件MATLAB與FLAC2D結(jié)合模擬土石混合體三軸試驗(yàn),將土石混合體的物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)用于工程分析;羅祺月[11]在深回填土區(qū)暗挖隧道工程中綜合采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬等方法,分析土石混合體地層中隧道開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力和變形變化規(guī)律,研究不同隧道埋深、含石量、開(kāi)挖方式和支護(hù)方式對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響;王凱[12]針對(duì)國(guó)道G314公格爾隧道兩端口段圍巖為土石混合體地層的工程特點(diǎn),考慮含石率和粗糙度等因素,采用現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)分析土石混合體的力學(xué)性質(zhì),將數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)合分析隧道土石混合體圍巖的穩(wěn)定性;楊波等[13]采用PFC2D對(duì)土石混合體塊石結(jié)構(gòu)、隧道襯砌及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精細(xì)度建模并模擬施工過(guò)程,研究土石混合體地層中基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響規(guī)律;劉康琦等[14]基于強(qiáng)度折減法,采用軟件FLAC3D研究土體的蠕變特征,分析蠕變參數(shù)對(duì)土石混合體邊坡變形及穩(wěn)定性的影響;宋上明[15]根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)某市的土石混合體提出以含水率和含石量為指標(biāo)的分類方法及適用于該地區(qū)回填土圍巖分級(jí)的指標(biāo)和方法。

目前關(guān)于土石混合體的研究中較少關(guān)注樁承式隧道在土石混合體圍巖下的施工力學(xué)特征及穩(wěn)定性分析。本文采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值建模和分析,研究土石混合體在預(yù)注漿加固后樁承式隧道開(kāi)挖變形穩(wěn)定階段的受力變形特征和破壞模式,及樁基礎(chǔ)作業(yè)完成后二次襯砌及樁基的受力變形規(guī)律,以期為隧道安全施工提供數(shù)據(jù)支持。

1 工程簡(jiǎn)介

依托工程隧道局部縱斷面如圖1所示。沿線地面高程為235.0～247.0 m,土層厚約11.5～56.0 m,主要成分為素填土;隧道拱頂填土厚17.3～34.1 m,隧道底板至基巖填土厚0～18.5 m,隧道成洞條件極差,無(wú)支撐時(shí)易發(fā)生大規(guī)模坍塌。隧道下部填土存在差異沉降、地下水作用及較陡的巖土分界面,整個(gè)土石混合回填土區(qū)存在蠕動(dòng)趨勢(shì),對(duì)隧道的安全施工及長(zhǎng)期穩(wěn)定十分不利。土石混合體呈褐灰色,主要成分為黏性土,夾雜有砂巖、砂質(zhì)泥巖碎塊石,含石量為20%～40%,碎塊最大粒徑約為0.400 m,填土整體略密實(shí),輕微濕潤(rùn),剪切波速為158～170 m/s,堆填約5～10 a,為中軟土。

圖1 隧道局部縱斷面示意圖

2 模擬分析方案

單位:m。 圖2 簡(jiǎn)化隧道斷面示意圖

2.1 模型幾何尺寸

參照?qǐng)D1選取斷面,分析土石混合回填土區(qū)樁承式隧道的施工力學(xué)特征和穩(wěn)定性,未考慮隧道間的相互影響,簡(jiǎn)化隧道圍巖。隧道開(kāi)挖將引起周圍巖土體的應(yīng)力重分布,應(yīng)力擾動(dòng)主要分布在隧道周邊1.5D(D為隧道直徑)的范圍內(nèi)[16]。取隧道周邊1.4D的范圍作為核心區(qū),注漿區(qū)為隧道周邊3.0 m范圍,土石混合體區(qū)為隧道周邊8.0 m范圍。為統(tǒng)一樁承式隧道底部樁基礎(chǔ)生成方式,以核心區(qū)下邊界為基巖面,簡(jiǎn)化后如圖2所示。

模型寬108.0 m,高74.0 m,隧道埋深約27.0 m,隧道高、寬約為8.6 m,根據(jù)設(shè)計(jì)文件,注漿區(qū)為開(kāi)挖輪廓線外3.0 m范圍,開(kāi)挖輪廓線底部距基巖8.0 m,樁基嵌入巖層2.5 m。隧道臨界高度為23.4 m,小于隧道埋深27.0 m,屬于深埋隧道,壓力拱拱腳相距16.0 m,壓力拱拱高10.0 m。

2.2 施工步序

采用預(yù)留核心土二臺(tái)階法開(kāi)挖隧道,實(shí)際施工步序大致分為4個(gè)階段:第1階段,預(yù)注漿及預(yù)支護(hù);第2階段,開(kāi)挖隧道上臺(tái)階并及時(shí)支護(hù);第3階段,開(kāi)挖隧道下臺(tái)階并及時(shí)支護(hù);第4階段,樁基及二次襯砌施工。

主要分析土石混合體預(yù)注漿后隧道開(kāi)挖、初期支護(hù)完成時(shí)的隧道穩(wěn)定性,樁基礎(chǔ)及二次襯砌施作后的隧道圍巖、襯砌和樁基礎(chǔ)的受力變形規(guī)律及破壞特征。簡(jiǎn)化隧道施工步序?yàn)樽{預(yù)加固→隧道開(kāi)挖→初期支護(hù)→樁基礎(chǔ)施工→二次襯砌,初期支護(hù)厚0.6 m,采用注漿區(qū)加厚方式,模型注漿區(qū)厚3.0 m。

2.3 建模

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)、設(shè)計(jì)資料和試驗(yàn)結(jié)果可知,施工材料的物理力學(xué)參數(shù)[17]如表1所示。

表1 施工材料的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)圖2信息,采用軟件MIDAS GTS建立巖土隧道的有限差分模型,如圖3所示。采用FLAC3D計(jì)算,將所有單元重新編號(hào)后導(dǎo)出文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,鎖定前、后、左、右及底面單元法向位移后,計(jì)算自重應(yīng)力下的平衡,輸入注漿區(qū)參數(shù),刪除中部開(kāi)挖區(qū)進(jìn)行分析。采用噴錨暗挖法施工的隧道,需在收斂位移達(dá)到總收斂位移的80%后施作二次襯砌[16]。模擬施工時(shí),需刪除開(kāi)挖區(qū)單元,監(jiān)控拱頂位移,當(dāng)拱頂位移達(dá)到最終收斂位移的80%時(shí)激活樁基及二次襯砌,更改樁基及二次襯砌的屬性為C40混凝土彈性本構(gòu)模型,并分割樁單元與圍巖單元,在樁基礎(chǔ)與圍巖間設(shè)置接觸面,摩擦角為40°,清除二次襯砌及樁基礎(chǔ)的原始位移,進(jìn)行施工過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算。

a)正視圖 b)側(cè)視圖 圖3 隧道的有限差分模型

3 隧道破壞特征分析

3.1 注漿區(qū)強(qiáng)度折減

在有限差分法分析中,采用等比例強(qiáng)度折減法進(jìn)行注漿區(qū)強(qiáng)度折減,即內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ分別除以相同的折減系數(shù),分析注漿區(qū)的強(qiáng)度安全系數(shù)。

根據(jù)2.3節(jié)的建模思路,進(jìn)行注漿區(qū)強(qiáng)度折減計(jì)算并分析結(jié)果,以平均不平衡力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為計(jì)算停止條件,認(rèn)為隧道某一關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移發(fā)生突變時(shí)的折減系數(shù)為強(qiáng)度安全系數(shù),以塑性區(qū)隨強(qiáng)度折減系數(shù)Fr的發(fā)展情況為依據(jù)分析隧道可能的破壞特征。

3.2 安全系數(shù)分析

在其他條件相同、僅Fr不同時(shí),計(jì)算注漿加固隧道開(kāi)挖變形穩(wěn)定后的位移。在不同F(xiàn)r下,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的變化情況如圖4所示。由圖4可知:Fr<1.7時(shí),隧道拱頂沉降、底部隆起及水平收斂隨Fr的增大而變化較均勻、平緩;Fr>1.7時(shí),各變形的增幅明顯變大,因此認(rèn)為隧道的安全系數(shù)為1.7。Fr=1.7時(shí),注漿加固隧道開(kāi)挖變形的總位移云圖如圖5所示。由圖5可知:注漿開(kāi)挖至模型收斂后隧道保持穩(wěn)定,開(kāi)挖引起的地表沉降變化較平緩。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨Fr的變化曲線 圖5 Fr=1.7時(shí)的總位移云圖

3.3 基于強(qiáng)度折減法的破壞特征分析

不同折減系數(shù)Fr下注漿區(qū)的塑性區(qū)演變過(guò)程如圖6所示。

a) Fr=1.0 b) Fr=1.2 c) Fr=1.4 d) Fr=1.6 e) Fr=1.7 f) Fr=1.8 g) Fr=1.9 h) Fr=2.0圖6 不同F(xiàn)r下注漿區(qū)塑性區(qū)的演變過(guò)程

由圖6可知:1)塑性區(qū)首先出現(xiàn)在拱腰內(nèi)側(cè),隨Fr的增大,拱腰塑性區(qū)逐漸向外側(cè)發(fā)展,直至貫通整個(gè)橫截面。2)塑性區(qū)貫通拱腰后繼續(xù)向隧道頂部及底部發(fā)展,Fr=1.6時(shí),塑性區(qū)剛好貫通整個(gè)縱截面;Fr>1.6后,塑性區(qū)繼續(xù)發(fā)展;Fr=1.7時(shí),有限差分模型收斂后注漿區(qū)頂部?jī)?nèi)側(cè)的大面積區(qū)域?yàn)樗苄誀顟B(tài),外側(cè)少部分為塑性狀態(tài),注漿區(qū)頂部結(jié)構(gòu)完整度較好,可承受荷載;Fr>1.7后,注漿區(qū)拱腰大部分區(qū)域進(jìn)入塑性區(qū),變形增大,與圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分配后釋放部分應(yīng)力,進(jìn)入應(yīng)力卸載階段,但實(shí)際施工時(shí)注漿區(qū)拱腰區(qū)域喪失黏聚力,易產(chǎn)生局部脫落,隧道可能已被破壞。

4 樁承式隧道圍巖及襯砌受力變形特征

4.1 圍巖變形

通過(guò)有限差分模型計(jì)算可知,隧道二次襯砌施作時(shí)拱頂沉降為38.7 mm,拱腰水平收斂為33.0 mm,地表最大沉降為21.0 mm。分析斷面的實(shí)際監(jiān)測(cè)位移隨時(shí)間變化的情況,如圖7所示。根據(jù)隧道斷面和施工過(guò)程,選擇數(shù)值計(jì)算中的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn),其位移隨施工進(jìn)程的變化如圖8所示。

圖7 斷面實(shí)際監(jiān)測(cè)位移隨時(shí)間變化 圖8 數(shù)值計(jì)算關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨施工進(jìn)程變化曲線

由圖7可知:隧道拱頂沉降、水平收斂累計(jì)位移均為28.7 mm,地表沉降為23.2 mm;隧道周邊凈空變形計(jì)算結(jié)果比監(jiān)測(cè)結(jié)果大,誤差為4.3～11.0 mm,原因是監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)有一定滯后性;地表沉降計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果接近,誤差為2.2 mm,說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確。

由圖8可知:隧道開(kāi)挖后注漿區(qū)頂部和底部迅速產(chǎn)生較大變形,收斂位移快速達(dá)到最終收斂位移的80%,變化較快,隧道還未趨于穩(wěn)定;計(jì)算至千步時(shí)達(dá)到二次襯砌施作條件,施作二次襯砌后位移增大迅速趨緩,隧道趨于穩(wěn)定,施作二次襯砌后可有效減少拱頂沉降和地表沉降。

因此,土石混合體地層中預(yù)注漿隧道開(kāi)挖至穩(wěn)定的過(guò)程可分為迅速變形階段、緩慢變形階段和變形穩(wěn)定階段等3個(gè)階段:在迅速變形階段,隧道開(kāi)挖后各部分迅速產(chǎn)生變形,隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的荷載主要由注漿加固體承擔(dān),圍巖壓力拱開(kāi)始形成,但未發(fā)揮明顯承載作用,水平收斂、底板隆起達(dá)到最大位移即表示此階段結(jié)束;在緩慢變形階段,水平收斂及底板隆起略減,地表及拱頂沉降速率減小,圍巖壓力拱發(fā)揮較大承載作用,與注漿加固體進(jìn)行應(yīng)力重分配,隧道變形趨于穩(wěn)定,實(shí)際工程中常在此階段施作二次襯砌;在變形穩(wěn)定階段,隧道各部分基本穩(wěn)定,位移無(wú)明顯變化。

4.2 圍巖應(yīng)力

施做樁基后,有樁基支撐的隧道底部圍巖應(yīng)力減小,隧道施工對(duì)底部圍巖應(yīng)力影響范圍約為洞高的4倍,頂部影響范圍約為洞高的2倍,對(duì)原有地應(yīng)力場(chǎng)的影響明顯小于隧道未施做樁基時(shí)。

注漿區(qū)底部和頂部的豎向應(yīng)力均較小:注漿區(qū)底部的豎向應(yīng)力約為-50 kPa,底部對(duì)二次襯砌底部的支撐作用較小;注漿區(qū)頂部豎向應(yīng)力約為-90 kPa,略大于底部。

4.3 二次襯砌及樁基

4.3.1 位移

采用有限差分法分析二次襯砌及樁基的豎向位移,如圖9所示。由圖9可知:二次襯砌及樁基整體向下沉降,二次襯砌頂部的沉降約為2.00 mm,底部的豎向沉降約為0.85 mm,拱腳的豎向沉降約為1.40 mm,二次襯砌拱腰的水平收斂為-0.30 mm,二次襯砌的整體位移較小。

圖9 二次襯砌及樁基的豎向位移云圖

二次襯砌的局部變形特征為:二次襯砌拱頂產(chǎn)生沉降,底部正中相對(duì)拱腳發(fā)生微弱隆起,拱腰向隧道外側(cè)產(chǎn)生水平位移。因二次襯砌拱腳傳遞的彎矩及隧道底部圍巖隆起引起變形,隧道底板中部隆起,且樁基頂部與二次襯砌剛性連接,因此樁基上部產(chǎn)生微弱彎曲。樁基底部樁身的方向因基巖作用而逐漸變?yōu)樨Q向,樁基整體沉降,但位移較小,最大位移為1.20 mm,嵌入基巖處的樁身位移為0.30 mm,樁基的豎向位移隨埋深的增大而減小。

4.3.2 應(yīng)力

二次襯砌頂部、拱腰及底部中心截面均表現(xiàn)為壓彎構(gòu)件的應(yīng)力特征,二次襯砌頂部?jī)?nèi)側(cè)、底部?jī)?nèi)側(cè)出現(xiàn)受拉區(qū),但所受拉力未超過(guò)鋼筋混凝土材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度[18]。

根據(jù)壓彎梁的受力特征分析可知:單位長(zhǎng)度的二次襯砌結(jié)構(gòu)中,拱腰所受平均豎向壓應(yīng)力約為0.770 MPa,彎矩約為65 kN·m;拱頂所受平均水平壓應(yīng)力約為0,彎矩約為97 kN·m;底部所受水平壓應(yīng)力約為0.125 MPa,彎矩約為72 kN·m。

采用有限差分法分析二次襯砌的主應(yīng)力,如圖10所示。由圖10可知:拱頂內(nèi)側(cè)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為0.80 MPa,拱腰出現(xiàn)最大壓應(yīng)力為2.50 MPa,均處于二次襯砌混凝土的容許應(yīng)力范圍[18]。

a)最小主應(yīng)力 b)最大主應(yīng)力圖10 二次襯砌的主應(yīng)力云圖

采用有限差分法分析二次襯砌7 m截面處的最小主應(yīng)力,此截面正下方有樁基,如圖11所示。由圖11可知:樁基位置靠近二次襯砌拱腳,大部分豎向應(yīng)力直接從二次襯砌的拱腰傳至樁基,對(duì)二次襯砌底板無(wú)較大影響。采用有限差分法分析樁基豎向應(yīng)力,如圖12所示。由圖12可知:樁基平均豎向應(yīng)力為2.8 MPa,最大豎向應(yīng)力為3.6 MPa,遠(yuǎn)小于C40混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度[18]。在實(shí)際工程中,樁身周圍有土體環(huán)繞,樁身整體失穩(wěn)的可能性較小。樁身底部嵌巖部分與基巖連接緊密,應(yīng)力迅速傳遞至基巖。

5 結(jié)論

1)土石混合體地層中預(yù)注漿樁承式隧道塑性區(qū)首先出現(xiàn)在注漿區(qū)拱腰內(nèi)側(cè)并逐漸向外側(cè)發(fā)展,直至貫通整個(gè)截面,最后向注漿區(qū)頂部及底部發(fā)展,注漿區(qū)拱腰的大部分區(qū)域都進(jìn)入塑性狀態(tài),易產(chǎn)生局部脫落,破壞方式均為剪切破壞。預(yù)注漿隧道的安全系數(shù)為1.7,超過(guò)1.7后隧道各處變形迅速增大。

2)預(yù)注漿加固隧道開(kāi)挖至圍巖變形穩(wěn)定可分為迅速變形階段、緩慢變形階段和變形穩(wěn)定階段等3個(gè)階段,劃分依據(jù)分別為水平收斂達(dá)到最大位移、各項(xiàng)變形趨于穩(wěn)定和位移無(wú)明顯變化。在變形的不同階段圍巖壓力拱發(fā)揮不同的承載作用。

3)施作二次襯砌后隧道拱腰上方圍巖向隧道內(nèi)變形的趨勢(shì)明顯減弱,其他區(qū)域無(wú)明顯改變,二次襯砌可有效減小地表沉降,注漿區(qū)位移略減,拱腰水平收斂位移略增。二次襯砌變形特征為整體沉降,局部變形特征為拱頂沉降,底部正中相對(duì)拱腳隆起,拱腰向隧道外側(cè)產(chǎn)生水平位移;樁基上部產(chǎn)生微弱彎曲,樁基底部因基巖嵌固作用,樁身方向逐漸變?yōu)樨Q向;最大豎向樁基應(yīng)力為3.6 MPa,遠(yuǎn)小于C40混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度。