山嶺公路隧道CD法開挖過程安全穩(wěn)定性分析

惠 冰,王 琳,張文俊,陳 朋,趙忠孝

(1.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟南 250102;2.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院,山東 青島 266590)

近年來,隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展,隧道建設(shè)里程在整個交通里程中的占比日益增加,鐵路隧道、公路隧道和地鐵隧道的建設(shè)規(guī)模越來越大。當(dāng)前國家環(huán)保要求日益嚴格,山區(qū)公路建設(shè)中隧道代替路塹避免了山體開挖和高陡邊坡的出現(xiàn),其綠色環(huán)保效益日益凸顯。此外,山區(qū)公路一般穿越各種復(fù)雜多變的地質(zhì)體,并伴有地下水、溶洞、節(jié)理裂隙巖體甚至斷層破碎帶等各種不良地質(zhì)現(xiàn)象,全段面機械或鉆爆開挖法已經(jīng)不再適用。越來越多的隧道采用CD法甚至CRD法進行開挖。隧道開挖過程常采用全過程動態(tài)監(jiān)測,以保證施工過程中的安全。國內(nèi)外專家學(xué)者對CD法進行了大量研究:方勐等[1-2]通過分析云南某隧道原位監(jiān)測數(shù)據(jù),得出了臺階法開挖可有效減小軟弱圍巖隧道變形的結(jié)論;魏弘銘等[3]針對西溝埡隧道建立了4種拱頂沉降回歸模型,并將回歸模型曲線與工程實測曲線進行了擬合對比;楊志強等[4]、朱熔清等[5]采用FLAC3D有限差分軟件模擬了“三臺階五步法”的施工過程,驗證了其在軟弱圍巖中開挖大斷面隧道的可行性;劉平等[6]、童保國[7]、孫文君等[8]采用FLAC3D數(shù)值計算模型,分析了巷道掘進過程中軟弱圍巖的應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)的演化規(guī)律;張曉勇等[9]、魏勇齊等[10]采用數(shù)值仿真方法分別對臺階法、預(yù)留核心土法和三臺階法施工過程的圍巖變形及地表沉降進行了模擬分析;Sharifzadeh等[11]、Luo[12]、Li[13]等研究了軟弱地基中隧道工程采用不同開挖方法和工藝時影響巖體穩(wěn)定的主要因素;羅彥斌等[14]、盧志強[15]、Xue[16]等基于理論分析、現(xiàn)場測試和數(shù)值計算,提出了拱頂沉降和周邊收斂主要經(jīng)歷快速增長、緩慢變形和趨于穩(wěn)定3個階段;Corbetta等[17]、Carranza[18]等描述了掌子面通過測點之后洞壁徑向位移與掌子面至監(jiān)測斷面距離L之間的關(guān)系。

筆者以濟南至濰坊高速公路鵲山隧道左線隧道為研究對象,對CD法開挖過程中的圍巖進行了監(jiān)測,并采用MIDAS軟件對臺階法開挖過程進行了三維數(shù)值仿真計算,研究了大斷面山嶺隧道開挖過程中圍巖的力學(xué)與變形規(guī)律,為類似隧道工程開挖支護提供參考和理論依據(jù)。

1 工程概況

濟南至濰坊高速公路走向總體呈SN向,沿線地形地貌受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和剝蝕程度的影響較大。擬建隧道下穿低山丘陵、山間谷地,為分離式隧道,雙向六車道,左右洞單向各3車道,兩洞間凈距為20.3～22.1 m,左軸線起止樁號為ZK5+322～ZK6+125,長為803.0 m,右軸線起止樁為K5+320～K6+125,長為805.0 m。樁號ZK5+550,隧道最大埋深為90 m。

1.1 地形地貌

隧道所在區(qū)域為低山丘陵,地表植被發(fā)育,區(qū)域基巖埋深較淺,隧道頂部基巖直接出露,風(fēng)化現(xiàn)象嚴重,局部表層覆蓋殘坡積物,谷底堆積有較厚的洪積物、坡積物。進洞口位于山腰,地形坡度較緩,基巖埋深較淺,可見巖石出露,第4系覆蓋層厚度不均,局部較厚,出露巖層以奧陶系灰色薄層白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r夾角礫狀白云巖,底部為底礫巖。巖體為層狀構(gòu)造,巖層走向與洞軸線斜交,夾角為72°,進洞口段無斷裂構(gòu)造,巖層結(jié)構(gòu)面發(fā)育,局部溶蝕裂隙發(fā)育,裂隙面見泥質(zhì)充填,穩(wěn)定性較差。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道進出口巖體破碎程度較高,大部分為Ⅴ級圍巖,自穩(wěn)能力較差。左線隧道ZK5+320～ZK6+125段上覆較厚層第4系殘坡積碎石土層,地層下部及隧洞圍巖為奧陶系灰?guī)r、泥灰?guī)r,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,局部溶蝕裂隙發(fā)育,巖體呈塊狀結(jié)構(gòu),或中、薄層狀結(jié)構(gòu),無斷裂構(gòu)造。隧道局部洞段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,破碎程度較高,穩(wěn)定性較差。綜合判斷隧道洞身段的圍巖基本質(zhì)量等級為Ⅲ～Ⅴ級(表1)。左洞Ⅴ級圍巖占比20.8%,Ⅳ級圍巖占比37.7%,Ⅲ級圍巖占比41.5%。研究對象K5+320～K5+650段為Ⅳ級圍巖,K5+650～K6+125段為Ⅴ級圍巖,較為破碎。

表1 隧道左線工程地質(zhì)及巖體結(jié)構(gòu)特征

2 開挖過程監(jiān)測分析

2.1 CD法工藝流程

針對隧道埋深較淺,上覆地層較為松散破碎,圍巖質(zhì)量等級為Ⅳ、Ⅴ級灰?guī)r以及泥灰?guī)r的情況,左線隧道開挖采用“短進尺”臺階法開挖,即實際開挖時將全斷面分為左、右兩部分,先開挖左部,再開挖右部,左右兩部開挖時均分為上、下兩個臺階,“短進尺”開挖步長ΔL=2.0 m,斷面監(jiān)測點布置如圖1所示。另外,CD法開挖支護流程如圖2所示,在開挖過程中及時將位移測量裝置等安裝在設(shè)計位置。

圖1 CD法開挖過程K5+340斷面監(jiān)測點Fig.1 Monitoring point at section K5+340 during CD method excavation

圖2 臺階法開挖工藝流程Fig.2 Stepped excavation technology procedure

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

考慮到隧道沿線圍巖為Ⅳ、Ⅴ級圍巖,開挖方法采用臺階法。開挖過程中對監(jiān)測斷面特征點進行動態(tài)監(jiān)控(圖3),圖3(a)為第1,2部臺階開挖后在洞口的測量,圖3(b)為第1,2,3,4部臺階開挖后在洞口的測量。選取左線隧道ZK5+340斷面作為監(jiān)測斷面,對該斷面頂拱沉降監(jiān)測點A的豎向位移、收斂監(jiān)測點B,C的水平位移進行了監(jiān)測和分析,沉降觀測點A和收斂監(jiān)測點B,C的位置見圖1,其中A點位于拱頂左側(cè),為沉降監(jiān)測點;BC線、EF線為收斂監(jiān)測線。通過對開挖過程中的實時監(jiān)控,獲取了隧道開挖過程中圍巖及中間支撐的變形演化規(guī)律及支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)信息,為修正初期支護參數(shù)、合理確定二次襯砌和仰拱施作時間提供了信息。

圖3 采用拓普康GTS-2002全站儀監(jiān)測隧道現(xiàn)場Fig.3 Site monitoring with Topcon GTS-2002 total station instrument

為了研究臺階法開挖過程中圍巖頂拱的最終沉降量以及洞壁的最終收斂值,選取了第4部臺階法開挖過程的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,監(jiān)測的初始值為第4部臺階開挖,自起始斷面ZK5+320(洞口斷面,x=0,x表示掌子面距起始斷面距離)開挖至監(jiān)測斷面ZK5+340(x=20 m,L=0 m,L表示掌子面距監(jiān)測斷面距離),立即安裝沉降監(jiān)測點A,收斂監(jiān)測點B,C和E,F,隨后進行監(jiān)測,在各測點位移穩(wěn)定后,以每開挖步長ΔL=2.0 m的進尺向前推進。同步監(jiān)測L分別為20,30,40,50,…,200 m時的各監(jiān)測點位移。

在對第4部臺階全開挖過程進行監(jiān)控量測過程中,剔除爆破振動引起的誤差較大的數(shù)據(jù),一般不采集爆破前后時段的數(shù)據(jù),由于爆破振動引起的有誤差的數(shù)據(jù)個數(shù)極少,監(jiān)測值如表2所示。表2中數(shù)據(jù)“+”和“-”號意義:拱頂監(jiān)測點A發(fā)生的位移用“+”表示,即為監(jiān)測點A發(fā)生了沉降;B點位移為正,表示隧道左側(cè)邊墻向右,即向洞內(nèi)發(fā)生位移;C點位移為“-”,表示隧道右側(cè)邊墻向左發(fā)生位移,即向洞內(nèi)發(fā)生位移,BC線縮短,洞徑變小,隧道發(fā)生了收斂變形。隨第4部開挖推進過程的A點沉降曲線以及B,C點的水平位移變化曲線如圖4所示。

圖4 代表性測點監(jiān)測曲線Fig.4 Representative measurement point monitoring curves

表2 特征點監(jiān)測位移

表3 A點沉降監(jiān)測和計算值

由表2及圖4可知:第4部開挖過程中,自洞口開挖至監(jiān)測斷面L=0 m(ZK5+340)安裝好各測點后,在進一步開挖前,A點沉降位移δA=7.3 mm。

當(dāng)開挖推進至L分別為20,30,40 m時,A點沉降位移δA分別為7.6,8.2,8.6 mm,位移增加緩慢。此后至L=50 m斷面,A點沉降位移δA=14.3 mm,增長幅度較大。在后續(xù)的開挖過程中,A點沉降位移呈現(xiàn)較緩慢增加,至L=200 m斷面,A點沉降位移穩(wěn)定在δA=17.8 mm。

在L=0～70 m段,B,C點向洞內(nèi)水平位移(收斂變形),B點向洞內(nèi)水平位移分別在2.1～0.7 mm以及-1.5～-0.8 mm波動。當(dāng)?shù)?部臺階開挖至L=80 m時,在隨后的開挖過程中,B點水平位移穩(wěn)定在0.5 mm上下,C點水平位移穩(wěn)定在-1.0 mm上下。B,C兩點收斂速率趨近為零,水平位移不再增加,洞室收斂變形穩(wěn)定。

3 數(shù)值模擬分析

濟濰高速公路左線隧道位于魯中山區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,隧道圍巖較為破碎,采用“分部分臺階法”逐步掘進的方法,開挖支護工藝流程復(fù)雜,Ⅳ、Ⅴ級圍巖存在局部大變形甚至坍塌的風(fēng)險,為了預(yù)測開挖過程中圍巖的變形演化規(guī)律,保證開挖和施工過程中隧道的安全穩(wěn)定。采用MIDAS 2020有限元軟件對臺階法開挖過程進行計算,將計算結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比,并根據(jù)監(jiān)測斷面特征點位移、應(yīng)力演化規(guī)律預(yù)測臺階法開挖過程中圍巖松動、松弛范圍,為隧道開挖支護提供依據(jù)。

計算工況:在第1,2,3部開挖完成后,對第4部開挖過程進行仿真計算,模擬第4部開挖過程:自洞口開挖至ZK5+340斷面后,安裝單點位移計,隨后每開挖步長ΔL=2.0 m,循環(huán)開挖直至隧道貫通,為了便于比較,選取L=10 m時A點豎向位移、B點和C點的水平位移計算數(shù)值與原位監(jiān)測值進行對比分析。

由表2及圖4可知:第4部開挖過程中,自洞口開挖至監(jiān)測斷面L=0 m(ZK5+340)的初始階段,A點沉降位移δA在7.3～7.6 mm間波動,比較平穩(wěn);當(dāng)開挖推進至L為20～40 m段時,A點沉降值緩慢增加8.6 mm;此后至L=70 m斷面,A點沉降值增幅較大,增加16.7 mm;在后續(xù)的開挖過程中,沉降變形趨于平緩,至L=200 m斷面,沉降變形逐漸穩(wěn)定下來。

3.1 計算范圍

對左線隧道ZK5+320～ZK5+670段進行計算:沿隧道軸向取L=350 m,沿垂直洞軸線的水平方向取B=200 m,高程方向取H=63～120 m,即L×B×H=350×200×(63～120)。地層從上至下依次為分布厚度較小的地表土層、強風(fēng)化灰?guī)r地層和中風(fēng)化灰?guī)r地層,計算數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 計算范圍及三維數(shù)值模型(單位:m)Fig.5 Scope of calculation and 3D numerical model (unit: m)

模型邊界條件:在模型側(cè)邊界,y=0 m、y=200 m斷面均沿x向施加約束,限制其在x方向的位移;底部邊界固定;模型頂表面邊界自由,不受任何約束。

3.2 模型本構(gòu)關(guān)系和材料參數(shù)

采用MIDAS有限元軟件對隧道第4部開挖過程進行計算,計算本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb彈塑性破壞強度準則,即

(1)

式中:τ為剪切面上的剪應(yīng)力,Pa;σ為剪切面上的正應(yīng)力,Pa;c為黏聚力,Pa;φ為內(nèi)摩擦角;σ1,σ3分別為第1和第3主應(yīng)力,Pa。

計算地層分為3層,依次為分布厚度較小的地表土層、強風(fēng)化灰?guī)r地層和中風(fēng)化灰?guī)r地層。各地層材料參數(shù)取值如表4所示。

表4 各地層材料參數(shù)

3.3 計算分析

模擬自洞口x=0 m開挖至x=20 m(L=0 m)斷面,獲取監(jiān)測斷面A,B,C測點的位移,自監(jiān)測斷面始,每開挖步長ΔL=2.0 m,計算獲取每開挖步完成后各監(jiān)測點的位移。筆者選取x=20 m,L=0 m監(jiān)測斷面的豎向位移云圖和水平位移云圖進行討論(圖6)。由圖6(a)可知:隧道開挖過程中,拱頂發(fā)生較大的豎向沉降,最大沉降位移δmax=27.31 mm,實際監(jiān)測點在拱頂左側(cè)一定距離處,比該值要小。由圖6(b)可知:隧道左側(cè)壁發(fā)生了正的水平位移,最大水平位移δmax=0.69 mm;隧道右側(cè)壁發(fā)生了負向水平位移,最大水平位移δmax=3.39 mm。

圖6 x=20 m斷面位移云圖Fig.6 Displacement cloud of x=20 m section

計算過程中同時也選取了x=260 m斷面的豎向、水平位移云圖進行研究,斷面位移云圖如圖7所示。由圖7(a)可知:隧道開挖至出口處,最大豎向位移δmax=-16.7 mm,一直延伸至地表,引起地表較大的沉降變形。由圖7(b)可知:x=260 m斷面的水平位移較小,對隧道的穩(wěn)定性影響較小。

圖7 x=260 m斷面位移云圖Fig.7 Displacement cloud of x=260 m section

選取開挖過程中L分別為20,30,40,50,…,200 m時的各監(jiān)測點計算位移(表3),開挖過程中A點沉降位移原位監(jiān)測值見表3。B點和C點相對水平位移ΔBC原位監(jiān)測值和計算值見表5。模擬臺階法開挖過程,在第1,2,3部巖體開挖完成后,進行第4部臺階開挖,第4部臺階首先開挖ΔL=20 m,然后每開挖步長2.0 m,每循環(huán)開挖5步,獲取監(jiān)測點A的沉降位移計算值,將L分別為0,20,30,40,50,…,200 m時對應(yīng)的位移計算值繪于圖8中,同時根據(jù)表3中點A的原位監(jiān)測值得到監(jiān)測位移隨開挖掌子面推進過程的變形曲線(圖8)。

圖8 A點位移監(jiān)測和計算對比曲線Fig.8 Point A displacement monitoring and calculation comparison curve

由圖8可知:A點沉降位移監(jiān)測曲線和計算曲線基本吻合,證明了數(shù)值計算的正確性,監(jiān)測值和計算值均表明:在L為40～70 m開挖段,A點豎向位移增長較快,表明該段隧道頂拱圍巖較為破碎或節(jié)理裂隙發(fā)育,開挖過程中圍巖應(yīng)力重分布調(diào)整幅度較大,引起A點發(fā)生較大的沉降。當(dāng)L≥70 m時,A點沉降位移隨開挖變化不大,拱頂位移沉降變形趨于穩(wěn)定。

對第4部臺階開挖過程進行模擬,第4部臺階首先開挖20 m,然后每開挖步長ΔL=2.0 m,每循環(huán)開挖5步,獲取監(jiān)測點B,C的水平位移,由于B,C測點在同一水平線上,兩點之間的相對水平位移反映了隧道的收斂程度,將結(jié)果記錄在表5中,根據(jù)表5中B,C兩點的相對位移和對應(yīng)的L繪出BC線收斂計算曲線。同時,根據(jù)表5中監(jiān)測值繪出BC線收斂監(jiān)測曲線,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知:測線BC監(jiān)測曲線和計算曲線基本吻合,證明了數(shù)值計算的正確性。監(jiān)測值和計算值均表明:在L為0～30 m段開挖,BC收斂變形增長幅度較大,最大收斂變形δBC=4.7 mm,表明該段隧道邊墻向內(nèi)變形較大;當(dāng)L為30～40 m時,收斂變形基本不再變化;當(dāng)L為40～70 m時,BC收斂變形曲線下降較快,下降至1.5 mm,此后收斂變形監(jiān)測曲線在1.5 mm上下略微波動,而計算曲線呈水平線,表明在L≥70 m后續(xù)段開挖過程中圍巖側(cè)墻已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定。

圖9 測線BC水平收斂監(jiān)測和計算對比曲線Fig.9 Comparison curves for monitoring andcalculating the horizontal convergence of the survey line BC

4 結(jié) 論

山嶺隧道開挖方法中的CD法開挖是減小隧道拱頂及兩側(cè)邊墻位移,保證隧道安全穩(wěn)定的有效方法,其最后部分臺階開挖,全斷面形成后安全風(fēng)險控制是隧道開挖支護的關(guān)鍵。筆者結(jié)合濟濰高速公路鵲山隧道工程左線隧道臺階法開挖過程,采用現(xiàn)場原位監(jiān)測和數(shù)值計算分析研究,得到以下結(jié)論:1) 臺階法開挖過程中,每部開挖過程中掘進步長控制可有效減小拱頂和邊墻的變形,開挖掘進步長宜根據(jù)斷面尺寸及圍巖巖性、分級和破碎程度確定,同時確定支護方式和時機;2) 監(jiān)測斷面特征點A豎向位移及BC線收斂變形隨掌子面推進呈先快速增加,后緩慢減小,最后趨于穩(wěn)定的趨勢,掌子面距監(jiān)測斷面越近,開挖對監(jiān)測點的位移影響越大,反之則越小,提高最后一部臺階的開挖效率,縮短支護時間,盡快封閉仰拱是保證臺階法開挖過程安全的有效措施。