大断面小净距隧道施工力学响应研究

罗玉虎,汪 波

(1.重庆交通大学土木建筑学院,重庆 400074;2.西南交通大学地下工程系,成都 610031)

0 引言

随着我国经济的快速发展、交通的迫切需求,三车道及其以上的大断面公路隧道不断涌现。由于受地形、地质条件限制以及隧道分建带来的展线困难与占地多等因素的影响,大断面小净距隧道方兴未艾[1]。

三车道大断面小净距隧道在国内外并不多见,其支护结构的受力特征与围岩的稳定性均较为复杂,并与施工方法的选择、施工过程的选用息息相关[2-4]。截至目前,国内并无成熟的经验可供借鉴,基于此,以软弱围岩(Ⅴ级围岩)条件下大断面小净距隧道为研究对象,深入分析不同施工方案及步骤条件下的围岩力学行为特征将具有工程指导意义。

1 模型建立及参数选取

根据郑家山隧道的具体情况,计算选取Ⅴ级围岩。埋深 30 m,隧道净距 14 m。对于模型边界条件,在隧道横断面方向取 3～5倍洞径,垂直方向在拱底以下取5倍洞径[5],顶部取实际埋深,其计算模型见图1。

计算模型中,初期支护喷混凝土采用梁单元予以模拟,初期支护中锚杆对围岩的锚固作用采取提高其黏聚力的方式予以考虑[6]。模型中预设锚杆加固区,计算中采取改变材料参数方式来实现锚杆的对围岩的锚固作用。二次衬砌及围岩采用平面单元予以模拟,具体力学参数见表1。

图1 隧道有限元模型

计算采用平面应变弹塑性本构模型、D r u k e r-P r a g e r屈服准则和相关联流动法则。通过设置不同开挖步模拟隧道开挖阶段,并对各开挖步在不同荷载增量步加设锚喷支护或衬砌结构来模拟支护施作时机的影响,由此达到对隧道开挖施工过程的模拟[7]。

表1 围岩与衬砌结构的物理力学参数

2 施工方案的拟定

从目前的施工技术水平出发,适应大断面的开挖方法有以下几种:上半断面超前短台阶法、C D(中壁)法、C R D法、双侧壁导坑法、全断面法。本文选取台阶法、C D法、双侧壁导坑法等 3种施工方案进行数值模拟对比分析,以确定该条件下大断面小净距隧道最优化施工方法,详细列示如图2。

图2 施工方案示意

另针对双侧壁导坑法,选择了几不同的施工步骤,以确定最优化施工步骤。为便于比较,均采用先左洞、后右洞的施工顺序。

方案 C每洞均为从内侧而外侧施作。方案 D为每洞均为由外侧而内侧施作,方案 E为先左洞内侧,后左洞外侧,尔后施作右洞内侧、外侧,最后施作中间部分。

3 结果分析

3.1 不同施工方案下的围岩变形

对不同施工方案的不同开挖步下拱顶及拱底的位移进行监测,得到不同施工方案的特征点位移变化曲线,见图3。

图3 各施工方案特征点围岩变形曲线

从特征点的位移变化可见,随开挖、支护的进行,拱顶、拱底均出现指向洞内的位移,拱顶产生沉降,拱底产生隆起,终在隧道修建完成后稳定。

三种工法中,台阶法对于拱顶及拱底变形的控制最为不利,由于对拱顶、拱底的约束和支撑不足,从而使拱顶、拱底最大位移早早产生,分别为 8.04 mm和8.95 mm。C D法由于对于拱顶、拱底的竖向变形加以限制,从而使最值出现较晚,量值也小于台阶法,分别为 6.08 mm和 8.02 mm。双侧壁导坑法对于拱顶、拱底的支撑较强,故对其变形的控制较好,最大值的发生明显晚于前两种工法。其拱顶位移也明显小于台阶法与 C D法 ,为 5.12 mm。

3.2 不同施工方案下的围岩受力分析

大断面小净距隧道的中岩柱由于开挖产生应力叠加,常处于较为不利的状态,故选取 5个特征点(如图4所示),观察其在不同施工方案下围岩最大、最小主应力的变化,详示于表2。

图4 围岩应力特征点示意

从表2可见,三种工法的围岩应力较大值均出现在 D点,其中台阶法的结果最甚,中岩柱最小主应力最大为 1.37 MPa,C D法为 1.22 MPa,双侧壁导坑法为1.12 MPa,可见,采用台阶法施工时,围岩应力集中最为严重。

表2 各方案下特征点主应力

3.3 不同施工方案下的地表沉降

施工方法不同,对地表的影响也不同[8]。从各工法施工得到的地表沉降曲线(图5)可见,三种工法中,采用双侧壁导坑法开挖引起的地表沉降值最小,为1.95 mm,C D法次之,为 2.77 mm,台阶法较差,为4.79 mm。

大断面小净距隧道的开挖,将引起左、右洞地表沉降槽的叠加,净距愈小,叠加效应愈明显。如图6所示,以台阶法为例详析之。当左洞开挖、支护完成时,地表沉降的最大值出现在左洞上方,为 1.42 mm,而随着右洞开挖,位移发生叠加,峰值位移逐渐向右洞偏移,最终至隧道修建完成达最大值。

图5 各方案地表沉降曲线

3.4 不同施工方案下围岩稳定性分析

在进行隧道开挖与支护时,各工法在右洞施工时,左洞的塑性区均受到影响,产生的塑性区范围也随之扩大。从中岩柱的塑性区大小来看(见图7),台阶法屈服区范围较大,台阶法的最大塑性应变达 4.3‰。C D法和双侧壁导坑法的最大塑性应变分别为 1.6‰和 1.0‰,仅为台阶法的 37.2%和 23.3%。

图6 地表沉降发展变化曲线

图7 三种施工方案塑性区分布

台阶法开挖时,由于开挖断面较大,围岩约束解除的比较快,不利于控制围岩的变形。而双侧壁法和 C D法先开挖两侧导洞,同时采用中隔墙支护,有效地减小了隧道开挖跨度,加强了对围岩的约束,所以围岩相对不易屈服。

3.5 不同施工过程的结果分析

采用不同的开挖步骤进行施工,同样会带来隧道力学行为的改变。鉴于此,针对较复杂的双侧壁导坑法,对方案 C、D、E进行比较分析。

1)围岩变形分析 对比方案 C、D、E拱顶、拱底最大变形(见表3)可知,不同施工过程对围岩变形有一定的影响。在地层条件相同的情况下,同为先施作左洞,其两侧孰先孰后影响并不大。而左右洞开挖顺序的变化对控制围岩变形是有效的,从方案 E拱顶的变形明显减小可见一斑。

2)围岩受力分析对于不同施工过程围岩受力的考察,仍采用图4所示的 5个特征点,详见表4。由特征点最小主应力可见,三种方案由于施工过程不同,导致应力分布的改变。采用方案 D施工时,中岩柱最小主应力最大值为 0.84 MPa,方案 E为 0.93 MPa,方案C为 1.12 MPa,三者相差不大。

表3 拱顶、拱底最大变形 mm

表4 方案 C、D、E最小主应力 MP a

3)围岩稳定性分析 从图8可见,方案 E对于控制中岩柱塑性变形的发展效果最好,其塑性区范围最小,而方案 D次之,方案 C(见图7)较差。

图8 不同施工步骤下塑性区分布

方案 C、D均为先开挖左洞,支护完成后开挖右洞。尽管支护及时,围岩塑性区仍会有较大的发展,方案 E为先开挖两洞的两侧导洞,保留了中部核心土对洞室的支持,有效抑制了围岩塑性区的伸展。故在采用双侧壁导坑法时,应有效利用中部核心土对洞室的支持,从而限制塑性区的发展。

4 结论与建议

本文以大断面小净距公路隧道施工为例,研究了在不同施工方案、不同施工步骤下,隧道围岩变形、地表沉降、中间岩柱应力、围岩稳定性等的变化,得出以下几点有益结论:

1)双侧壁导坑法在限制围岩变形、控制围岩应力集中、控制地面沉降、限制围岩塑性区发展等方面作用显著,C D法次之,台阶法较差。

2)对于施工程序较复杂的双侧壁导坑法,不同的施工过程,将导致围岩变形、受力的差异,影响围岩塑性区的发展,从而影响围岩的稳定性。施工时应尽可能利用中部核心土对洞室的支持,从而限制围岩变形及塑性区的发展。

3)对于大断面小净距隧道,控制围岩变形及中岩柱塑性区的发展尤为重要。应合理选择工法、施工步骤,以确保隧道施工及长期的安全性。

[1]黄拔洲,陈少华,秦峰.小净距隧道在京福高速公路上的实践[J].重庆大学学报,2003,26(10):19-22.

[2]李云鹏,王芝银,韩常领,等.不同围岩类别小间距隧道施工过程模拟研究[J].岩土力学,2006,27(1):11-16.

[3]秦峰,吴存兴.小净距隧道开挖方法浅论[J].现代隧道技术,2003,40(6):39-43.

[4]刘艳青,钟世航,卢汝绥,等.小净距并行隧道力学状态试验研究[J].岩石力学与工程学报,2000,19(5):590-594.

[5]孙钧,侯学渊.地下工程[M].北京:科学出版社,1984.

[6]中华人民共和国交通部.J T GD 70—2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[7]朱合华,丁文其.地下结构施工过程的动态仿真模拟分析[J].岩石力学与工程学报,1999,18(5):558-562.

[8]李春明,唐雨春,金美海.小间距隧道应力场和周边位移与施工方法的关系[J].铁道建筑,2006(12):45-48.