奔龙坪隧道施工方案稳定性数值分析

2014-12-21师伯泰

水利与建筑工程学报 2014年5期

师伯泰

(中铁九局集团第九工程有限公司，吉林长春130033)

双连拱隧道在地质条件差、展线困难，难以修建分离式小净距隧道的地段有很强的适应性［1－5］。但由于连拱隧道本身结构的复杂性，使得双连拱隧道的支护结构系统受力十分复杂。连拱隧道与单洞隧道以及小净距隧道的主要区别在于中隔墙以及排水系统，其中隔墙在导洞贯通后立即浇筑，它既是初期支护和二衬的支撑点，又是防水层的支撑结构。因此，中隔墙的受力又是整个支护系统中最为复杂的部分［6－8］。中隔墙的受力除了与上部围岩的竖向荷载有关外，还与施工中采用的开挖方法有关。双连拱隧道在左右幅施工时，边开挖边支护，围岩和支护结构之间的荷载转换频繁，而且目前连拱隧道的开挖多采用钻爆法，爆破施工对中隔墙及顶部围岩的扰动都非常大。另外，由于双连拱隧道左右洞的非对称开挖，导致双洞的应力释放时间不同，因此在隧道的施工过程中，将会对中隔墙形成一种不平衡的推力和弯矩。因此，双连拱隧道施工中，根据隧道地层情况进行施工方案的比选和优化意义重大［9－10］。

在建奔龙坪隧道围岩状况十分恶劣，其岩体挤压扭曲，产状凌乱，且风化性很强，节理十分发育，岩体破碎，属Ⅴ级围岩。隧道全段连拱隧道总的洞径有25 m，但隧道最大埋深处也仅有43.3 m，因此，相对来说，隧道所处埋深较浅。隧道进口方向地势东高西低。整个隧道处于一个偏压地段中。考虑到奔龙坪隧道的地形特点和双连拱隧道自身特点，为确保隧道施工安全、优化施工步序，采用数值模拟方法对隧道施工方案的稳定性及二次衬砌的受力特点进行分析、评价，确定了隧道的施工方案，指导了该隧道的施工。

1 工程概况

1.1 隧道工程概况

在建奔龙坪隧道全段埋于青、藏、滇、缅、印尼“歹”字型构造西支中段与三江经向构造带中南段及南岭纬向构造带西延部分的复合部位。因此，隧道所处地质构造十分复杂，褶皱，断裂构造形迹相当发育，总观全区构造，测区东部以大型断裂为主，西部紧密褶皱和断裂构造相间分布，南部构造形迹呈向南撒开的特点。受区域性地质构造影响，奔龙坪隧道围岩挤压破碎，产状零乱，围岩稳定性较差;隧道围岩整体划分为V级，隧道进出口段上覆第四系残坡积灰黄、灰褐、褐红色粉质黏土，硬塑状，厚度4 m～7 m;下伏基岩为寒武系砂质板岩、花岗片麻岩，岩体风化强烈，呈强风化碎石碎片状，节理裂隙发育;隧道中部围岩多呈强风化碎石碎片状，局部呈中风化碎石状，节理裂隙发育，岩体破碎，岩质较坚硬。

1.2 隧道工程地质条件

奔龙坪隧道地处烂寨子村南侧下方斜坡中上部，属构造剥蚀中山切割长垣垄状山地地形，山体呈单斜坡面，植被很发育，地形纵坡起伏较大，自然坡度一般30°～40°之间，局部大于50°。隧道区最高点高程1 480.12 m，坡面冲沟较发育，切割较浅，属山岭重丘区。根据地勘报告，奔龙坪隧道地层岩性主要为:第四系残坡积(Q4el+dl)粉质粘土，下伏基岩为寒武系砂质板岩、片麻岩。主要地层岩性分布如下:

(1)第四系残坡积(Q4el+dl)粉质粘土:灰黄、灰褐、褐红色、硬塑状，土质很不均匀，含约20% ～25%白云岩碎石角砾，分布较连续，主要分布于坡面表层，厚度一般2.8 m～4.7 m，承载力基本容许值200 kPa。

(2)寒武系砂质板岩夹变质砂岩:褐灰、灰白、褐黄、灰褐色，上部强风化碎石碎片状，下部呈中风化碎石状，强、中风化界限一般15 m～30 m;节理裂隙发育，岩体破碎，岩质较坚硬。其岩层产状280°∠58°。该岩层承载力基本容许值强风化砂质板岩500 kPa，中风化砂质板岩900 kPa。

(3)寒武系片麻岩:褐灰、褐黄、灰黄色，上部全～强风化碎石碎片状，下部呈中风化碎石状，强、中风化界线一般15 m～30 m，节理裂隙很发育，岩体很破碎，岩质较坚硬，岩层产状280°∠58°，对围岩稳定不利;该岩层承载力基本容许值强风化片麻岩600 kPa，中风化片麻岩1 200 kPa。

2 数值模型及计算

2.1 三维(3D)数值模拟方案及模拟参数选取

根据该工程较差段的实际地质条件和周边环境，结合相关设计资料，考虑地表的起伏并同时兼顾模型计算精度，在建立模型的过程中，按照连续介质模型的建模思路，考虑足够的模型尺寸，完全模拟现场主要的工程环境。分别考虑出口段施工情况和进口段施工情况，模型全长取了80 m进行计算，隧道计算模型网格划分见图1(a)和图1(b)所示。施工方案优化分析及施工稳定性评价对比分析了如下两种工况:

(1)一次贯通方案，即:中导洞开挖→右幅正洞开挖→左幅正洞开挖，右幅正洞贯通后再施工左幅正洞。

(2)交错开挖方案，即:中导洞开挖→右幅正洞超前开挖→左幅正洞开挖，右幅、左幅正洞开挖交错40 m先后施工。

图1 奔龙坪隧道模型图

奔龙坪隧道数值模拟分析中，岩体模型按弹塑性理论，破坏选取摩尔－库仑破坏准则。岩土体及隧道衬砌结构均采用实体单元，模拟边界条件的选取，除模型上边界为地表取为自由边界，其余各面均采取法向约束［11－13］，采用 Midas－GTS软件进行模拟分析;隧道计算中岩土体及隧道结构力学参数见表1所示。

表1 模型计算参数

2.2 三维(3D)数值模拟结果及分析

2.2.1 中隔墙应力对比分析

图2(a)和图2(b)分别给出了不同开挖方法模型的中隔墙应力云图对比分析，由图2可见:

(1)两种开挖方式平均应力分布和大小差别不大，即交错开挖最大压应力值的绝对值与一次贯通的大小几乎没有区别;

(2)一次贯通最大拉应力的绝对值与交错开挖的大小几乎没有区别;但是对比两种主要应力分布区，交错开挖法大部分应力为压应力(占27.1%)集中在1.33 MPa，一次贯通法大部分应力为压应力(占27.3%)集中在为1.35 MPa。两者差别不大。

2.2.2 二衬应力对比分析

图3给出了不同开挖方法模型的右洞应力云图对比分析，由图3可见:一次贯通的最大拉应力为1.25 MPa，交错开挖的最大拉应力为 1.31 MPa，相对大小差别不大;一次贯通的最大压应力为3.70 MPa，交错开挖的最大压应力为6.92 MPa，交错开挖比一次贯通大47%;一次贯通的主要拉应力(占10.1%)为 0.481 MPa，交错开挖的主要拉应力(占16.7%)为 0.491 MPa，相对大小差别不大;一次贯通的主要压应力(占14.3%)为0.607 MPa，交错开挖的主要压应力(占23.2%)为0.882 MPa，交错开挖比一次贯通大31.1%。

图2 一次贯通法中隔墙平均应力变化云图(单位:kPa)

图3 二衬平均应力变化云图(单位:kPa)

图4给出了不同开挖方法模型的左洞应力云图对比分析，由图4可见:一次贯通的最大拉应力为0.085 MPa，交错开挖的最大拉应力为 0.455 MPa，交错开挖比一次贯通开挖大81%;一次贯通的最大压应力为0.118 MPa，交错开挖的最大压应力为4.614 MPa，交错开挖比一次贯通大97%;一次贯通的主要拉应力(占13.3%)为 0.047 MPa，交错开挖的主要拉应力(占62%)为0.158 MPa，交错开挖比一次贯通大70%，且所占百分比也大很多;一次贯通的主要压应力(占13.2%)为 0.010 MPa，交错开挖的主要压应力(占4.7%)为0.653 MPa，交错开挖比一次贯通大98%，但所占百分比要稍小一些。

图4 左洞二衬平均应力变化云图(单位:kPa)

2.2.3 位移对比分析

图5给出了不同开挖方法模型的左洞位移变化云图对比分析，由图5可见:一次贯通与交错开挖方法的整体位移变化趋势相差不大，两者的最大位移都发生在左洞的洞口位置。一次贯通拱顶最大沉降为2.85 cm，交错开挖的拱顶最大沉降为2.76 cm。差别不大，交错开挖稍微小点。一次贯通拱底最大隆起为2.08 cm，交错开挖的拱底最大隆起为2.06 cm。差别不大，交错开挖稍微小点。

图5 左洞竖向位移变化云图(单位:m)

2.3 基于三维(3D)数值模拟分析的施工建议

通过对奔龙坪隧道进行的三维数值模拟试验，并考虑地表偏压的影响，讨论两种不同开挖方案时隧道结构的应力以及位移情况，可以看出，就中隔墙的受力分析以及隧道的位移变化而言，两种开挖方案的差别不大。但从二衬的受力状况看，尤其是左洞二衬的受力状况看，采用右幅正洞贯通后再施工左幅正洞方案，二衬的受力状态要优于采用交错开挖法时二衬受力状况。因此，在不考虑两洞爆破影响时，由于地层偏压影响，采用“中导洞开挖→右幅正洞开挖→左幅正洞开挖，右幅正洞贯通后再施工左幅正洞”方案二衬的受力状态要优于采用交错开挖法时二衬受力状况。因此目前采用该方案组织施工。

根据目前施工揭示地质条件和岩层出露情况分析，隧道左幅围岩整体性差，右幅贯通衬砌完成后进行左幅开挖中，工程将采用由左向右分块起爆的弱爆破来配合人工开挖，爆破时将严格控制炮眼深度及装药量，各部开挖循环进尺控制在0.5 m左右。同时在施工过程中将加强爆破震动监测，做到一炮一检，严格按设计图纸要求，将爆破振动速度控制在规范和图纸要求的范围之内，确保右幅已完成衬砌结构的安全。

但由于隧道埋深浅，且处于偏压状态，考虑爆破振动影响、工程地质条件及水文地质条件的变化等的影响［14－15］，施工中我集团公司将加强隧道的施工监测;强化施工中的衬砌受力监测，确保施工安全及二次衬砌结构的质量和安全。