浅埋双侧偏压小净距隧道施工力学效应研究

2015-08-05刘梦莹

黑龙江交通科技 2015年1期

钟原，刘梦莹，王婵

(1. 山东省第五地质矿产勘查院;2. 长安大学公路学院;3. 山东省物化探勘查院)

0 引言

围岩压力是指在隧道开挖以后，岩体由于变形或者松动等原因，在洞室的周边围岩和支护结构上产生的压力。岩体是由地质作用天然形成的一种或多种矿物的集合体，所以围岩压力的确定特别复杂。在很多情况下很难准确计算，因此在支护结构设计、施工开挖过程中造成失误，影响结构安全。深入了解围岩压力在施工过程中的变化特征是保证隧道稳定的关键。

由于理论分析具有局限性，实际情况中隧道围岩是非均质、各向异性体，且理论分析汇总没有考虑施工步骤对隧道围岩的影响，因此，为了能反应实际隧道受力情况，需要借助有限元软件进行分析。

1 隧道施工过程基本理论

隧道开挖过程中改变了岩体初始应力场，围岩在地应力作用下应力重分布，形成新的平衡。开挖之前，在开挖边界上的质点都处于一定的初始应力状态，应力重分布一般都是通过卸载过程实现的。所以正确的模拟卸载过程是处理地下工程数值模拟的一个重要方面。

隧道开挖后，围岩从变形到最后破坏有一个时间过程，包括开挖面不断往前推进时围岩压力释放的时间效应及围岩介质的流变作用。在开挖时，如果适时地施工初期支护，使围岩和支护共同作用形成一个整体，就能达到整个结构体系的平衡稳定。

地层开挖前的初始应力为{σ0}，隧洞开挖后，洞周初始应力被解除，即洞周产缘卸荷效应——“释放荷载”，由释放荷载而引起地层中的应力{σ'}、位移{δ'}，则开挖后洞周地层的总应力{σ}={σ0}+{σ'}、位移{δ}={δ'}。隧洞开挖的计算过程如图1 所示。

图1 隧道开挖计算过程

2 工程背景

2.1 工程概况

福建省漳浦县朝阳隧道(一期)工程，全线分为左线、右线。左线设计起点桩号为ZK0 +000，终点桩号为ZK3 +255，左线路线全长3.255 km，Ⅴ级围岩浅埋偏压的长度为76 m;右线设计起点桩号为YK0 +000，终点桩号为YK3 +260，右线路线全长3.260 km，Ⅴ级围岩浅埋偏压的长度为72 m。隧道设计净宽为10.95 m，断面的开挖高度为9.0 m。隧道两洞之间的设计净距为15 m，小于3.5 倍洞径，属于小净距隧道。

2.2 隧道设计参数和施工方法

朝阳隧道设计为双向四车道一级公路隧道，洞口设计为三心圆。因为浅埋段围岩压力较差，隧道要开挖后立刻打锚杆。并且初级支护要做钢拱架、喷射混凝土和开挖仰拱。Ⅴ级浅埋偏压段隧道结构初期支护参数如下。

φ25 早强中空注浆锚杆，L－4.0 m，间距为2 m 的弧长;

φ8 钢筋网，10 ×10 cm;

I20a 型钢拱架，纵向间距50 cm;

C25早强喷射混凝土25 cm。

该隧道左右线采用钻爆发与机械开挖相结合的方式，采用台阶法进行开挖，左洞先开挖。在进出洞围岩情况较差段采用地表预加固，超前管棚，洞内超前支护等辅助施工手段。

3 隧道开挖施工力学效应数值模型

3.1 基本假定

采用有限元软件建立计算模型，分析施工阶段，以此模拟不同条件下隧道开挖及初期支护后围岩、支护的力学特性。为简化分析，模型做如下假定。

(1)假定围岩及土体为各向同性、均质、连续介质。

(2)弹塑性本构模型采用摩尔－库伦屈服准则。

(3)考虑实际情况下的隧道开挖顺序，即先开挖左洞后开挖右洞，且开挖后立刻施加初期支护。

(4)模型为平面应变问题，不考虑地下水的影响。

(5)由于为浅埋隧道，地层初应力场仅考虑自重应力，不考虑构造应力。

(6)考虑实际情况下的隧道施工方法，台阶法，且开挖仰拱。

3.2 模型参数

隧道周围的岩体分两层，最上层为土层，土层下面为全风化岩，根据《公路隧道设计规范》规定，此隧道为Ⅴ级围岩。因隧道二次衬砌通常作为隧道的安全储备，所以本文分析不考虑隧道二次衬砌对围岩的力学效应，只分析初期支护所产生的支护作用。隧道初期支护主要由喷射混凝土、锚杆和钢拱架组成，由于隧道围岩较差，所以在初期支护上加了仰拱。依据工程设计图纸设定仰拱半径为16 m，弧度为18°。同时在仰拱上也做钢拱架和喷射混凝土。

支护喷射混凝土设定用C25，钢拱架为H 型钢，因为此隧道为偏压隧道，地面不是水平，所以各初始应力系数K0由有限元法判定，公式为各项物理力学参数具体见表1。

表1 隧道围岩及初级支护的计算参数

3.3 网格划分

对于数值分析模拟来说，为了节约程序计算时间在计算中既要减少单元数量，又要保证计算有足够的精度，网格划分非常重要。由于隧道施工工序较多，应力变化较为复杂，为更好地模拟其动态施工过程，对其有限元网格进行了优化，开挖影响较大的地方，如对锚杆周围和开挖洞周围围岩，进行网格细化，而对开挖影响比较小的地方粗化网格。具体的网格划分图如图2 所示。

图2 双侧偏压小净距隧道网格划分示意

3.4 边界条件

建立的隧道数值模型中，采用的边界条件为:对侧面和底部施加位移约束，其余为自由约束面;左右洞高程相差较小，视左右洞在同一高程。所建数值模型为双侧对称偏压，且左右侧地表坡度变化均较小，故地表变化角度取30°，左、右洞埋深相同为20 m，净距为15 m，隧道单洞开挖宽度为11 m，开挖高度为9 m。模型左右边界取至5 倍洞径，而上下边界取为4 倍洞径。

3.5 边界条件

由于双侧偏压作用的存在和左右洞施工的顺序性，各施工阶段的隧道围岩压力分布并不对称，为了能具体的反应隧道围岩压力的应力和变形情况，且与实际监控量测数据进行比较，选取隧道左右洞相关部位进行分析，控制点位置布置如图3 所示，图中，控制点1 和点6 为左、右洞拱顶，点2 和点8 为左、右洞外侧拱腰，点4 和点10 为左、右洞外侧边墙，点3 和点7 为左、右洞内侧拱腰，点5 和点9 为左、右洞内侧边墙。

图3 控制点位置

3.6 隧道施工步骤的定义

隧道数值模拟的施工过程见表2。

为了使模拟的施工过程更加贴近现场实际施工情况，在做完初期支护到下一个阶段开挖之前要注意喷射混凝土的硬化过程，这个过程在有限元里面表现为边界条件的变化过程。因此，在数值分析中我们不考虑混凝土硬化这一施工过程，而取其他相邻施工过程进行分析。

4 隧道施工力学效应数值分析

在进行隧道结构数值分析中，研究的关键和核心问题是围岩在隧道施工前、施工过程中及施工后应力场变化过程。

4.1 围岩压力特征分析

分别取控制点1#～10#的水平、竖向和平面剪应力，进行整理，将隧道同一高程控制点相应应力数据的比值(记为围岩应力比)进行比较，重点讨论偏压特点，以此来反应和描述偏压程度。为了得到施工过程中围岩应力比的变化规律，绘制变化曲线图，如图4～图6 所示。

图4 水平方向围岩应力比变化曲线

图5 竖直方向围岩应力比变化曲线

综合图4～图6 中围岩应力比可得:

水平方向围岩应力比和竖直方向围岩应力比变化较大点主要发生在施工阶段2 和施工阶段7，在两洞上台阶开挖阶段之后的施工阶段，围岩应力比变化趋近于水平，说明在后续开挖阶段随着初期支护的闭合、仰拱开挖和隧道整体受力合理使得应力重新分布，偏压效应有所减弱。

图6 平面剪应力方向围岩应力比变化曲线

从平面剪应力比变化曲线可以看出，左洞2#/3#和4#/5#变化较大，而右洞7#/8#和9#/10#变化接近直线，最后绝对值趋近于1，说明各施工阶段中左洞所受偏压效应比右洞明显。

在最终施工阶段，左洞拱腰处应力比2#/3#值绝对值均大于1，说明左洞拱腰处外侧围岩压力值大于相应内侧位置的围岩压力值，而右洞拱腰处应力比7#/8#值绝对值均小于1，但这同样说明了右洞拱腰处外侧围岩压力值大于相应内侧位置的围岩压力值;同样的，左洞边墙处应力比4#/5#值绝对值均小于1，说明左洞边墙处外侧围岩压力值小于相应内侧位置的围岩压力值，而右洞边墙处应力比9#/10#值绝对值均大于1，但这同样说明了右洞边墙处外侧围岩压力值小于相应内侧位置的围岩压力值。

4.2 位移特征分析

为了能更清晰明显的反应此类隧道在施工过程中位移的位移变化特点，对关键数据控制点的位移进行提取，分析竖直方向位移时提取拱顶和仰拱底部控制点，而分析水平方向位移时则取拱腰控制点和边墙控制点，关键控制点位移变化如图7～图10 所示。图中符号规定为:竖直方向位移向洞内位移为正，水平位移向右位移为正。

图7 拱顶竖直方向位移

由图7 可知:左右洞的拱顶竖直方向位移主要表现为拱顶的沉降，拱顶出现明显沉降在左右洞上台阶开挖阶段，最大位移沉降值分别为左洞拱顶U1#=1.95 cm，右洞拱顶U6#=1.27 cm，由于左洞先于右洞开挖，在左洞施工过程中，右洞拱顶处位置位移有微小上升，之后随着右洞上台阶开挖，拱顶迅速沉降。左洞拱顶最终沉降值U1#=1.70 cm，右洞拱顶最终沉降值U6#=1.11 cm。

由图8 可知:左右洞的仰拱竖直方向位移主要表现为仰拱底鼓，明显的仰拱底鼓出现在左右洞上台阶开挖阶段，随着隧道施工的进行，仰拱竖直方向位移逐渐趋于稳定，由于左洞先于右洞开挖，在左洞施工过程中，右洞仰拱处位置位移几乎不变。左洞仰拱最终位移值U左=3.29 cm，右洞仰拱最终位移值U右=2.98 cm，相比于拱顶沉降位移值，仰拱底鼓位移值要大于拱顶沉降位移值，表明此类隧道的仰拱底鼓现象比较明显。

由图9 可知:左洞拱腰控制点2#和3#，水平方向位移为负值，即点2#和3#向左移动，且位移曲线变化趋势大致相同;而右洞拱腰控制点7#和8#，水平方向位移为正值，即点7#和8#向右移动，且右洞开挖过程中8#拱腰处水平位移显著增加;从右洞开始开挖至施工结束阶段，隧道拱腰外侧点2#和8#的水平位移曲线将拱腰内侧点3#和7#的水平位移曲线包络在内，说明外侧拱腰的水平位移值大于同水平内侧的拱腰水平位移值;左洞拱腰水平收敛值为U左=－0.29－(－0.92)=0.63 cm，右洞拱腰水平收敛值为U右=(1.01－0.41)－(0.71－0.49)=0.38 cm。

图8 仰拱竖直方向位移

图9 拱腰水平方向位移

由图10 可知:最终施工阶段左洞边墙控制点4#水平位移值为负，5#水平位移值为正，表明左洞边墙向岩体方向移动，而右洞边墙控制点9#和10#水平位移值为正，表明右洞边墙向右移动，两洞位移方向不同主要由左右洞的埋深和地表坡度变化造成的;从右洞开始开挖至施工结束阶段，隧道边墙外侧点4#和10#的水平位移曲线将边墙内侧点5#和9#的水平位移曲线包络在内，说明外侧边墙点的水平位移值要大于内侧边墙点的水平位移值;左洞边墙水平收敛值U左=0.64－(－1.49)=2.13 cm，右洞边墙点水平收敛值U右=(1.34－0.41)－(0.11－0.59)=1.41 cm;相比于拱腰收敛值，边墙水平位移值要大于拱腰水平位移值，表明边墙收敛更为明显。