层状围岩地质双连拱隧道施工力学行为分析*

2019-01-10田卫明

武汉交通职业学院学报 2018年4期

田卫明

（重庆电讯职业学院，重庆 402247）

1 引言

近年来随着经济的发展，越来越多的连拱隧道正在建设中。连拱隧道开挖面较大，导致施工时很难一次性完整开挖，所以重复的不规则性扰动会导致连拱隧道围岩失稳，极易发生风险事故，所以，连拱隧道的施工对地质条件要求十分严格［1］。当连拱隧道穿越层状围岩时，软弱的围岩在多次扰动情况下发生风险概率急剧上升，给层状围岩条件下连拱隧道的施工带来诸多不确定因素。目前，连拱隧道施工较常用的方法主要有中导洞法和三导洞法。三导洞法对围岩的扰动次数更多，所以一般在层状围岩情况下采用中导洞法。利用FLAC3D对层状围岩条件下连拱隧道施工力学行为分析与研究，可以提前掌握连拱隧道施工时各阶段围岩应力变化，预测风险，达到减少事故的目的。

连拱隧道的施工是目前研究的热点问题，许多学者在这方面做了研究工作。陈蒙、陈娱、高峰等对偏压地质条件下双连拱隧道开挖与支护方式进行研究［2-6］；李新龙、郑鹏武利用数值模拟研究不同工法下双连拱开挖时隧道力学特性［7-8］；于忠波进行了大跨度连拱隧道施工时三维仿真分析［9］；曹伟飚、贾杰南利用有限元分析连拱隧道施工过程［10-12］。综上可知，目前学术界的研究热点集中在连拱隧道施工过程的力学行为，但目前所涉及的研究方向大多在偏压、软弱围岩方面，对层状围岩的研究还较少；数值模拟是研究双连拱隧道力学行为的主要手段。

2 工程概况及模型建立

2.1 工程概况

隧道线路构造为倾角较缓的单斜地质构造，隧道区地质岩性有：薄-中厚层泥质白云岩、中厚层灰岩。隧道洞内路面纵坡-0.85%和-2.75%，最大埋深约42.40m。根据钻探、物探及地质调绘，隧道区地层岩性由新至老为第四系残坡积块石土、填筑土，下伏基岩为三叠系中统松子坎组泥质白云岩、灰岩。块石土主要由块石及碎石夹少量粘土组成，块石及碎石成分为泥质白云岩，各组分分布不均，且稍密、稍干，围岩级别为V级。下伏基岩为三叠系中统松子坎组强风化泥质白云岩、中风化泥质白云岩、灰岩。根据其岩石风化、节理裂隙发育程度及强度差异划分为三层：第一层为强风化泥质白云岩，其岩质软，裂隙极其发育，溶蚀弱发育，岩石极破碎。第二层为中风化泥质白云岩，岩质较软，局部夹薄层状白云岩，裂隙较为发育，呈闭合或微张状，溶蚀弱发育，岩石极破碎。第三层为中风化灰岩，岩石呈灰色，细晶构造，中厚层构造，岩质硬，裂隙较发育，呈闭合或微张状，溶蚀弱发育，岩石极破碎。以上三种岩层均为V级围岩。隧道区域地表水不发育，上部分布一座池塘，该池塘常年有水且无法改移。对施工有一定影响。空隙水及基岩裂隙水主要受大气降水补给，都有较好的透水性和季节性，动态变化较大。

2.2 模型建立

取模拟隧道周围土体40m×54m为分析区域，隧道拱顶距地面16.2m，拱底距离区域岩体底部14.8m；隧道左线与右线拱腰间距21.6m，其中左右线隧道中间中隔墙厚度为1.3m，根据上述区间隧道概况，运用FLAC3D建立数值分析几何模型（图1），模型原点取隧道对称中点，隧道掘进方向为Y正向，高程方向为Z向，向上为正；水平向为X轴向，向右为正，模型底取值Z=-16.59m，模型顶取实际的工程地面，左侧取X=-27m，右侧与左侧对称，隧道前进方向Y向值取10m。模型左、右侧边界约束水平位移，下边界约束竖向位移。

图1 双连拱隧道施工计算几何模型

依据场地岩土工程勘察报告中的岩石、土体材料力学参数，并结合地铁、公路相关设计规范，选取围岩物理、力学参数，支护结构物理、力学参数及桩基结构力学参数。见表1，其中混凝土材料采用弹性材料。

3 施工过程力学行为分析

3.1 施工开挖顺序

连拱隧道采用中导洞开挖施工时，一般先开挖中洞。开挖完成后进行初期锚喷支护。整个施工断面开挖完成后，从开挖中间断面向两侧修筑中隔墙，其余土体为上下台阶法开挖，开挖过程中进行初支二衬的修筑。其施工工序图见下图2。计算过程以每2m为一个循环，每一循环划分为2个计算步骤。中导洞开挖分二步，首先开挖隧道I，III部2m，并施作II部的初期支护；然后从隧道中间断面向两端延伸，修建隧道III部中隔墙。台阶法开挖分三步进行，首先开挖隧道IV部（上台阶）2m，并施作VI部的锚喷支护，然后开挖隧道V部，并施作VII部的锚喷初期支护，最后施作VIII部的二次衬砌模筑钢筋混凝土。

表1 双连拱隧道计算参数表

图2 双连拱隧道中导洞法施工工序图

3.2 围岩及全域应力状况分析

根据开挖过程数值模拟，分析连拱隧道施工时，连拱隧道围岩全域力学行为。为了研究方便，分别取完成初支后和完后二衬施工两个断面为研究对象，进行数值模拟，分析二个阶段力学行为。为定性分析开挖过程中力学变化情况，取开挖第一循环中心位置截面图作为研究对象。

在数值计算时取不同阶段力学行为数据分析各断面在开挖围岩变化。图3-图5是隧道开挖后二衬施工前主应力和剪应力情况，应力变化与塑性区发展分布基本一致。图6-图8是二衬施工后的主应力和剪应力情况，各断面在相同的开挖、支护工况时大主应力、小主应力、剪切应力及塑性区发展分布基本一致。图9显示，在隧道开挖、支护过程中，隧道拱腰及拱脚部分岩体发生拉伸剪切屈服，砂岩岩层也出现层状屈服，但上述塑性屈服区仅在施工过程中被拉伸剪切屈服，现围岩处于稳定状况，仅在隧道两侧拱脚处仍存在剪切屈服。总体来看，隧道及其上方桥台、挡墙处于稳定状态。

图3 开挖初期支护完成、二衬未施作前大主应力图

图4 开挖初期支护完成、二衬未施作前小主应力图

图5 开挖初期支护完成、二衬未施作前剪切应力图

图6 二衬完成后大主应力图

图8 开挖支护完成后围岩剪切应力图

图9 开挖支护施工后围岩屈服状态

通过进行数值模拟，分析应力分布状况，在隧道开挖、支护结构施工过程中，最大受拉主应力值约为1.12MPa，主要集中于隧道拱顶内侧以及拱脚处，整个计算区域主要以受压为主。小主应力图显示，最大受压小主应力值为5.74MPa，隧道两侧拱腰部位初支结构及其周围部分围岩体上出现较大值，整个计算区域主要以受压为主；最大受拉小主应力值为1.30 MPa。剪切应力值最大约为1.12MPa，主要分布于隧道两侧拱顶及拱脚位置处，呈对称分布，但总体量值较小。