城区大断面浅埋小净距隧道全断面开挖条件下围岩力学特性分析

2021-01-05江帆

江西建材 2020年12期

江帆

福州市市政建设开发有限公司，福建福州 350000

0 引言

近年来，一部分山岭地区城市快速路的建设已经进入新的发展时期，因受建设条件限制需要采用小净距或者连拱等特殊的隧道结构形式［1］。其中，小净距隧道具有两隧道施工独立、风险较小、造价较低等特点，较好地解决了双洞隧道接线问题。但由于隧道间距较小，小净距隧道衬砌及围岩的力学行为变得更为复杂。

对此国内学者对此开展了一系列理论分析［2-5］、数值模拟［6-8］、模型试验［9］和工程实践［11-12］的研究，在浅埋小净距隧道围岩压力方面取得了较为丰富的研究成果。然而，在围岩压力计算方面，特别是浅埋大跨条件下隧道围岩荷载作用模式不明确，数值模拟所采用系数与工程实际可能存在一定出入，无法广泛应用，为此有必要对浅埋小净距隧道围岩压力的分布和发展规律此进行深入研究。

本文将实际工程得到的相关参数用于大跨浅埋小净距公路隧道的有限元建模，在分析围岩压力的基础上，总结施工力学行为的主要规律和时空特性，为围岩压力计算、支护设计提、施工安全、质量及进度管控工作具有一定的指导意义。

1 工程背景及开挖方式

本文以福州市工业北路延伸线文林山主线机动车隧道工程为例，工业北路延伸线位于福州市西片区，为南北向骨架路网之一。其中，主线机动车隧道沿现状工业路往北延伸，穿越文林山至梅峰路。隧道左线长1176m，右线长1140m，均为单洞单向4 车道。隧道净宽17.976m，拱高8.6m，含仰拱拱高11.5m。

本工程地质是剥蚀残丘地貌，隧道段地形起伏较大，高程约为。根据相关勘察设计文件，文林山隧道右线YK2+698～YK2+730、YK3+490～3+810，左线ZK2+694～YK2+735、ZK3+480～3+816 区间段地层均为V 级围岩，隧道洞身主要位于砂土状、碎块状强风化花岗岩中，其埋置深度为浅埋、超浅埋，采用复合式衬砌。

图1 文林山机动车隧道的横断面示意图（单位：m）

文林山主线机动车隧道主要采用全断面法、CD 法以及上下台阶法进行分段施工。隧道二衬采用C35 钢筋混凝土，厚70cm；初期支护使用喷射C25 混凝土+I25a 钢拱架，厚31cm，并辅以多道系统锚杆和锁脚锚杆进行加固。

为研究小净距隧道开挖过程中围岩压力分布，故选用对围岩扰动最大的全断面法对隧道进行开挖，其施工横截面示意图如图2 所示：

图2 全断面施工横截面示意图

其中：Ⅰ—左洞隧道；Ⅱ—左洞道系统锚杆支护区域；Ⅲ—右洞隧道；Ⅳ—右洞道系统锚杆支护区域；Ⅴ—中夹岩柱。

整个施工过程主要分为2 施工步骤：

（1）对左洞隧道Ⅰ进行开挖，同时进行左洞隧道初期支护Ⅱ，每次循环进尺；

（2）对右洞隧道Ⅲ进行开挖，同时进行右洞隧道初期支护Ⅳ，每次循环进尺；

2 计算模型的建立

2.1 基本假定

本文数值模拟计算采用有限差分数值平台FLAC3D建立数值分析模型，以此来模拟隧道开挖过程中围岩压力的变化情况。

岩土材料在物理力学特性上存在较大随机性和复杂性，并且小净距隧道修建过程中开挖与支护工序十分复杂，为了能更有效地利用FLAC3D对此过程进行数值模拟，本文将对数值仿真过程采取一定的简化：

（1）围岩简化为均质且各项同性的连续介质，其材料特性考虑为理想弹塑性体，力学特性假定遵循摩尔-库伦强度准则；

（2）只考虑自重应力场，忽略构造应力场；

（3）忽略地表建筑与扩建隧道之间的相互影响；

（4）忽略超前支护对围岩的有利作用；

（5）只考虑初期支护，二次衬砌作为安全储备考虑；

（6）初期支护中系统锚杆的作用效果，将以提高支护区域内围岩的粘聚力c 和内摩擦角Φ 来代替，其参数提高为20%。

2.2 模型参数

碎块状强风化花岗岩采用摩尔-库伦本构模型，隧道初期支护系统采用线弹性本构模型，各项物理力学参数具体见表1。

表1 围岩及衬砌参数

2.3 边界条件

建模时为了有限的减少边界条件对模拟结果的影响，模型在隧道左右边墙各自向外再延伸3 倍洞径。模型水平方向上总宽度约为8 倍洞径，；隧道顶部至模型地表面约为左右，隧道底部至下边界取。模型竖直方向上总高度约为3 倍洞径，。左右洞隧道净距为。为了模拟开挖过程对围岩压力的时空效应，模型设置了了进深。

最终模型尺寸为（宽度高度进深）。围岩采用6 面体实体单元，共计36280 个实体单元，39228 个节点（图3）。隧道初支采用Liner 单元，共计3906 个节点和7520 个单元（图4）。

其中地表面为自由边界，未受任何约束；侧面为法向位移约束边界，允许竖直方向的位移；底面施加固定支座，约束所有位移。

图3 浅埋大断面小静距隧道三维数值模型示意图

图4 二次衬砌模型示意图

2.4 基本假定

根据前述开挖过程及施工工序（图2），在FLAC3D平台上模拟开挖V 级围岩区间段隧道，共计40 个开挖步（图5），其关键开挖步对应工况如表2 所示。

图5 施工工序平面示意图

表2 围岩及衬砌参数

3 计算结果与分析

关于浅埋小净距隧道围岩压力与隧道净距、埋深、围岩级别的关系，以及小净距隧道的施工力学行为，已有较多研究。下面结合文林山机动车隧道全断面开挖，借助有限差分软FLAC3D分析浅埋大断面小净距隧道的围岩压力分布和发展进行分析。

3.1 围岩压力

3.1.1 先行左洞

垂直和水平围岩压力监测点布置分别如图6（a）、（b）所示。将第1 步及以后施工步获取的左洞扩建隧道监测点的法向和切向压力转化为垂直向和水平向的围岩压力。

图6 左洞围岩压力测点布置

图7 为不同开挖阶段上部围岩作用在左洞隧道支护结构上的垂直围岩压力分布图。

图7 开挖过程中左洞垂直围岩压力分布

根据左洞开挖掌子面距监测截面0.1D 这条竖向围岩压力曲线所示：左洞开挖掌子面在监测断面后方，距离约为0.1D，此时稳定的垂直围岩压力可以作为监测面上左洞扩建隧道的初始应力状态，其压力分布大致呈“U”字型；随着左洞隧道的持续进尺，围岩压力分布由“U”型向“W”型过渡，并且在距离监测断面0.5D 内，其竖向围岩压力持续增大，其中靠近扩挖面积较大一侧变化幅度更大。右洞开挖后，隧道两侧靠外的部分拱肩处垂直围岩压力继续呈现增大趋势，然而其增加幅度较左洞隧道开挖（距离监测断面内0.5D）小；而拱顶以及两侧拱肩处的垂直围岩压力存在有减小的现象。右洞开挖后，左洞先行隧道的围岩压力受其影响，隧道拱肩至拱顶部分其围岩压力出现一定的增加，靠近右洞一侧围岩压力增大值较左侧大，最大增量达0.08MP；两侧边墙受其影响较小，尤其是远离右洞一侧的边墙，其影响可忽略不计。

左洞隧道两侧水平围岩压力如图8（a）、（b）所示。在左洞开挖过程中，水平围岩压力持续增大，拱脚处围岩压力大于拱顶及拱肩。右洞开挖施工令两侧水平围岩压力也继续呈现增大趋势。同时，靠近右洞一侧水平围岩压力的增量大于左侧水平围岩压力值的增量，最大增量为0.15MP。

图8 开挖过程中左洞水平围岩压力分布

3.1.2 后行右洞

垂直和水平围岩压力监测点布置分别类似图6（a）、（b）所示。将第31 步及以后施工步获取的右洞洞隧道监测点的法向和切向压力转化为垂直向和水平向的围岩压力，如图9 和图10（a）、（b）所示。

如图9 和图10 所示，右洞隧道监测面上的垂直围岩压力及水平围岩压与如左洞隧道类似。对比图7 和图9、图8 和图10 可知，在浅埋小净距隧道开挖过程中，先行洞所受围岩压力（垂直、水平向）大于后行洞所受围岩压力。且对于垂直围岩压力而言，隧道内侧（靠中夹岩柱）大于外侧，而隧道两侧分布的水平围岩压力则大致相同。