浅埋偏压隧道施工过程中围岩扰动特征研究*

赵海涛,胡 宇,刘丙宇,张彦龙,张小军,高文学

(1.北京建工路桥集团有限公司,北京 100123; 2.北京工业大学城市建设学部,北京 100124)

0 引言

浅埋偏压隧道围岩地质条件相对较差,隧道施工过程中极易引起围岩较大范围的扰动。在不同施工阶段,围岩扰动特征各不相同,并直接影响隧道衬砌结构所受荷载大小。因此,探索浅埋偏压隧道施工过程中围岩应力变化规律,对指导隧道设计和现场施工具有重要意义。

目前,众多学者对隧道施工过程中围岩应力变化规律开展了大量研究。卢钦武等[1]通过引入滑移面偏移角,提出浅埋偏压隧道围岩应力计算的修正模型;徐冲等[2]通过引入水平应力占比系数、广义水平侧应力系数,建立了计算浅埋偏压隧道围岩压力的统一模型;戴俊等[3]、罗彦斌等[4]、聂红宾等[5]、杜建明等[6]、杨公标等[7]建立了不同地质条件下浅埋隧道围岩应力函数表达式。王士民等[8]、但路昭等[9]分析了不同应力释放率下浅埋隧道围岩变形及地表沉降规律;郭瑞等[10]、贾月卿等[11]利用数值模拟分析了围岩应力变化与位移释放的相互关系;李又云等[12]、武松等[13]利用模型试验研究了浅埋隧道的渐进破坏趋势;李化云等[14]采用相似模型试验研究了不同加固措施下的围岩应力与位移变化。

上述研究表明,目前鲜有针对浅埋偏压隧道三台阶法施工过程围岩扰动特征的研究,这无疑增加了现场施工风险。本文以国道109新线高速公路齐家庄隧道为研究背景工程,结合现场监测、理论分析与数值模拟,分析隧道三台阶钻爆法施工过程中围岩应力变化规律,为隧道设计与施工提供参考。

1 工程概况

国道109新线高速公路工程齐家庄隧道设计起讫里程为A1K45+021—A1K45+315,全长294m,隧道净空尺寸为14m×12m(宽×高),试验段拱顶埋深仅10m,地表横向坡度23°,为典型的浅埋偏压隧道,如图1所示。隧道洞身围岩为中风化安山岩,节理、裂隙发育,切割岩体呈块状,基于JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》,综合确定该围岩等级为IV级。

图1 齐家庄隧道洞口

齐家庄隧道采用三台阶钻爆法施工,各台阶开挖循环进尺为2m,施工步距为20m,利用锚杆、HW175型钢拱架与C30喷射混凝土进行初期支护。隧道施工过程中,拱顶沉降变形最大,各台阶施工时“临时拱脚”处应力集中显著,为研究隧道施工过程中围岩应力变化,在A1K45+040断面处布设压力盒,以期获得三台阶法施工过程中围岩应力变化规律。

2 监测结果与分析

当隧道上台阶施工至A1K45+040断面时,在测点P1,P2,P3处布设压力盒,如图2所示;当上台阶施工20m后,中台阶开始施工,此时在测点P4,P5处布设压力盒;待中台阶施工20m后,下台阶开始施工,在测点P6,P7处布设压力盒。

图2 隧道测点示意(单位:m)

隧道施工过程中各测点应力变化规律如图3所示,由图可知,上台阶施工时,测点P1,P2,P3应力值均逐渐上升,表明随着上台阶施工,隧道监测断面处沉降变形持续增大,围岩应力不断增加。当上台阶施工20m时,测点P1,P2,P3处应力值分别为242,478,635kPa,各测点围岩应力增长速率为P1

图3 隧道施工过程中各测点应力变化

当上、中台阶同时施工(施工步距20m)时,测点P1处应力值增长趋势逐渐放缓,并在上台阶施工30m时达到稳定值305kPa,表明随着上台阶不断施工,所监测断面处上台阶围岩应力逐渐达到平衡状态。中台阶施工时,围岩赋存状态发生改变,测点P2,P3处围岩夹制作用减弱,应力值降低在中台阶施工达到14m时趋于稳定值46,163kPa,而测点P4,P5围岩应力值逐渐增大,且增长速率P4

对比分析各测点,P1,P6,P7测点处,围岩应力持续增加并达到稳定状态,其应力发展变化趋势几乎相同;反观P2,P3,P4,P5各测点,围岩应力变化与施工过程、围岩赋存状态密切相关,应力从产生、集中到释放过程,两者表现不同的规律性。

3 隧道施工数值模拟分析

前述试验段监测、分析了隧道埋深10m时三台阶法施工过程围岩应力的变化规律。为了研究不同埋深对隧道施工过程中围岩应力变化的影响,建立齐家庄隧道施工数值模型(埋深10m),将该模拟结果与现场监测结果进行对比分析,验证数值模型参数可靠性;采用控制变量法,建立埋深为5,15,20,25m的施工模型,深入研究不同埋深下围岩扰动变化规律。

3.1 数值模型建立

本模型(埋深10m)中围岩采用弹塑性本构,服从Mohr-Coulomb屈服准则;支护结构采用弹性模型,其中HW175型钢拱架按式(1)进行强度折算。模型顶部为自由面,四周添加水平法向约束,底部为竖向约束;隧道数值模型如图4所示,参数如表1所示。

表1 模型参数

图4 隧道模型示意

(1)

式中:E为折算后喷射混凝土弹性模量(GPa);Ec为喷射混凝土弹性模量(GPa),取24GPa;Ac为喷射混凝土截面积(m2),取0.15m2,Es为HW175型钢拱架弹性模量(GPa),取208GPa;As为HW175型钢拱架截面积(m2),取5.142×10-3m2。

3.2 监测结果与模拟结果对比

由于隧道施工是三维动态施工过程,任一台阶施工均有可能对各测点围岩应力造成影响,因此需根据不同测点分别提取隧道施工过程中围岩应力云图。而基于前述分析,测点P1,P6,P7应力发展趋势几乎相同,测点P2,P3,P4,P5应力变化规律几乎一致,因此以测点P1,P3为代表,分别提取上台阶施工20,22,40,42,60m时围岩应力云图,如图5,6所示。

图5 不同施工距离下测点P1处围岩应力

由图5可知,隧道初始地应力下与上台阶分别施工20,22,40,42,60m时,测点P1处围岩应力分别为49,249,259,276,277,279kPa。这表明隧道埋深10m时,拱顶围岩应力与隧道施工距离成正比,并在施工40m时达到稳定值276kPa,后续隧道施工对其影响较小。相比于监测结果,两者误差较小,稳定值相对误差为8.9%。

隧道施工20m时测点P3处围岩应力云图如图6b所示,其夹制作用明显,应力集中显著;中台阶开始施工时该处应力云图如图6c所示,其应力值由565kPa降至220kPa,降幅达61.1%,而后随着隧道中台阶施工至22m时达到稳定值97kPa。相比于监测结果,两者应力从产生、集中到释放过程,变化规律相同,且峰值应力、稳定值相对误差仅有14.4%,16.7%。

图6 不同施工距离下测点P3处围岩应力

为更直观评价数值模拟的可靠性,结合图3、图5、图6,提取埋深10m时隧道施工过程中测点P1,P3处围岩应力的监测值、模拟值如图7所示,并进行对比分析。

图7 测点P1,P3处围岩应力

由图7可知,测点P1,P3处围岩应力模拟值曲线光滑,而监测值表现出一定波动性,这是由于现场监测时围岩地质条件的变化,而数值模拟将岩体假定为均质体,但两者的变化规律基本一致,相对误差为20.2%,表明该数值模型参数基本合理,采用该参数模拟不同埋深下围岩应力可靠。

3.3 不同埋深下数值模拟结果分析

提取不同埋深下隧道施工过程中测点P1,P3处围岩应力,如图8所示。

图8 不同埋深下测点P3处围岩应力

由图8a可知,隧道埋深在5～25m范围,隧道埋深越大,测点P1处围岩应力越大,不同埋深下该处应力发展趋势基本一致,均表现为隧道上台阶施工10m时,应力增长速率最快,随后逐渐变缓;当施工30m时(中台阶施工10m),围岩应力趋于稳定。

由图8b可知,隧道埋深在5～25m范围,测点P3处围岩应力变化与测点P1处有相同之处:围岩应力值与增长速率随隧道埋深增加而增大;不同埋深下应力发展趋势基本一致。但由于测点P3处围岩赋存状态发生改变,其应力发展趋势有所不同。具体表现为测点P3处围岩应力在隧道上台阶施工6m时增长速率最大,当施工14m时,其应力发展已趋于稳定;当施工20m(中台阶施工)时,应力降低,而后趋于稳定。下台阶施工对测点P1,P3处围岩应力影响均较小。

图9 不同埋深下k值变化

由图9可知,一方面,在埋深5～25m范围时,k值先增大,后达到稳定值7.6;另一方面,随着隧道施工,k先增大后减小,并在隧道施工至11m后,k值<1;这表明在不同埋深下及隧道施工11m范围内,测点P3处围岩由于夹制效应,其应力变化幅度大于测点P1。

4 结语

1)隧道施工过程中,围岩应力产生重分布,其应力发展规律与围岩赋存状态有关:拱顶应力持续增大达到稳定状态,而“临时拱脚”处应力先增大再减小,而后达到稳定状态。

2)偏压作用下,深埋侧围岩应力和其增长速率均大于浅埋侧,而“临时拱脚”处围岩应力集中显著,其应力变化规律受隧道施工过程更加敏感,施工时应重点加强该处围岩应力监测及锁脚锚杆的设计与施工质量。

3)隧道埋深在5～25m时,随着隧道施工,“临时拱脚”与拱顶处应力变化比值随着隧道埋深增加而逐渐稳定;且距离掌子面0～11m时,“临时拱脚”应力变化幅度大于拱顶。