分离式双隧道围岩支护与沉降规律研究

2023-09-27李朝阳欧阳旺刘钱丰刘正兴杨俭兴王圣龙崔梦园刘涛影

科技创新与应用 2023年27期

李朝阳，李鹏，欧阳旺，刘钱丰，刘正兴，杨俭兴，王圣龙，崔梦园，刘涛影

（1.广西六宾高速公路建设发展有限公司，南宁 530023；2.湖南联智科技股份有限公司，长沙 410200；3.中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083）

随着“十三五”规划纲要的提出，广西继续施行交通发展是第一要务的战略，不断地加快广西的交通基础设施建设。自从1997 年广西的第一条高速公路建成通车，广西高速公路开始飞速发展。高速公路总里程达到6 803 km，建成高速公路28 条，构建了极其庞大和复杂的高速公路网，基本实现了高速公路县县通，大大提高了运输能力和效率[1]。高速公路建成过程中，往往会遇到隧道开挖问题，现如今施工方法越来越精进，施工步骤越来越多，从传统的矿山法、钻爆法到如今的中隔壁法（CD 法）、交叉中隔壁法（CRD 法）、双侧壁导坑法等。隧道施工稳定性研究，是工程中必不可少的一部分，可提供一些施工建议和安全保证。何信[2]利用有限元软件FLAC3D 模拟分离式隧道开挖和支护，得出分离式隧道开挖间距应在2 倍洞径左右。邢立志[3]对分离式隧道围岩支护稳定性进行研究，提出一种新式的隧道围岩支护方法。伍达富等[4]对有限元的无支圆形隧道拱顶下沉进行分析，得出隧道拱顶下沉值变化关系。汪振众[5]采用MIDAS/GTS NX 有限元方法对不同侧覆土厚度下偏压隧道围岩拱顶沉降的时空规律进行研究，发现侧覆土厚度较大时，偏压隧道最大沉降位移逐渐向拱顶转移。本文以广西高良隧道为依据，研究中度埋深分离式隧道分步开挖的施工过程中的隧道拱顶位移变化、隧道周围变形、初支应力、内撑受力、二衬受力、锚杆受力和分离式隧道中间岩石受力及地表沉降规律。利用理论与实际参数相结合，模拟结果与实际的监测数据进行对比，研究分离式隧道CRD 法同时开挖的隧道影响规律，为同类型工程提供一定理论依据。

1 工程概况

高良隧道进洞口位于南宁市宾阳县陈平镇高良村东北侧，出洞口位于陈平镇谭冲村西南侧，为分离式双洞隧道；左幅起讫里程为ZK32+647.00～ZK34+955.00，长2 308 m，最大埋深约374 m，右幅起讫里程为K32+636.00～K34+917.00，长2 281 m，最大埋深约378 m。本文根据施工设计，取右线K34+620~K34+680 及其对应左线部分，长60 m，隧道断面宽为12.02 m，高为8.53 m，两隧道间距离为20 m，模拟部分埋深为95.31 m。暗挖隧道区段土层由上到下依次为全风化碎岩、强分化岩和中风化岩。暗挖隧道围岩级别为Ⅴ级，采取CRD 法施工[6]，使用超前小导管[7]进行超前支护，初支为喷砼、钢筋网、锚杆支护，设防水层，再进行二次衬砌和铺底。

2 隧道数值模拟模型构建

为了分析分离式隧道施工过程中隧道、支护、围岩等受力情况，构建了如图1 所示的长度为60 m 的分离式隧道模型。考虑到数值模拟的精准度，隧道左右围岩大于5 倍洞径宽度，隧道下部围岩大于5 倍洞径高度，最后构建出的模型尺寸为180 m×60 m×175 m。模型中围岩部分、二衬部分为实体单元，采用摩尔-库伦本构模型，具体材料物理力学参数见表1；初支及内撑采用板单元模拟，锚杆采用一维植入式桁架模拟，均采用弹性本构模型进行模拟，网格构建使用混合四面体网格，模型边界设置自动约束，同时设置自重。隧道模型分为左线和右线2 部分，每一部分都采用CRD 法开挖，开挖步骤分为30 步，每次开挖循环设置为2 m，模型施工过程与实际施工同步骤，减少误差。最终构建模型包含有10 万个网格单元，如图1 所示。

表1 材料物理力学参数

图1 分离式隧道模型

3 隧道施工模拟结果分析

3.1 监测点布置

为了增加数值模拟的准确度，隧道开挖过程与实际开挖对应，隧道开挖、初支、内撑、二衬及锚杆等都采用对应模拟材料进行模拟。首先开挖左侧隧道，利用CRD 法进行施工模拟，开挖顺序如图2 所示，首先开挖隧道①部分，随后进行初支和内撑的支护，随后再依次进行隧道②、隧道③、隧道④部分的开挖和支护；隧道①部分开挖时，相邻开挖台阶错距6 m。CRD 法开挖的施工准则为管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭和勤量测，自上而下，分块成环，随挖随撑，及时做好初期支护，开挖的每一步都各自封闭成环，兼有台阶法和双侧壁导坑法的优点，有利于围岩稳定，保证施工安全[8]。为测量隧道施工过程中隧道围岩沉降情况，现每个隧道界面上设置4 个监测点，每20 m 设置一组监测点，总共4 组监测点。同样，左侧隧道开挖结束后进行右侧隧道的开挖，顺序及步骤同左侧是对称的，同样设置4 组监测点，每组设置4 个监测点，监测隧道开挖过程中隧道拱顶沉降、洞周收敛、隧道变形等，监测点位置如图3 所示。

图2 分离式隧道开挖顺序图

图3 分离式隧道监测点布置图

3.2 拱顶沉降

分别在左侧隧道和右侧隧道拱顶安装沉降检测装置，经过模拟结果分析做出沉降变化曲线，如图4 所示。B1为左侧隧道洞口顶部监测点，对0、20、40 和60 m 处的沉降变化进行数据分析，发现0 处沉降大致为反曲线形状，Step1~5 中隧道①部分开挖后导致隧道顶部受力不均衡，下方支撑力急速下降至0，导致隧道顶部迅速下沉，随后隧道初支及内撑的布置完成，使得隧道顶部受力均衡，Step6~10 下降速度缓和，在Step30 以后，隧道下降趋势基本稳定在5.2 mm 处。在距离洞口20 m处拱顶监测数据显示，在开挖进行到Step7 时，对此处顶部基本无影响，当越来越接近Step10 时，距离洞口20 m 处的拱顶下沉趋势越来越明显；当经过Step10~14时，隧道顶部下沉曲线同上述情况相同，由于下方的支撑岩石被开挖，导致受力不均衡，拱顶迅速下沉，在初支和内撑布置完成以后，下沉趋势减小，受力趋于平衡。而距洞口40、60 m 处沉降曲线与距洞口0、20 m 处基本一致，数据显示60 m 处隧道沉降达到最大7.01 mm，而0、20、40 m 处的最大下沉分别为5.3、5.8、5.9 mm。隧道右侧拱顶沉降曲线与左侧开挖曲线基本一致，洞口处最大下沉发生在Step1~5 处，下沉值约为5 mm，随后下沉值越来越低，趋于平衡。右侧隧道最大下沉值分别为6.7、6.8、6.9 和7.8 mm。

图4 B1、B2 处拱顶沉降变化曲线

3.3 隧道底部变形

两侧隧道开挖过程中均呈现为底部隆起[9]，变形如图5 所示。测点0 处在Step1~5 过程中呈直线上升趋势，曲线斜率先增大再减小，同拱顶沉降曲线不同，主要原因为对测点C1处影响最大的隧道②、④部分为后开挖岩石，所以测点C1的受力在隧道②、④部分开挖完成后达到最大，所以会出现增长斜率先增大后减小。此效应在测点20 m 处最为明显，测点20 m 处在Step5~10 发生微小的上升位移，原因是10~20 m 隧道开挖时对此测点造成应力干扰，在开挖越是接近20 m处，对测点20 m 的影响就越来越大。测点40、60 m 处的隧道底部变形会先发生下沉再上移，主要原因是隧道开挖后，测点处前侧岩石开挖减少过程中，测点处地应力重分布后，开挖侧围岩减少，对测点处的应力降低，导致测点处发生变形，变形方向为开挖侧。随后测点处经历围岩开挖、初支、锚固和二衬，受力趋于平衡，位移基本稳定。左侧隧道在测点0、20、40 和60 m处的最大位移量为5.9、6.8、6.9 和7.5 mm；右侧隧道在测点0、20、40 和60 m 处的最大位移量为7.0、6.9、7.1 和7.5 mm。两隧道底部变形基本一致，最大变形均为7.5 mm。

图5 隧道底部变形曲线

3.4 隧道围岩变形情况

图6 为分离式隧道4 个监测点在不同的4 个侧位处变形曲线，设置向隧道洞外位移为正。分析图形可知，左右2 条隧道变形曲线相似，不同测点处变形也基本一致，都是先增大后减小再趋于稳定，主要原因为隧道①部分开挖后，左侧壁下部荷载消失，使得地应力集中在左侧壁处，导致左侧壁向洞内凸起，并向周围施压，导致S1测点处先是受到左侧壁应力影响发生正向位移；随后随着隧道②、③、④部分开挖完成，测点S1处左侧壁应力与右侧壁应力影响平衡，而测点上部围岩失去下部支撑导致其发生向洞内的位移。4 个测点在开挖完成后的最大变形量为3.5 mm，最小变形量为2.2 mm；而4 个测点最大正向位移量为0.9 mm，最小正向位移量为0.2 mm。