基于模型试验的双侧壁导坑法施工过程模拟研究

冯 展,郑国平,2,庄一舟,孙海涛

(1.浙江工业大学 土木工程学院 杭州市 310014; 2.杭州新奥土木工程技术有限公司 杭州市 310051;3.核工业井巷建设集团有限责任公司 湖州市 313000)

0 引言

在超大断面浅隧道施工中,使用双侧壁导坑法能有效控制围岩变形,对保证施工安全具有十分重要的意义[1]。隧道洞口浅埋段一般岩体破碎,稳定性差,施工风险高,大断面隧道一般均采用双侧壁导坑法开挖,以控制围岩变形与松弛,确保隧道整体稳定与支护受力安全。

李跃强等[2-4]利用FLAC3D软件模拟了多种工况下大断面隧道采用双侧壁导坑法的施工流程;汪卫华等[5-7]对双侧壁导坑开挖法进行了优化分析;孙海涛等[8-10]运用数值分析方法研究了双侧壁导坑法中隧道的相关影响因素;刘少峰等[11]基于围岩开挖扰动时应力响应原理,通过模型试验,建立岩质隧道的纵向变形规律曲线,获得隧道开挖最大径向位移与施工工艺的变化规律;冯义[12]针对国内新近出现的低跨比双洞八车道,依托相关实际工程,进行了室内模型试验和必要的数值模拟分析;江浩等[13]分析了模型试验中相似材料的选用原则和关键问题,然后基于两种不同的几何相似程度,比较讨论了模型几何相似程度对隧道模型和隧道原型结构之间应力与弯矩结果的影响程度,研究结果表明,几何相似程度决定了模型相似比尺设计的合理性。

四车道超大断面隧道围岩自稳能力降低,且双侧壁导坑法施工流程复杂。现有文献对双侧壁导坑法施工过程的分析主要基于数值分析和现场监测,前者与采用的物理参数密切相关,荷载释放系数等参数受人为因素影响较大,而后者能采集到的数据有限,费时费力且成本高昂,且针对四车道超大断面隧道开展模型试验的研究尚不多。因此,文章依托温州大罗山隧道,采用模型试验方案,对其开挖和支护过程进行模拟,以期为依托隧道和类似工程提供参考。

1 室内模型试验设计

参考浙江省内首座高速公路单洞四车道小净距隧道工程,进行本次试验设计。结合大罗山隧道的现场地质勘察报告以及设计单位的相关资料,选取该隧道浅埋段某典型断面进行分析,围岩所处等级为Ⅳ级,开挖工法为双侧壁导坑法。

1.1 相似材料

本试验拟定的相似比为50,根据相似第一定理和相似第二定理[14],确定材料性质相似比如下:容重、泊松比、内摩擦角、应变相似比:Cγ=Cμ=Cφ=Cε=1,抗压强度、应力、粘聚力、弹性模量相似比CR=Ce=Cσ=CE=50。本次试验主要考虑隧道双侧壁开挖对围岩应力的影响,为简化试验,不考虑初期支护钢拱架及超前支护的影响。

围岩相似材料以河沙、800目重晶石粉、40目石英砂、二级粉煤灰为骨料,洗洁精作为粘结剂[15],参考程芳卉[16]研究的围岩相似材料配合比例,采用MTS万能试验机和直剪仪等开展围岩相似材料力学试验,最终确定本实验围岩相似材料质量配合比为:河沙∶800目重晶石粉∶40目石英砂∶二级粉煤灰∶洗洁精=41.25%∶24.35%∶15.28%∶12.5%∶5%。原型材料与相似材料力学参数如表1所示。参考徐前卫等[17]断层的研究结果,本试验的节理采用滑石粉进行模拟,厚度为0.1mm,节理间距取4cm。

表1 围岩力学参数

衬砌相似材料采用水和石膏作为主要原料,缓凝剂作为添加剂,初喷混凝土标号为C25,厚度为30cm,二次混凝土标号为C30,厚度为60cm,其参数按照《公路隧道设计规范》[18](JTG 3370.1─2018)取值,按照确定的相似比1:50比选出最佳的水膏比。模型与原型值对比如表2所示。

表2 原型材料与模型材料参数

锚杆采用Φ0.5mm和长度6cm的铁丝模拟,二次衬砌受力主筋(未考虑结构筋)采用Φ1mm的铁丝网进行模拟,其力学参数按试件试验数据为准,通过试验数据和直径,通过原型与模型的等效抗弯刚度EI和等效抗拉刚度EA进行相似模拟。

1.2 试验设备

(1)模型试验台架

模型试验台架由高强玻璃板、左右侧槽钢、背部亚克力板、背部槽钢、顶部支撑反力架和基座等组成,通过在顶部布置千斤顶实施加载。模型试验台架内部空间为3000mm×300mm×1450mm(长×宽×高),在保证整体下降0.1mm范围内,结构承受最大荷载大于1MPa。背部通过安装亚克力及槽钢板进行隧道开挖模拟和隧道二衬结构承载试验。为了减少围岩相似材料与箱壁的摩擦力,在填充相似材料前,在箱体内壁铺设聚四氟乙烯薄膜,并刷一层润滑油。

(2)加载系统

本实验加载方式采用液压千斤顶,均匀布置6个液压千斤顶于反力架下,通过压力传感器和数显装置实现分级加载,在围岩顶部布置模板进行均布荷载传递。本加载系统具有操作简单、布置灵活、加载稳定等优点。

(3)量测系统

本试验的量测系统主要由地表沉降量测系统、围岩应力量测系统组成。地表沉降量采用千分表进行测试,围岩应力由直径14mm土压力计来量测,通过应变仪进行数据采集,采集系统规格为60通道,采集精度高,数据通过应变仪连接电脑收集。

1.3 试验方案

隧道模型试验一般采用“先加载,后开挖”和“先开挖,后加载”的方式进行,由于本隧道为浅埋隧道,故采用后者的方式进行,具体流程如下:

(1)模型材料分类,按照比例搅拌;

(2)在模型箱内分层填筑混合料并人工夯实;

(3)填筑滑石粉并夯实;

(4)按照图1在监测断面布置土压力盒和千分表;

图1 测点布置(单位:cm)

(5)持续填筑至模型顶部。

隧道监测点布置如图1所示,共布置28个土压力盒,布置间距为15cm,左右拱腰处不仅监测围岩的竖向应力,也对其径向应力进行监测;地表处共布置14个千分表,间距不等。仪器布置均位于模型中线处,模型试验箱宽30cm,即均布置在15cm处。

本试验模型开挖采用双侧壁导坑法,每一步开挖进尺为10cm(对应依托工程5m),每个区块在厚度方向分为三层,每层分4步开挖,如第一层开挖步为1-1、1-2、1-3、1-4,共开挖12步,具体施工步骤如表3和图2所示。模型开挖和支护采用实验室专用工具完成,为了保证隧道开挖走向正确,采用全站仪等仪器辅助开挖。

图2 隧道横断面开挖示意图

表3 施工步骤

隧道开挖完成后,拆除临时支护,进行二次衬砌的埋设,通过灌注石膏浆液保证二衬和初期支护之间接触密实,随后通过千斤顶对围岩进行逐级加载,每级加载0.9kN,直至拱顶裂缝充分贯通。

2 试验结果分析

试验结果包括了开挖阶段中围岩的应力变化和地表沉降,以及隧道开挖完成后,附加荷载作用下围岩的应力特征和衬砌裂缝发展情况。

2.1 开挖阶段试验结果分析

2.1.1围岩应力变化

左右数据基本呈对称分布,故采用右侧数据进行分析。隧道开挖阶段围岩应力变化规律如图3所示,负值代表围岩应力值减小,正值代表围岩应力增大。由图3(a)可以看出,隧道开挖后,由于应力释放,右侧拱腰处围岩的竖向应力呈减小的趋势,且越靠经右拱腰,围岩应力减小幅度越大,尤其是最靠近隧道拱腰处的测点,围岩应力减小幅度最大,L8测点围岩竖向应力减小值为345.5kPa;由图3(b)可以看出,右拱腰切向应力的变化规律和右拱腰竖向应力的变化规律相似,均是随着隧道的开挖,围岩的应力均呈减小的趋势,越靠近隧道拱腰处的测点,围岩应力减小幅度越大,L16测点围岩竖向应力减小值为162.4kPa;由图3(c)可以看出,隧道开挖后,L21靠近隧道右拱肩,径向应力减小幅度最大,减小值为690.2kPa,L24测点径向应力值增加,L27测点径向应力值减小;由图3(d)可以看出,拱顶竖向应力的变化规律和右拱腰应力的变化规律相似。由图3可以看出,隧道第一个断面开挖结束,围岩的应力变化值均较小,当第二个断面开挖时,围岩应力盒布置位置处于隧道开挖第二个断面内,围岩应力变化值较大,第三断面开挖结束后,围岩应力变化值减小,表明第二断面开挖结束,围岩应力释放效率最高。

图3 开挖阶段围岩应力特征

2.1.2地表沉降

不同开挖阶段地表沉降曲线如图4所示。从图4中可以看出,隧道双侧壁导坑法开挖后,地表各监测点均发生了不同程度的沉降,其中不同断面开挖结束后,地表沉降最大值均位于模型中间处,地表沉降最大值为5.20mm,其中模型中线左右侧四个点的沉降值较大。第一断面开挖结束后,地表沉降最大值为1.55mm,占总沉降值的29.8%,此时隧道开挖断面未到达监测断面,故地表沉降值均较小;第二断面开挖结束后,地表沉降最大值为4.52mm,增量为2.97mm,占总沉降值的57.1%,此时隧道掌子面已经到达且穿过隧道监测断面,地表发生较大的沉降;第三断面开挖结束后,地表沉降最大值为5.15mm,增量为0.63mm,占总沉降值的12.1%,此时初期支护和临时支护发挥较大的支撑作用,有效控制了围岩的位移,进而控制了地表的沉降;临时支护拆除后,地表沉降最大值为5.20mm,增量为0.05mm,占总沉降值的1%,临时支护的拆除对地表沉降的影响较小,表明初期支护和临时支护效果显著。

图4 不同断面开挖地表沉降曲线(单位:mm)

2.2 加载阶段试验结果分析

隧道加载阶段围岩应力变化规律如图5所示。由图5中可以看出,围岩应力随着千斤顶的加载逐渐增大,在拱顶裂缝未出现时,基本呈线性增长,其中拱顶围岩应力增长速率最大,其次分别为拱肩、拱腰和拱底;当拱顶出现贯穿裂缝时,此时各拱顶、拱肩和拱底围岩应力的增长速率呈减小的趋势,表明此时衬砌的承载力下降。

图5 围岩应力随附加荷载变化曲线

3 结语

文章利用模型试验模拟了隧道的双侧壁导坑法开挖,对开挖阶段和加载阶段的围岩应力等进行分析,得出以下结论:

(1)临时支护拆除后,地表沉降最大值为5.20mm,增量为0.05mm,占总沉降值的1%,表明初期支护和临时支护效果显著。

(2)采用双侧壁导坑法开挖,地表沉降基本沿着隧道中线呈对称分布,故可以推测由于隧道对称性开挖,导坑隧道受到偏压效果不显著。

(3)在隧道开挖阶段越靠近隧道周边的围岩应力监测点,围岩应力变化越大,且围岩应力变化从大到小依次为拱肩切向应力、拱顶竖向应力、拱腰竖向应力、拱腰切向应力,建议做好拱肩和拱顶部位初期支护加固措施。隧道加载阶段,拱顶裂缝贯穿前,围岩应力随着附加荷载的增加,基本呈线性增长,当拱顶裂缝贯穿后,衬砌的承载力明显下降。