浅埋偏压单洞四车道隧道开挖围岩变形特征数值分析

张玉石

(贵阳市城市发展投资集团股份有限公司 贵阳 550081)

受地形和线路的影响,隧道洞口段不可避免地会出现浅埋偏压等不利的地形条件及复杂的地质条件[1]。浅埋偏压隧道由于其上覆土层较薄,地质条件差,在施工过程中常出现边坡整体滑移、坍塌和地表塌陷等工程灾害。同时,日益增长的交通需求令工程中出现了更多的单洞四车道大断面隧道[2-3],对隧道工程的安全施工也提出了更高的要求[4]。

在浅埋偏压隧道开挖的研究中,李跃强[5]通过数值模拟的方法,对浅埋偏压大断面隧道不同开挖工法的开挖顺序进行了优化分析。宋战平等[6]针对在建的宝兰客专小墁坪隧道出口浅埋偏压段施工稳定性问题,通过数值模拟分析的方法研究了采用三台阶+临时支撑进行开挖时不同上、中台阶距离对围岩和支护结构的影响。宋战平等[7]采用有限元分析软件模拟浅埋偏压隧道洞口段开挖时,有、无超前管棚支护2种工况,通过对比分析了围岩的变形特性和应力分布。曾仲毅等[8]采用数值分析的方法模拟浅埋偏压膨胀性黄土隧道施工过程,对比研究了管棚预支护效果。

可以看出,现阶段对于浅埋偏压隧道开挖的研究已经取得了一定的成果[9],但对于单洞四车道大断面隧道在浅埋偏压情况下开挖的研究则相对较少。针对上述情况,本文以某浅埋偏压大断面隧道为工程背景,对比分析隧道开挖过程中有、无注浆加固2种工况下围岩的变形、应力和塑性区分布特征。

1 工程概况

1.1 地质概况

隧道场区位于西南山地丘陵地区,受地形和线路影响,隧道右幅进口端YK4+955-YK5+035属于浅埋偏压段,埋深在0～9.5 m之间,该段边坡倾角约为25°。隧道进口端地质剖面图见图1。隧道围岩级别为V级,地质条件较差,洞身岩性主要为泥质粉砂岩、炭质泥岩、灰岩夹泥岩,隧道主线为单洞四车道大断面隧道,开挖跨度为21.01 m,开挖高度为13.45 m,开挖面积约为227 m2。本文选取YK4+975-YK5+035段进行分析,该段存在浅埋偏压、大断面,以及地质条件复杂等特点,施工难度大,风险高。

图1 隧道进口端地质剖面图

1.2 隧道施工方案

遵循“先加固、后开挖”的原则,并结合工程具体情况,在浅埋偏压段采用“衬砌结构加强+超前小导管注浆加固+双侧壁导坑法开挖”的工程措施,保证隧道施工安全。

1) 衬砌结构加强。隧道采用复合式衬砌,初期支护为30 cm厚C25喷射混凝土,二次衬砌为75 cm厚C40钢筋混凝土,衬砌结构设计图见图2。

图2 衬砌结构设计图(尺寸单位:mm)

2) 注浆加固。隧道进口浅埋偏压段采用斜向注浆特殊设计,衬砌系统锚杆采用直径42 mm、壁厚4 mm注浆钢花管,长5 m,拱部注浆钢花管斜向打设,打设角度为45°～50°,边墙部位钢花管径向打设。超前小导管采用直径76 mm、壁厚4 mm热轧无缝钢管,长6 m,环向间距为35 cm,纵向排距为300 cm,外插角为5°～12°。衬砌超前支护设计图见图3。

图3 衬砌超前支护设计图

3) 开挖方法。隧道开挖断面大,采用双侧壁导坑法进行开挖,开挖工序为:左导洞上台阶I部开挖→左导洞下台阶II部开挖→右导洞上台阶III部开挖→右导洞下台阶IV部开挖→中导洞上台阶V部开挖→中导洞中台阶VI部开挖→中导洞下台阶VII部开挖。开挖工序示意见图4。

图4 双侧壁导坑法开挖工序示意图

2 数值模型建立

2.1 三维数值模型

选取隧道右幅进口端YK4+975-YK5+035浅埋偏压段进行建模分析,采用midas GTS NX三维有限元软件建立与实际地表相近的三维数值模型。考虑到边界效应的影响,模型水平方向取120 m,沿隧道纵向取60 m,上边界取至地表,竖直方向取隧道底部至下边界的距离为45 m。模型四周边界设置水平方向约束,模型底部边界设置水平和竖直方向约束。

隧道初期支护和双侧壁临时支撑采用二维板单元模拟,二次衬砌、注浆加固区和围岩采用三维实体单元模拟,注浆钢花管和超前小导管采用提高注浆加固区围岩力学参数进行近似模拟。模型共划分140 295个单元,107 720个节点,建立三维数值模型见图5、图6。

图5 三维数值模型(单位:m)

图6 支护结构

2.2 计算参数

模型计算参数根据地勘资料和JTG 3370.1-2018 《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》中的围岩力学参数进行取值。系统锚管和超前小导管注浆加固区采用提高围岩力学参数的方式进行近似模拟[10]。本文分别对开挖过程中有、无注浆加固2种工况进行计算分析。围岩、加固区和支护结构参数取值见表1。

表1 材料参数表

3 数值计算结果分析

3.1 围岩变形分析

隧道开挖完成后,有、无注浆加固2种工况下围岩的竖向位移云图见图7。

图7 围岩竖向位移云图

由图7可知:

1) 2种工况下隧道深埋侧围岩的沉降变形均明显大于浅埋侧,围岩最大沉降值出现在隧道拱顶靠近偏压一侧,最大隆起出现在仰拱底部。

2) 未注浆加固时围岩最大沉降值为9.3 mm,最大隆起值为8.9 mm;注浆加固后,围岩最大沉降值为8.0 mm,最大隆起值为7.6 mm。注浆加固后围岩最大沉降和最大隆起分别减少了13.9%和14.6%。

为了更直观地分析围岩变形特征,分别取YK4+975、YK4+990、YK5+005、YK5+020、YK5+035 5个特征断面进行研究,以下简称为断面1～断面5。特征断面的拱顶沉降和地表最大沉降见表2。

表2 特征断面竖向位移

由表2可知:

1) 双侧壁导坑法施工对控制围岩变形具有较好的作用,施工过程引起的地表沉降和拱顶沉降值均较小。

2) 未注浆加固时拱顶最大沉降值为7.55 mm,地表最大沉降值为6.10 mm;注浆加固后拱顶最大沉降值为6.58 mm,地表最大沉降值为5.30 mm。在注浆加固的作用下,特征断面的拱顶沉降和地表沉降均减小了13%左右。

一般情况下,地表沉降均小于拱顶沉降,地表沉降与拱顶沉降的比值也反映了围岩的沉降变形特征,有、无注浆加固2种工况下特征断面的地表沉降与拱顶沉降比值见表3。

表3 2种工况下地表沉降与拱顶沉降比值

由表3可见:

1) 特征断面隧道埋深均小于0.5倍开挖跨度,隧道埋深越小,地表沉降与拱顶沉降的比值越大。

2) 有、无注浆加固2种工况下地表沉降与拱顶沉降的比值S2/S1均相差不大,且均在70%以上,说明2种工况下,隧道上覆土体均无法形成稳定的承载拱,且上覆土体以整体沉降为主,埋深越小,整体沉降趋势越明显。

为进一步分析浅埋偏压隧道的地表沉降变形规律,取特征断面3的地表沉降进行研究,地表横向沉降曲线见图8。

图8 地表横向沉降曲线

由图8可见:

1) 受地形偏压的影响,隧道深埋侧的地表沉降值和沉降槽宽度均明显大于浅埋侧。注浆加固主要减小了隧道深埋侧的地表沉降变形,对浅埋侧的地表沉降影响较小。

2) 隧道深埋侧上覆土体产生水平位移对浅埋侧土体形成挤压作用,在距离隧道左侧开挖轮廓线20～40 m范围内,地表土体出现了局部隆起现象。由于沉降的不均匀性,可能引起隧道深埋侧上覆土体产生滑动面,最终造成上覆土体拉裂破坏。施工过程中需加强地表监控量测,必要时需采取地表注浆加固措施。

地表和拱顶沉降受双侧壁导坑法开挖工序的影响,在不同施工阶段的沉降变形特征有所不同。选取特征断面3监测点的沉降变形进行分析,地表和拱顶沉降随施工步骤变化的曲线见图9、图10。

图9 地表沉降变化曲线

图10 拱顶沉降变化曲线

由图9、图10可知:

1) 注浆加固后,特征断面3测点的地表沉降和拱顶沉降变形速率和最终沉降值均有所减小。

2) 有、无注浆加固2种工况下地表沉降和拱顶沉降随施工步骤变化的规律基本一致,均呈现4个发展阶段。

①微小变形阶段。从左导洞I部开挖至右导洞III部开挖阶段,这一阶段对特征断面3监测点的沉降变形影响较小,监测点处仅发生了微小的沉降变形,约为总沉降值的5%左右。

②缓慢变形阶段。从右导洞III部开挖至中导洞上台阶V部开挖阶段,开挖工作面逐渐接近特征断面3监测点,此阶段沉降变形发展较为缓慢,沉降值约为总沉降值的30%左右。

③变形剧增阶段。从中导洞上台阶V部开挖至隧道开挖贯通阶段,开挖工作面通过特征断面3后,双侧壁临时支撑也随之拆除,此阶段沉降变形迅速增加,沉降值约为总沉降值的60%左右,注浆加固效果在此阶段作用明显,有效地减小了沉降变形速率和最终沉降值。

④变形稳定阶段。从隧道开挖贯通至支护结构施作基本完成阶段,由于初期支护封闭成环和周围土体逐渐趋于稳定,沉降变形速率不再增大,沉降值逐渐趋于稳定,此阶段沉降值约为总沉降值的5%左右。

3.2 围岩最大主应力分布

隧道开挖引起洞周围岩应力重分布,受浅埋偏压的影响,隧道洞周围岩最大主应力分布呈非对称形式,见图11。

图11 隧道洞周围岩最大主应力分布

由图11可知:

1) 采用双侧壁导坑法施工时,有、无注浆加固2种工况下围岩的最大主应力分布规律相差不大。隧道深埋侧拱脚处的围岩最大主应力最大,分别为-820.3,-818.7 kPa;仰拱处的围岩最大主应力最小,分别为-131.5,136.9 kPa。

2) 受浅埋偏压的影响,隧道深埋侧拱肩处的围岩最大主应力相比于浅埋侧拱肩处减小了约28%;深埋侧拱脚处的围岩最大主应力相比于浅埋侧拱脚处增大了约26%;两侧边墙处的围岩最大主应力相差较小。隧道深埋侧拱脚处出现了应力集中现象,施工中应对该部位加强支护,以提高围岩稳定性。

3.3 围岩塑性区分布

隧道开挖不可避免地会对周围岩体产生扰动,在洞周围岩应力集中区域引起围岩的塑性变形。掌握围岩塑性区分布特征,有助于施工过程中采取应对措施,保证隧道的施工安全。围岩的塑性区分布见图12。

图12 围岩塑性区分布

由图12可知:

1) 注浆加固对围岩塑性区的分布特征影响较小,塑性区主要分布在隧道两侧边墙,深埋侧的围岩塑性区分布范围明显大于浅埋侧。

2) 隧道浅埋侧的围岩塑性区主要分布在边墙,并向拱顶位置处发展;深埋侧的塑性区主要集中在边墙和拱脚位置处,与洞周围岩的最大主应力分布相对应。施工中可通过增加左、右侧导洞临时横撑和加强锁脚锚杆等措施来防止围岩塑性区的进一步发展。

3.4 衬砌结构安全系数

对隧道衬砌结构进行验算分析,2种工况下衬砌结构的安全系数与裂缝宽度见表4,左侧为隧道浅埋侧,右侧为隧道深埋侧。

表4 衬砌结构安全系数与裂缝宽度

由表4可知,未注浆加固时衬砌结构最小安全系数为6.8,注浆加固后衬砌结构最小安全系数为7.1,均出现在隧道浅埋侧拱腰位置处,隧道深埋侧拱腰与拱脚位置的安全系数也相对较小,但均满足规范要求;2种工况下衬砌最大裂缝宽度均小于0.2 mm,满足规范要求。

4 结论

本文以某浅埋偏压单洞四车道隧道为工程依托,通过数值分析的方法,模拟了双侧壁导坑法施工过程,对比分析了有、无注浆加固2种工况下开挖引起围岩的变形、应力和塑性区分布特征,得出如下结论。

1) 双侧壁导坑法控制围岩变形效果较好,采取注浆加固措施可进一步减小围岩沉降变形,但仍需注意施工过程中围岩不均匀沉降变形引起的隧道上覆土体拉裂破坏。

2) 从围岩的竖向位移来看,隧道深埋侧的沉降变形均大于浅埋侧,且深埋侧的沉降槽宽度也明显大于浅埋侧;隧道上覆土体表现为整体沉降变形趋势,埋深越小,整体沉降变形趋势越明显。

3) 围岩的沉降变形受施工工序的影响,沉降变形发展过程主要经历了微小变形阶段、缓慢变形阶段、变形剧增阶段和变形稳定阶段,4个阶段,其中变形剧增阶段围岩的沉降变形占总沉降值的主要部分。

4) 从围岩的应力和塑性区分布特征来看,围岩塑性区分布范围与洞周最大主应力分布相对应,主要分布在隧道两侧边墙处;隧道浅埋侧边墙的围岩塑性区向拱顶位置发展,隧道深埋侧边墙的塑性区向拱脚处延伸。施工中可通过增加左、右导洞临时横撑和加强锁脚锚杆等措施来防止围岩塑性区进一步发展。