山岭公路隧道CD法开挖过程安全稳定性分析

惠 冰,王 琳,张文俊,陈 朋,赵忠孝

(1.山东省交通科学研究院,山东 济南 250102;2.山东科技大学 交通学院,山东 青岛 266590)

近年来,随着交通基础设施的快速发展,隧道建设里程在整个交通里程中的占比日益增加,铁路隧道、公路隧道和地铁隧道的建设规模越来越大。当前国家环保要求日益严格,山区公路建设中隧道代替路堑避免了山体开挖和高陡边坡的出现,其绿色环保效益日益凸显。此外,山区公路一般穿越各种复杂多变的地质体,并伴有地下水、溶洞、节理裂隙岩体甚至断层破碎带等各种不良地质现象,全段面机械或钻爆开挖法已经不再适用。越来越多的隧道采用CD法甚至CRD法进行开挖。隧道开挖过程常采用全过程动态监测,以保证施工过程中的安全。国内外专家学者对CD法进行了大量研究:方勐等[1-2]通过分析云南某隧道原位监测数据,得出了台阶法开挖可有效减小软弱围岩隧道变形的结论;魏弘铭等[3]针对西沟垭隧道建立了4种拱顶沉降回归模型,并将回归模型曲线与工程实测曲线进行了拟合对比;杨志强等[4]、朱熔清等[5]采用FLAC3D有限差分软件模拟了“三台阶五步法”的施工过程,验证了其在软弱围岩中开挖大断面隧道的可行性;刘平等[6]、童保国[7]、孙文君等[8]采用FLAC3D数值计算模型,分析了巷道掘进过程中软弱围岩的应力场、位移场和塑性区的演化规律;张晓勇等[9]、魏勇齐等[10]采用数值仿真方法分别对台阶法、预留核心土法和三台阶法施工过程的围岩变形及地表沉降进行了模拟分析;Sharifzadeh等[11]、Luo[12]、Li[13]等研究了软弱地基中隧道工程采用不同开挖方法和工艺时影响岩体稳定的主要因素;罗彦斌等[14]、卢志强[15]、Xue[16]等基于理论分析、现场测试和数值计算,提出了拱顶沉降和周边收敛主要经历快速增长、缓慢变形和趋于稳定3个阶段;Corbetta等[17]、Carranza[18]等描述了掌子面通过测点之后洞壁径向位移与掌子面至监测断面距离L之间的关系。

笔者以济南至潍坊高速公路鹊山隧道左线隧道为研究对象,对CD法开挖过程中的围岩进行了监测,并采用MIDAS软件对台阶法开挖过程进行了三维数值仿真计算,研究了大断面山岭隧道开挖过程中围岩的力学与变形规律,为类似隧道工程开挖支护提供参考和理论依据。

1 工程概况

济南至潍坊高速公路走向总体呈SN向,沿线地形地貌受地质构造、地层岩性和剥蚀程度的影响较大。拟建隧道下穿低山丘陵、山间谷地,为分离式隧道,双向六车道,左右洞单向各3车道,两洞间净距为20.3～22.1 m,左轴线起止桩号为ZK5+322～ZK6+125,长为803.0 m,右轴线起止桩为K5+320～K6+125,长为805.0 m。桩号ZK5+550,隧道最大埋深为90 m。

1.1 地形地貌

隧道所在区域为低山丘陵,地表植被发育,区域基岩埋深较浅,隧道顶部基岩直接出露,风化现象严重,局部表层覆盖残坡积物,谷底堆积有较厚的洪积物、坡积物。进洞口位于山腰,地形坡度较缓,基岩埋深较浅,可见岩石出露,第4系覆盖层厚度不均,局部较厚,出露岩层以奥陶系灰色薄层白云岩及白云质灰岩夹角砾状白云岩,底部为底砾岩。岩体为层状构造,岩层走向与洞轴线斜交,夹角为72°,进洞口段无断裂构造,岩层结构面发育,局部溶蚀裂隙发育,裂隙面见泥质充填,稳定性较差。

1.2 工程地质条件

隧道进出口岩体破碎程度较高,大部分为Ⅴ级围岩,自稳能力较差。左线隧道ZK5+320～ZK6+125段上覆较厚层第4系残坡积碎石土层,地层下部及隧洞围岩为奥陶系灰岩、泥灰岩,岩体节理裂隙发育,局部溶蚀裂隙发育,岩体呈块状结构,或中、薄层状结构,无断裂构造。隧道局部洞段围岩节理裂隙发育,破碎程度较高,稳定性较差。综合判断隧道洞身段的围岩基本质量等级为Ⅲ～Ⅴ级(表1)。左洞Ⅴ级围岩占比20.8%,Ⅳ级围岩占比37.7%,Ⅲ级围岩占比41.5%。研究对象K5+320～K5+650段为Ⅳ级围岩,K5+650～K6+125段为Ⅴ级围岩,较为破碎。

表1 隧道左线工程地质及岩体结构特征

2 开挖过程监测分析

2.1 CD法工艺流程

针对隧道埋深较浅,上覆地层较为松散破碎,围岩质量等级为Ⅳ、Ⅴ级灰岩以及泥灰岩的情况,左线隧道开挖采用“短进尺”台阶法开挖,即实际开挖时将全断面分为左、右两部分,先开挖左部,再开挖右部,左右两部开挖时均分为上、下两个台阶,“短进尺”开挖步长ΔL=2.0 m,断面监测点布置如图1所示。另外,CD法开挖支护流程如图2所示,在开挖过程中及时将位移测量装置等安装在设计位置。

图1 CD法开挖过程K5+340断面监测点Fig.1 Monitoring point at section K5+340 during CD method excavation

图2 台阶法开挖工艺流程Fig.2 Stepped excavation technology procedure

2.2 监测数据分析

考虑到隧道沿线围岩为Ⅳ、Ⅴ级围岩,开挖方法采用台阶法。开挖过程中对监测断面特征点进行动态监控(图3),图3(a)为第1,2部台阶开挖后在洞口的测量,图3(b)为第1,2,3,4部台阶开挖后在洞口的测量。选取左线隧道ZK5+340断面作为监测断面,对该断面顶拱沉降监测点A的竖向位移、收敛监测点B,C的水平位移进行了监测和分析,沉降观测点A和收敛监测点B,C的位置见图1,其中A点位于拱顶左侧,为沉降监测点;BC线、EF线为收敛监测线。通过对开挖过程中的实时监控,获取了隧道开挖过程中围岩及中间支撑的变形演化规律及支护结构的工作状态信息,为修正初期支护参数、合理确定二次衬砌和仰拱施作时间提供了信息。

图3 采用拓普康GTS-2002全站仪监测隧道现场Fig.3 Site monitoring with Topcon GTS-2002 total station instrument

为了研究台阶法开挖过程中围岩顶拱的最终沉降量以及洞壁的最终收敛值,选取了第4部台阶法开挖过程的部分监测数据进行分析,监测的初始值为第4部台阶开挖,自起始断面ZK5+320(洞口断面,x=0,x表示掌子面距起始断面距离)开挖至监测断面ZK5+340(x=20 m,L=0 m,L表示掌子面距监测断面距离),立即安装沉降监测点A,收敛监测点B,C和E,F,随后进行监测,在各测点位移稳定后,以每开挖步长ΔL=2.0 m的进尺向前推进。同步监测L分别为20,30,40,50,…,200 m时的各监测点位移。

在对第4部台阶全开挖过程进行监控量测过程中,剔除爆破振动引起的误差较大的数据,一般不采集爆破前后时段的数据,由于爆破振动引起的有误差的数据个数极少,监测值如表2所示。表2中数据“+”和“-”号意义:拱顶监测点A发生的位移用“+”表示,即为监测点A发生了沉降;B点位移为正,表示隧道左侧边墙向右,即向洞内发生位移;C点位移为“-”,表示隧道右侧边墙向左发生位移,即向洞内发生位移,BC线缩短,洞径变小,隧道发生了收敛变形。随第4部开挖推进过程的A点沉降曲线以及B,C点的水平位移变化曲线如图4所示。

图4 代表性测点监测曲线Fig.4 Representative measurement point monitoring curves

表2 特征点监测位移

表3 A点沉降监测和计算值

由表2及图4可知:第4部开挖过程中,自洞口开挖至监测断面L=0 m(ZK5+340)安装好各测点后,在进一步开挖前,A点沉降位移δA=7.3 mm。

当开挖推进至L分别为20,30,40 m时,A点沉降位移δA分别为7.6,8.2,8.6 mm,位移增加缓慢。此后至L=50 m断面,A点沉降位移δA=14.3 mm,增长幅度较大。在后续的开挖过程中,A点沉降位移呈现较缓慢增加,至L=200 m断面,A点沉降位移稳定在δA=17.8 mm。

在L=0～70 m段,B,C点向洞内水平位移(收敛变形),B点向洞内水平位移分别在2.1～0.7 mm以及-1.5～-0.8 mm波动。当第4部台阶开挖至L=80 m时,在随后的开挖过程中,B点水平位移稳定在0.5 mm上下,C点水平位移稳定在-1.0 mm上下。B,C两点收敛速率趋近为零,水平位移不再增加,洞室收敛变形稳定。

3 数值模拟分析

济潍高速公路左线隧道位于鲁中山区,地质构造复杂,隧道围岩较为破碎,采用“分部分台阶法”逐步掘进的方法,开挖支护工艺流程复杂,Ⅳ、Ⅴ级围岩存在局部大变形甚至坍塌的风险,为了预测开挖过程中围岩的变形演化规律,保证开挖和施工过程中隧道的安全稳定。采用MIDAS 2020有限元软件对台阶法开挖过程进行计算,将计算结果与实际监测数据进行对比,并根据监测断面特征点位移、应力演化规律预测台阶法开挖过程中围岩松动、松弛范围,为隧道开挖支护提供依据。

计算工况:在第1,2,3部开挖完成后,对第4部开挖过程进行仿真计算,模拟第4部开挖过程:自洞口开挖至ZK5+340断面后,安装单点位移计,随后每开挖步长ΔL=2.0 m,循环开挖直至隧道贯通,为了便于比较,选取L=10 m时A点竖向位移、B点和C点的水平位移计算数值与原位监测值进行对比分析。

由表2及图4可知:第4部开挖过程中,自洞口开挖至监测断面L=0 m(ZK5+340)的初始阶段,A点沉降位移δA在7.3～7.6 mm间波动,比较平稳;当开挖推进至L为20～40 m段时,A点沉降值缓慢增加8.6 mm;此后至L=70 m断面,A点沉降值增幅较大,增加16.7 mm;在后续的开挖过程中,沉降变形趋于平缓,至L=200 m断面,沉降变形逐渐稳定下来。

3.1 计算范围

对左线隧道ZK5+320～ZK5+670段进行计算:沿隧道轴向取L=350 m,沿垂直洞轴线的水平方向取B=200 m,高程方向取H=63～120 m,即L×B×H=350×200×(63～120)。地层从上至下依次为分布厚度较小的地表土层、强风化灰岩地层和中风化灰岩地层,计算数值模型如图5所示。

图5 计算范围及三维数值模型(单位:m)Fig.5 Scope of calculation and 3D numerical model (unit: m)

模型边界条件:在模型侧边界,y=0 m、y=200 m断面均沿x向施加约束,限制其在x方向的位移;底部边界固定;模型顶表面边界自由,不受任何约束。

3.2 模型本构关系和材料参数

采用MIDAS有限元软件对隧道第4部开挖过程进行计算,计算本构关系采用Mohr-Coulomb弹塑性破坏强度准则,即

(1)

式中:τ为剪切面上的剪应力,Pa;σ为剪切面上的正应力,Pa;c为黏聚力,Pa;φ为内摩擦角;σ1,σ3分别为第1和第3主应力,Pa。

计算地层分为3层,依次为分布厚度较小的地表土层、强风化灰岩地层和中风化灰岩地层。各地层材料参数取值如表4所示。

表4 各地层材料参数

3.3 计算分析

模拟自洞口x=0 m开挖至x=20 m(L=0 m)断面,获取监测断面A,B,C测点的位移,自监测断面始,每开挖步长ΔL=2.0 m,计算获取每开挖步完成后各监测点的位移。笔者选取x=20 m,L=0 m监测断面的竖向位移云图和水平位移云图进行讨论(图6)。由图6(a)可知:隧道开挖过程中,拱顶发生较大的竖向沉降,最大沉降位移δmax=27.31 mm,实际监测点在拱顶左侧一定距离处,比该值要小。由图6(b)可知:隧道左侧壁发生了正的水平位移,最大水平位移δmax=0.69 mm;隧道右侧壁发生了负向水平位移,最大水平位移δmax=3.39 mm。

图6 x=20 m断面位移云图Fig.6 Displacement cloud of x=20 m section

计算过程中同时也选取了x=260 m断面的竖向、水平位移云图进行研究,断面位移云图如图7所示。由图7(a)可知:隧道开挖至出口处,最大竖向位移δmax=-16.7 mm,一直延伸至地表,引起地表较大的沉降变形。由图7(b)可知:x=260 m断面的水平位移较小,对隧道的稳定性影响较小。

图7 x=260 m断面位移云图Fig.7 Displacement cloud of x=260 m section

选取开挖过程中L分别为20,30,40,50,…,200 m时的各监测点计算位移(表3),开挖过程中A点沉降位移原位监测值见表3。B点和C点相对水平位移ΔBC原位监测值和计算值见表5。模拟台阶法开挖过程,在第1,2,3部岩体开挖完成后,进行第4部台阶开挖,第4部台阶首先开挖ΔL=20 m,然后每开挖步长2.0 m,每循环开挖5步,获取监测点A的沉降位移计算值,将L分别为0,20,30,40,50,…,200 m时对应的位移计算值绘于图8中,同时根据表3中点A的原位监测值得到监测位移随开挖掌子面推进过程的变形曲线(图8)。

图8 A点位移监测和计算对比曲线Fig.8 Point A displacement monitoring and calculation comparison curve

由图8可知:A点沉降位移监测曲线和计算曲线基本吻合,证明了数值计算的正确性,监测值和计算值均表明:在L为40～70 m开挖段,A点竖向位移增长较快,表明该段隧道顶拱围岩较为破碎或节理裂隙发育,开挖过程中围岩应力重分布调整幅度较大,引起A点发生较大的沉降。当L≥70 m时,A点沉降位移随开挖变化不大,拱顶位移沉降变形趋于稳定。

对第4部台阶开挖过程进行模拟,第4部台阶首先开挖20 m,然后每开挖步长ΔL=2.0 m,每循环开挖5步,获取监测点B,C的水平位移,由于B,C测点在同一水平线上,两点之间的相对水平位移反映了隧道的收敛程度,将结果记录在表5中,根据表5中B,C两点的相对位移和对应的L绘出BC线收敛计算曲线。同时,根据表5中监测值绘出BC线收敛监测曲线,结果如图9所示。由图9可知:测线BC监测曲线和计算曲线基本吻合,证明了数值计算的正确性。监测值和计算值均表明:在L为0～30 m段开挖,BC收敛变形增长幅度较大,最大收敛变形δBC=4.7 mm,表明该段隧道边墙向内变形较大;当L为30～40 m时,收敛变形基本不再变化;当L为40～70 m时,BC收敛变形曲线下降较快,下降至1.5 mm,此后收敛变形监测曲线在1.5 mm上下略微波动,而计算曲线呈水平线,表明在L≥70 m后续段开挖过程中围岩侧墙已经基本趋于稳定。

图9 测线BC水平收敛监测和计算对比曲线Fig.9 Comparison curves for monitoring andcalculating the horizontal convergence of the survey line BC

4 结 论

山岭隧道开挖方法中的CD法开挖是减小隧道拱顶及两侧边墙位移,保证隧道安全稳定的有效方法,其最后部分台阶开挖,全断面形成后安全风险控制是隧道开挖支护的关键。笔者结合济潍高速公路鹊山隧道工程左线隧道台阶法开挖过程,采用现场原位监测和数值计算分析研究,得到以下结论:1) 台阶法开挖过程中,每部开挖过程中掘进步长控制可有效减小拱顶和边墙的变形,开挖掘进步长宜根据断面尺寸及围岩岩性、分级和破碎程度确定,同时确定支护方式和时机;2) 监测断面特征点A竖向位移及BC线收敛变形随掌子面推进呈先快速增加,后缓慢减小,最后趋于稳定的趋势,掌子面距监测断面越近,开挖对监测点的位移影响越大,反之则越小,提高最后一部台阶的开挖效率,缩短支护时间,尽快封闭仰拱是保证台阶法开挖过程安全的有效措施。