淺埋偏壓清水2號(hào)隧道施工收斂性分析

袁 毅

(中鐵二十二局集團(tuán)有限公司 北京 100043)

1 引言

山區(qū)公路隧道建設(shè)時(shí)常需要選在圍巖埋深較淺、風(fēng)化程度較高的地點(diǎn)修建洞口。復(fù)雜的地質(zhì)情況使得隧道出入口處的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律不同于常見的隧道主體段，其淺埋偏壓的特征會(huì)對(duì)隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響[1]，所以在隧道施工中會(huì)要求監(jiān)測(cè)人員對(duì)隧道進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)。但隨著隧道掘進(jìn)，監(jiān)測(cè)人員的工作量顯著增加，給施工組織帶來(lái)了很大的難度。所以，亟需探索出淺埋偏壓隧道施工過(guò)程中襯砌的收斂變形規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)施工預(yù)警最大風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的位置，降低監(jiān)測(cè)人員的工作量。

目前，在這方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)淺埋、偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性方面已做了大量的研究和探討。盧光兆等[2]利用有限元軟件對(duì)淺埋偏壓隧道施工進(jìn)行模擬，確定每次開挖控制在2 m內(nèi)為最佳；李文韜等[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬確定了隧道上臺(tái)階開挖拱頂沉降值占總體沉降的80%以上；萬(wàn)建國(guó)等[4]采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)淺埋偏壓隧道的襯砌病害進(jìn)行分析；白皓等[5]等研究了偏壓隧道變形破壞機(jī)理；王凱等[6]基于強(qiáng)度理論對(duì)淺埋隧道穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；盧偉等[7]采用雙強(qiáng)度折減法探究淺埋偏壓隧道的安全性以及破壞模式。

綜上，針對(duì)淺埋偏壓隧道受力變形已有較多研究，但相關(guān)研究大多是針對(duì)隧道受力穩(wěn)定性而言，對(duì)隧道拱頂收斂規(guī)律的研究不多[8－9]。本文擬通過(guò)數(shù)值模擬的方法，將清水2號(hào)隧道進(jìn)口段工程項(xiàng)目作為背景，以研究淺埋偏壓隧道施工襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[10]為出發(fā)點(diǎn)，利用Midas Gts Nx軟件建立數(shù)值模型，分析隧道施工中襯砌收斂變形規(guī)律[11]，確定施工過(guò)程中最大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)的位置，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，為類似隧道施工監(jiān)測(cè)提供參考。

2 工程概況

國(guó)道G109工程作為北京連接河北的一條新線高速，建成后將大大緩解京西北、京西南地區(qū)的交通壓力，滿足京冀一體化的交通需求，帶動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。這條高速公路建成，將改善太行山革命老區(qū)及沿線其他地區(qū)交通條件，實(shí)現(xiàn)京冀貧困地區(qū)高等級(jí)公路全覆蓋，進(jìn)一步帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，幫助精準(zhǔn)脫貧。

清水2號(hào)隧道為G109高速公路重點(diǎn)控制性工程，所在地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要為第四系坡洪基碎石及強(qiáng)風(fēng)化侏羅系髫髻山組安山巖、角礫熔巖、火山碎屑巖等，地層節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖強(qiáng)度較低，圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，如圖1所示。

根據(jù)隧道工程地質(zhì)條件、圍巖特征，遂采用三臺(tái)階法進(jìn)行施工。

3 隧道施工收斂數(shù)值模擬

清水2號(hào)隧道入口段淺埋偏壓特征明顯，圍巖受力較為復(fù)雜，因此，從安全角度出發(fā)，利用Midas Gts Nx對(duì)淺埋偏壓隧道三臺(tái)階施工法進(jìn)行有限元模擬[12]，并對(duì)施工過(guò)程中的襯砌收斂進(jìn)行分析，為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)提供參考。

3.1 模型參數(shù)

對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，應(yīng)使模擬采用的參數(shù)盡可能符合實(shí)際工程的尺寸、材料等真實(shí)數(shù)值，但為了計(jì)算方便，在不影響模擬分析結(jié)果的前提下可進(jìn)行適度的簡(jiǎn)化。本次模擬作以下假定:

(1)將圍巖視為各向同性的均勻連續(xù)介質(zhì)。

(2)不考慮地下水的影響，只考慮自重引起的應(yīng)力場(chǎng)。

基于以上假定，本模型圍巖采用摩爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型，襯砌和錨桿采用彈性本構(gòu)模型。模型的頂部為自由面、四周添加水平約束、底部添加固定約束。隧道高10 m，寬15 m，施工進(jìn)尺為2 m。本文建立的有限元模型如圖2所示。

隧道施工Ⅳ級(jí)圍巖、襯砌及錨桿的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

3.2 模擬結(jié)果分析

本文重點(diǎn)關(guān)注上臺(tái)階開挖對(duì)淺埋偏壓隧道拱頂及拱肩的沉降變形，忽略中下臺(tái)階開挖對(duì)掌子面前方隧道拱頂及拱肩的沉降變形影響。為進(jìn)一步分析上臺(tái)階開挖對(duì)其沉降變化的影響規(guī)律，分別提取出不同掘進(jìn)深度時(shí)隧道拱頂及拱肩的收斂變化值，繪制圖形如圖3～圖4所示。

圖4 拱肩沉降值

由圖3可知，隨著隧道掘進(jìn)，當(dāng)隧道掘進(jìn)深度小于20 m時(shí)，已開挖隧道拱頂?shù)某两底冃乌厔?shì)較明顯，且距離掌子面越遠(yuǎn)，沉降值越大；當(dāng)隧道掘進(jìn)深度大于20 m而小于40 m時(shí)，拱頂距離掌子面越遠(yuǎn)，沉降值越大，但拱頂距離掌子面大于20 m外的地方，沉降值趨于平緩；當(dāng)隧道掘進(jìn)深度大于40 m后，拱頂沉降最大值出現(xiàn)在掌子面后方15 m左右的位置，拱頂沉降值從洞口到掌子面呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

由圖4可知，隧道掘進(jìn)過(guò)程中，拱肩的沉降趨勢(shì)與拱頂大致相同，但右側(cè)拱肩沉降值要大于左側(cè)拱肩沉降值，卻小于拱頂沉降值。由于是淺埋偏壓隧道，施工時(shí)隧道受力不均勻，需對(duì)左右拱肩進(jìn)一步分析，遂提取出部分隧道掘進(jìn)深度下，以拱頂與拱肩的最大沉降值距離掌子面的距離為x軸繪制圖形如圖5所示。

圖5 最大沉降值位置

由圖5可知，當(dāng)隧道掘進(jìn)深度大于40 m之后，拱頂?shù)淖畲蟪两抵党霈F(xiàn)在距離掌子面15 m左右的位置，而左右拱肩的最大沉降值出現(xiàn)在距離掌子面后方20 m的位置，可以得出左右拱肩的沉降最大值與拱頂?shù)某两底畲笾挡⒉怀霈F(xiàn)在同一截面，施工時(shí)需對(duì)這些位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

由圖6可以看出，對(duì)于施工引起的隧道拱腰水平收斂變形，右側(cè)埋深高處的收斂值比左側(cè)埋深低處的收斂值要大，且隨著埋深的增加，其差值逐漸增加，直至到達(dá)拱腰收斂值最大處，拱腰收斂最大值出現(xiàn)在距離掌子面后方10 m的位置；相比于拱頂與拱肩處的沉降，拱腰的收斂值較小。

圖6 拱腰收斂

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬結(jié)果分析

然而對(duì)于實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)圍巖并不是簡(jiǎn)單的均質(zhì)體，其具有非常復(fù)雜的性質(zhì)，同時(shí)在施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)諸多不確定的因素，所以數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，具有一定的差異性。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，利用BJSD-6型隧道斷面掃描儀對(duì)洞口拱頂變形進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果繪制成圖7。

圖7 拱頂沉降曲線

由圖7可以看出，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)值比數(shù)值模擬的值要略大，這是由于模型參數(shù)來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室力學(xué)實(shí)驗(yàn)，因?qū)嶒?yàn)環(huán)境可控，而現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不可控性，導(dǎo)致圍巖參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)具有一定差異，但二者變形規(guī)律一致，這說(shuō)明模型模擬存在一定的合理性，可以在一定程度上為本隧道施工提供參考建議。

5 結(jié)論

本文結(jié)合清水2號(hào)隧道工程，利用有限元軟件Midas Gts Nx模擬淺埋偏壓隧道的施工過(guò)程，研究了隧道襯砌的沉降變化與隧道掘進(jìn)深度的關(guān)系，得到以下結(jié)論:

(1)當(dāng)隧道掘進(jìn)深度小于20 m時(shí)，隧道的沉降變形趨勢(shì)較明顯，且距離掌子面越遠(yuǎn)，隧道沉降值越大；當(dāng)隧道掘進(jìn)深度大于20 m而小于40 m時(shí)，距離掌子面越遠(yuǎn)，隧道沉降值越大，但距離掌子面大于20 m外的隧道，其沉降值變化趨于平緩；當(dāng)隧道掘進(jìn)深度大于40 m后，隧道沉降值從洞口到掌子面呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，拱頂沉降最大值出現(xiàn)在掌子面后方15 m左右的位置，而拱肩沉降最大值位于隧道掌子面后方20 m處。

(2)隧道拱腰收斂變形最大值出現(xiàn)在掌子面后方10 m的位置。

(3)本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了清水2號(hào)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)隧道變形最大值出現(xiàn)的位置，為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作提供指導(dǎo)，并為類似地質(zhì)條件隧道施工監(jiān)測(cè)提供參考。