朱紅桃

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

隧道作為交通工程的重要組成部分，眾多學(xué)者對(duì)其開展了廣泛研究[1-3]。偏壓荷載作用下連拱隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形較為復(fù)雜[4]，為此，諸多學(xué)者對(duì)此類隧道進(jìn)行了分析。霍潤(rùn)科等[5]研究了四連拱隧道的受力變形規(guī)律，分析得出隧道地表沉降規(guī)律。王少?gòu)?qiáng)等[6]研究了偏壓隧道中隔墻的受力和變形特性。張孟喜等[7]結(jié)合數(shù)值模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的耦合模型預(yù)測(cè)了偏壓連拱隧道受力變形特征。龔建伍等[8]利用有限元分析軟件對(duì)比分析了連拱隧道兩臺(tái)階法、中隔壁法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的圍巖穩(wěn)定性和變形規(guī)律。李二兵等[9]結(jié)合淺埋地段大跨度雙連拱隧道施工變形監(jiān)測(cè)分析，提出了控制大變形的方法。曾勝等[10]研究了連拱隧道偏壓段中隔墻內(nèi)力分布特點(diǎn)，認(rèn)為對(duì)其內(nèi)力影響最大的工序?yàn)橄屡_(tái)階開挖工序。賈超等[11]基于隨機(jī)可靠性理論研究了雙連拱隧道開挖過(guò)程中的安全性及風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化了中隔墻施工厚度。萬(wàn)飛等[12]研究了連拱隧道中隔墻的受力特性，得到最不利中隔墻受力的工序時(shí)段及其荷載最不利位置。許崇幫等[13]對(duì)不同偏壓方式下的隧道施工進(jìn)行研究，得出不同施工工序?qū)χ懈魤ζ珘旱挠绊?。時(shí)亞昕等[14]采用數(shù)值模擬軟件建立了雙連拱隧道的三維有限元模型，對(duì)不同形式中隔墻的力學(xué)特征進(jìn)行模擬，并給出不同圍巖中隔墻設(shè)置形式。由于連拱隧道結(jié)構(gòu)的特殊性和施工工藝的復(fù)雜性，開挖方式的選擇正確與否決定了工程的穩(wěn)定與安全性。本文針對(duì)公路連拱隧道建立三維有限元計(jì)算模型，采用不同的施工工法模擬連拱隧道施工過(guò)程，基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果優(yōu)化施工方案，為類似工程施工提供參考。

2 工程概況

項(xiàng)目地處廣東省茂名市，隧道凈長(zhǎng)299 m，隧址區(qū)植被茂密，多為林地，局部陡壁段有基巖出露。洞身穿越區(qū)多為Ⅴ級(jí)圍巖，主要巖性為泥巖夾砂巖，其中泥巖呈中厚、薄層狀。設(shè)計(jì)為雙連拱隧道，隧道斷面見(jiàn)圖1。

圖1 連拱隧道襯砌設(shè)計(jì)斷面

3 有限元模型

基于數(shù)值模擬軟件，選取三維彈塑性本構(gòu)模型對(duì)隧道的開挖、支護(hù)施工過(guò)程進(jìn)行有限元模擬分析。其中，采用實(shí)體單元對(duì)隧道圍巖、中隔墻進(jìn)行模擬，采用板單元模擬初支結(jié)構(gòu)，采用植入型桁架模擬錨桿。據(jù)Mohr-Coulomb使用準(zhǔn)則，支護(hù)結(jié)構(gòu)及中隔墻服從彈性形變。支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道圍巖力學(xué)特性及支護(hù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

隧道模型僅考慮其自重應(yīng)力。模型左右及上下長(zhǎng)度分別取其跨徑的5倍和3倍，除上邊界按山體走勢(shì)模擬外，其它邊界均進(jìn)行位移約束，見(jiàn)圖2。

圖2 連拱隧道有限元三維模型

4 施工方案優(yōu)化分析

選取偏壓連拱隧道關(guān)鍵斷面，采用三導(dǎo)洞法和中導(dǎo)洞法進(jìn)行數(shù)值模擬與優(yōu)化分析。

4.1 圍巖應(yīng)力分析

采用三導(dǎo)洞法中導(dǎo)洞開挖時(shí)，塑性區(qū)出現(xiàn)在拱頂?shù)淖髠?cè)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳處，隨著掌子面推進(jìn)開挖斷面周圍也出現(xiàn)了塑性區(qū)。到第47步左洞上臺(tái)階開挖時(shí)，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中隔墻左下腳，為2.6 MPa，左側(cè)拱底和仰拱處松動(dòng)范圍有所擴(kuò)大。開挖完成后，其應(yīng)力最大值位于中隔墻底部左側(cè)位置處。

鑒于兩種施工工法在前期施工的步序相同，故中導(dǎo)洞法施工模擬始于第42施工步。模擬結(jié)果顯示，隧道左洞的上臺(tái)階模擬開挖完成后，其不穩(wěn)定區(qū)域向拱頂及仰拱處轉(zhuǎn)移，且其仰拱位置處不穩(wěn)定區(qū)域與前述開挖階段導(dǎo)致的圍巖松動(dòng)存在疊加增強(qiáng)作用，隧道處于偏壓地段，易發(fā)生坍塌等事故，故應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)措施。左側(cè)下臺(tái)階開挖完成后，中隔墻處出現(xiàn)臨空面，由于偏壓作用，導(dǎo)致其底部、腰部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。右側(cè)下臺(tái)階開挖完成后，其應(yīng)力最大值變化較小，說(shuō)明非偏壓處隧道的開挖對(duì)中隔墻應(yīng)力變化影響較小，為非重點(diǎn)關(guān)注位置。隧道模擬開挖完成后，其中隔墻底部的最大應(yīng)力值可達(dá)10.3 MPa。

中導(dǎo)洞法施工對(duì)于控制隧道偏壓條件下的斷面變形較三導(dǎo)洞法差。中導(dǎo)洞法易使圍巖不穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)散，導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性差；三導(dǎo)洞法的優(yōu)點(diǎn)在于逐步釋放隧道圍巖應(yīng)力，有效地控制了圍巖不穩(wěn)定區(qū)域的擴(kuò)散。無(wú)論采用哪種施工方案，中隔墻底部都會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，建議施工時(shí)對(duì)中隔墻基底加設(shè)抗拉鋼筋，確保其強(qiáng)度滿足要求，且在洞口等低強(qiáng)度圍巖地段及時(shí)對(duì)中隔墻及地基進(jìn)行加固，以提高其承載力，防止產(chǎn)生裂縫及沉降。

4.2 中隔墻位移分析

圖3為中隔墻的拱頂水平位移隨施工步序的變化曲線。兩種工法施工條件下，中隔墻拱頂位移隨施工步總體呈逐漸增大而后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。三導(dǎo)洞法施工條件下，其位移在第53施工步及58施工步均出現(xiàn)一次峰值，主要是由于施工過(guò)程中的施工偏壓影響所致。在隧道偏壓作用條件下，三導(dǎo)洞法施工最終導(dǎo)致中隔墻拱頂水平位移為2.61 mm；中導(dǎo)洞法施工條件下，在第47施工步，中隔墻的拱頂位移達(dá)到峰值時(shí)隧道開挖至左洞上臺(tái)階的關(guān)鍵斷面，經(jīng)過(guò)該斷面時(shí)位移曲線逐漸下降，到第51施工步右洞上臺(tái)階開挖后，中隔墻拱頂在地層偏壓作用下繼續(xù)向右移動(dòng)，直到第54施工步后，中隔墻位移趨于平穩(wěn)，最終的水平位移值為2.98 mm。

圖3 中隔墻拱頂水平位移隨施工步變化曲線

4.3 中隔墻應(yīng)力分析

本文中應(yīng)力分析點(diǎn)取自中隔墻軸線上，為簡(jiǎn)化分析，取點(diǎn)考慮同一軸線不同位置，分別為軸線上部(拱頂)，中部(拱腰)和下部(拱底)，其應(yīng)力值見(jiàn)圖4。

中導(dǎo)洞法和三導(dǎo)洞法施工導(dǎo)致的中隔墻拱頂應(yīng)力分別為5.0 MPa和4.6 MPa，拱腰處應(yīng)力值分別為3.1 MPa和2.7 MPa，拱底處應(yīng)力值分別為4.1 MPa和3.1 MPa，說(shuō)明雙側(cè)導(dǎo)洞的提前施工可以釋放部分圍巖應(yīng)力。采用三導(dǎo)洞法及中導(dǎo)洞法掘進(jìn)施工條件下，中隔墻承受的壓應(yīng)力隨工序增加呈快速增大趨勢(shì)，上臺(tái)階施工過(guò)程中其應(yīng)力增大情況明顯。上述分析可知，兩種施工方法條件下，中隔墻受力均呈現(xiàn)出拱頂最大、拱底次之、拱腰最小的特點(diǎn)。

4.4 地表沉降分析

兩種施工工法條件下隧道洞口位置地表沉降數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。兩施工方法沉降曲線都表現(xiàn)為“漏斗狀”狀，但左右兩側(cè)表現(xiàn)為不完全對(duì)稱形式，承受偏壓作用部分的沉降量明顯較大。由于偏壓，兩種工法所致的地表沉降最大值位于隧道偏壓一側(cè)，而非中線位置；相比中導(dǎo)洞法施工，三導(dǎo)洞法施工時(shí)洞口各個(gè)位置的地表沉降均較小，相比中導(dǎo)洞法施工時(shí)41.15 mm的最大值，三導(dǎo)洞法為34.41 mm。由此可見(jiàn)，三導(dǎo)洞法開挖較中導(dǎo)洞法更偏于安全。

圖4 中隔墻各位置應(yīng)力值隨施工步變化曲線

圖5 隧道地表沉降曲線

5 開挖空間效應(yīng)優(yōu)化分析

采用三導(dǎo)洞法和中導(dǎo)洞法進(jìn)行數(shù)值模擬與優(yōu)化分析，分別取左右洞開挖面間距為10 m、16 m、20 m、24 m和32 m，當(dāng)隧道左洞開挖一個(gè)施工步長(zhǎng)為4 m時(shí)，分析其導(dǎo)致的右洞開挖面應(yīng)力和位移的改變情況，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同開挖間距條件下隧道右洞測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

由表2可知，當(dāng)連拱隧道左右洞開挖間距由16 m增至20 m時(shí)，其拱頂最大位移、中隔墻最大位移及襯砌最大彎矩增量分別變化了0.39 mm、0.57 mm和5.71 kN·m。此條件下，開挖間距各個(gè)增量的變化值均為最優(yōu)臨界值，故選取20 m為最佳施工間距。

基于上述分析，采用20 m的開挖間距并對(duì)左洞設(shè)置不同的施工步長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得右洞不同位置處的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 左洞不同施工步長(zhǎng)下右洞不同位置數(shù)據(jù)值

由表3可知，開挖一次進(jìn)尺從2 m遞變到4 m時(shí)，中隔墻最大位移和初襯最大彎矩增量的變化值為0.61 mm和5.0 kN·m，拱頂最大位移為1.67 mm，比其他相鄰步長(zhǎng)增量差都要大，因此選取開挖最優(yōu)步長(zhǎng)為4 m較為合理。

6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

6.1 壓力盒監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

以隧道斷面處的監(jiān)控量測(cè)為例分析圍巖壓力數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖6。

圖6 初期支護(hù)和圍巖接觸壓力時(shí)程曲線

由圖6可知，開挖15 d內(nèi)，隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)拱頂承受的壓力較?。婚_挖后15～45 d內(nèi)，圍巖壓力逐漸增加，增至1.7 MPa后逐漸趨于平穩(wěn)，因此拱頂處圍巖的擾動(dòng)較為明顯。左拱肩所受壓力在前期變化不大，后期則快速增大。右拱肩所受壓力總體均逐漸增大，開挖22 d后有下降趨勢(shì)，主要是由于右洞掌子面遭遇斷面，右洞的施工影響了左洞右側(cè)拱肩所承受的壓力，因此在隧道施工前應(yīng)加強(qiáng)右拱肩的加固措施，施工后期則需加強(qiáng)隧道左拱肩以及拱頂?shù)谋O(jiān)控量測(cè)工作。開挖35 d后，拱頂、左拱肩和右拱肩的壓力值基本穩(wěn)定在1.7 MPa、1.3 MPa和1.4 MPa左右。

6.2 中隔墻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

中隔墻應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖7。

圖7 中隔墻應(yīng)力變化曲線

由圖7可知，其受力變化明顯，左右兩側(cè)承受荷載明顯增大且最終趨于穩(wěn)定，左側(cè)及右側(cè)的應(yīng)力值分別趨于4.1 MPa和2.6 MPa附近。經(jīng)分析，其右側(cè)壓力明顯小于左側(cè)，原因?yàn)樗淼雷髠?cè)承受偏壓致中隔墻兩側(cè)不均勻受力，非對(duì)稱不均勻應(yīng)力作用使得中隔墻內(nèi)部出現(xiàn)扭矩，累計(jì)至一定程度后可導(dǎo)致中隔墻開裂乃至失穩(wěn)。故施工前期設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮中隔墻的抗扭及抗傾覆功能。

7 結(jié)論

采用數(shù)值模擬、監(jiān)控量測(cè)兩者結(jié)合方式對(duì)偏壓連拱隧道的施工過(guò)程和方案優(yōu)化進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論:

(1)數(shù)值分析結(jié)果表明，采用中導(dǎo)洞法圍巖應(yīng)力為10.3 MPa，是三導(dǎo)洞法的1.2倍；中隔墻位移及應(yīng)力值分別為2.98 mm、5.0 MPa，是三導(dǎo)洞法的1.1倍。因此，偏壓條件下連拱隧道施工建議采用三導(dǎo)洞法。為減弱左右洞的相互干擾，右洞開挖掌子面要滯后左洞掌子面20 m為宜，綜合圍巖穩(wěn)定及工期要求，開挖步長(zhǎng)取4 m為最優(yōu)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果表明，偏壓連拱隧道施工過(guò)程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象較易出現(xiàn)在襯砌與中隔墻連接處以及隧道拱頂處；左側(cè)承受偏壓作用，導(dǎo)致中隔墻兩側(cè)受力不均勻，左側(cè)及右側(cè)的應(yīng)力值分別趨于4.1 MPa和2.6 MPa附近，數(shù)值模擬值與實(shí)際吻合度高。

(3)施工過(guò)程中需對(duì)中隔墻基底采取局部加固措施，墻身設(shè)置臨時(shí)支撐，及早采取二次襯砌和仰拱施工成環(huán)等安全措施。