段克思 劉海明 郭偉

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，雖然我國(guó)公路隧道建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，但是存在著節(jié)理發(fā)育、圍巖破碎、斷層發(fā)育、高地應(yīng)力、地下水、突水突泥等一系列不良地質(zhì)問(wèn)題，將導(dǎo)致隧道開(kāi)挖面不穩(wěn)定，巖體更容易塌方，襯砌難度大，特別是公路隧道處于富水區(qū)強(qiáng)風(fēng)化巖層[1-3]。本文以阿嘎下隧道為工程背景，對(duì)云南地區(qū)富水強(qiáng)風(fēng)化巖層的公路隧道在流固耦合作用下對(duì)隧道襯砌的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，基于滲流理論研究固體與液體相互作用，結(jié)合數(shù)值模擬分析阿嘎下隧道圍巖的穩(wěn)定性，提出有針對(duì)的處理措施。研究結(jié)果可推廣應(yīng)用于阿嘎下隧道中，解決公路隧道富水區(qū)開(kāi)挖、不同土層界面的風(fēng)化巖層開(kāi)挖施工問(wèn)題，為隧道施工提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為類似的公路隧道提供理論、數(shù)值模擬及施工支撐。

1 基本參數(shù)及模型的建立

本文依托阿嘎下隧道的工程概況，運(yùn)用MIDAS GTS NX建立合理的三維模型，模型圍巖等級(jí)為V級(jí)強(qiáng)風(fēng)化糜棱巖，采用CRD開(kāi)挖法對(duì)阿嘎下隧道進(jìn)行模擬開(kāi)挖，同時(shí)采用CRD法比較考慮流固耦合與為未考慮流固耦合時(shí)地表沉降的差異?；緟?shù)如表1所示。

表1 阿嘎下隧道物理參數(shù)

模型計(jì)算區(qū)域：隧道平均埋深取35 m，地下水位線高度取95～105 m，為了消除邊界條件的影響，從隧道開(kāi)挖區(qū)域向兩側(cè)各取略大于5倍的洞徑，向下取略大于5倍的洞高，向上至地表，模型尺寸橫向長(zhǎng)240 m，豎向高116～126 m，縱向沿隧道軸線方向長(zhǎng)140 m，CRD開(kāi)挖劃分343 189個(gè)單元和236 369個(gè)節(jié)點(diǎn)，在提取數(shù)據(jù)時(shí)，為了消除隧道軸線方向邊界影響，提取模型軸向區(qū)間80～100 m段(模型中心區(qū)間20 m)結(jié)果作為研究依據(jù)，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 隧道模型網(wǎng)格圖

邊界約束：為避免模型形成臨空面，導(dǎo)致模型無(wú)法分析計(jì)算，考慮流固耦合時(shí)，在施加靜力約束的同時(shí)，根據(jù)勘探水位條件，在模型兩側(cè)施加總結(jié)點(diǎn)水頭95～105 m[4-7]。

阿嘎下隧道在開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖隧道周圍的土層被嚴(yán)重破壞，則必然會(huì)造成隧道周圍的土層由于外界作用產(chǎn)生的擾動(dòng)而變形，應(yīng)力重新分布[8]，因此在CRD開(kāi)挖法開(kāi)挖阿嘎下隧道中，對(duì)開(kāi)挖圍巖變形監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，而開(kāi)挖隧道地表位移監(jiān)測(cè)是反映圍巖變形的關(guān)鍵參數(shù)。圖2為布置在距兩隧道中心左右各80 m(每2 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))地表監(jiān)測(cè)示意圖。

圖2 地表位移監(jiān)測(cè)示意

使用高密度電法視電阻率成像技術(shù)對(duì)阿嘎下隧道進(jìn)行成像處理，阿嘎下隧道視電阻率成像圖中紅色和橙色區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)高阻區(qū)，代表巖體相對(duì)致密，完整性好，含水量小[9]；綠色和藍(lán)色為相對(duì)低阻區(qū)，代表巖體含水、松散破碎或裂隙含水帶:視電阻率分布不均的，表示巖體物性差異大，推測(cè)為巖體構(gòu)造發(fā)育，松散破碎;視電阻率橫向分布均勻，垂向呈層狀遞增的，表示巖體物性均一，無(wú)構(gòu)造發(fā)育，巖體僅表現(xiàn)為其風(fēng)化程度由淺到深逐漸減弱的自然規(guī)律，如圖3所示。

圖3 阿嘎下隧道高密度電法視電阻率成像

2 CRD開(kāi)挖方式及開(kāi)挖主要步驟

CRD模擬開(kāi)挖主要步驟：拱部超前支護(hù)→左側(cè)上部開(kāi)挖①→左側(cè)上部初期支護(hù)→左側(cè)下部開(kāi)挖②→左側(cè)下部初期支護(hù)→右側(cè)上部開(kāi)挖③→右側(cè)上部初期支護(hù)→右側(cè)上下部開(kāi)挖④→右側(cè)下部初期支護(hù)→分段拆除臨時(shí)支護(hù)→仰拱及回填施工→重復(fù)上面步驟，直到開(kāi)挖結(jié)束。開(kāi)挖進(jìn)尺為0.6 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為8 m。開(kāi)挖示意圖如圖4所示。

圖4 CRD法開(kāi)挖示意

阿嘎下隧道進(jìn)行模擬開(kāi)挖時(shí)，采用左右線同步開(kāi)挖，同步開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)更大[10]，研究同步開(kāi)挖下圍巖穩(wěn)定性的規(guī)律并根據(jù)模擬的結(jié)果選取CRD開(kāi)挖法對(duì)開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性影響相對(duì)較小且經(jīng)濟(jì)的開(kāi)挖方式，對(duì)隧道工程施工具有借鑒和指導(dǎo)意義。

3 流固耦合工況下阿嘎下隧道圍巖位移影響分析

根據(jù)圖2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，在隧道軸線方向選取坐標(biāo)為(-80,80,121)～(80,80，121)布置地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，阿嘎下隧道在未考慮流固耦合作用下，采用CRD開(kāi)挖法，隧道間距分別為1、2、3、4、5d(d為隧道凈寬)時(shí)，隧道不同注漿圈左線與右線同步開(kāi)挖地表沉降量如圖5—圖9所示。

圖5 CRD開(kāi)挖法隧道間距1 d地表沉降量

圖6 CRD開(kāi)挖法隧道間距2 d地表沉降量

圖7 CRD開(kāi)挖法隧道間距3 d地表沉降量

圖8 CRD開(kāi)挖法隧道間距4 d地表沉降量

圖9 CRD開(kāi)挖法隧道間距5 d地表沉降量

在考慮流固耦合的情況下，在隧道注漿圈保持不變的情況下，CRD開(kāi)挖數(shù)值模擬結(jié)論如下：對(duì)比圖5—圖9進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隧道注漿圈保持不變時(shí)，地表最大沉降量隨著開(kāi)挖間距增大而減小，開(kāi)挖間距為1～3d時(shí)，地表沉降量最大值在兩隧道之間中心位置，沉降曲線成“尖U”形，開(kāi)挖雙洞形成的沉降曲線近似等效于開(kāi)挖一個(gè)更大凈寬單隧道所形成的沉降曲線，同時(shí)地表沉降量離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，沉降越小，最終趨近于0 mm；開(kāi)挖間距離為4d時(shí)，地表沉降曲線成“平底U”形，最大沉降量和5d間距時(shí)沉降量相差近30.8%；開(kāi)挖間距離為5d時(shí)，地表沉降曲線成“W”形，地表最大沉降值在隧道拱頂對(duì)應(yīng)的地表處，偏離隧道越遠(yuǎn)，地表沉降越小，最終趨近于0 mm；從圖中-80 m至80 m范圍，中間區(qū)域隨著隧道間距的增加，地表的沉降量減小，兩邊區(qū)間隨著隧道間距的增加，地表的沉降量增大，這是由于左線和右線中間區(qū)域沉降量相互疊加產(chǎn)生，表明隧道間距越小，開(kāi)挖后相互影響較大，隧道間距越大，相互作用越小。但從施工便捷、低運(yùn)輸角度，隧道間距越小越有利，因此綜合考慮選取隧道間距為3d較為適宜。

注漿圈分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5d時(shí)，隧道在不同開(kāi)挖間距左線與右線同步開(kāi)挖地表沉降如圖10—圖14所示。

圖10 CRD開(kāi)挖法0.1 d注漿圈地表沉降量

圖11 CRD開(kāi)挖法0.2 d注漿圈地表沉降量

圖12 CRD開(kāi)挖法0.3 d注漿圈地表沉降量

圖13 CRD開(kāi)挖法0.4 d注漿圈地表沉降量

圖14 CRD開(kāi)挖法0.5 d注漿圈地表沉降量

在考慮流固耦合的情況下，在隧道間距保持不變的情況下，CRD開(kāi)挖數(shù)值模擬結(jié)論如下：對(duì)比圖10—圖14分析發(fā)現(xiàn)，在隧道距離保持不變，0.1d注漿圈引起地表沉降量最大，0.5d注漿圈引起地表沉降量最小，地表最大沉降量隨著注漿圈的增加而減小；0.3～0.5d注漿圈的沉降量曲線相差不大，并且引起的沉降量相對(duì)0.1～0.2d注漿圈引起的沉降較小，但是從低耗能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保角度考慮，注漿圈厚度越小越好，綜合考慮CRD開(kāi)挖法在流固耦合工況下建議注漿圈范圍0.3～0.4d較為適宜。

流固耦合作用下不同隧道間距不同注漿地表最大沉降量如表2所示。

表2 流固耦合作用下不同隧道間距不同注漿圈地表最大沉降量 mm

對(duì)表2數(shù)據(jù)分析表明：隧道間距1d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈-23.5 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈-20.2 mm，沉降差3.3 mm；隧道間距2d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈-19.6 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈-17.9 mm，沉降差1.7 mm；隧道間距3d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈-18.4 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈-16.9 mm，沉降差1.5 mm；隧道間距4d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈-16.8 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈-15.5 mm，沉降差1.3 mm；隧道間距5d時(shí)，地表最大沉降量為0.1d注漿圈-16.3 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈-15.3 mm，沉降差1 mm。在流固耦合作用下，隨著注漿圈和開(kāi)挖間距增加，沉降差從3.3 mm減小至1 mm，充分表明控制好注漿圈厚度和開(kāi)挖間距能減小開(kāi)挖引起的沉降。

4 考慮流固耦合與未考慮流固耦合地表位移對(duì)比

根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)開(kāi)挖間距在3～4d，注漿圈為0.3～0.4d時(shí)最為適宜，所以采用CRD法對(duì)間距3d，注漿圈分別為0.3、0.4d，考慮流固耦合時(shí)與未考慮流固耦合時(shí)地表位移進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖15—圖16所示。

圖15 CRD法0.3 d注漿圈3 d隧道間距

圖16 CRD法0.3 d注漿圈4 d隧道間距

由上圖可知，在流固耦合的工況下，地表沉降更大，因此要特別注重在富水區(qū)地下水的影響，適當(dāng)?shù)脑黾幼{圈和開(kāi)挖間距能有效的減少開(kāi)挖引起的地表沉降。

5 討論

通過(guò)對(duì)上述文章分析以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，現(xiàn)對(duì)地表下沉原因進(jìn)行討論：

(1)強(qiáng)風(fēng)化糜棱巖具有極易破碎的工程性質(zhì)，在考慮流固耦合的情況下，應(yīng)當(dāng)考慮孔隙水壓力對(duì)土層的影響。對(duì)隧道進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)會(huì)對(duì)土層有較大的擾動(dòng)，并且在開(kāi)挖面的部位受孔隙水壓力影響較大，從而影響土體的骨架，這會(huì)使得土體處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致土體固結(jié)沉降上升[11]。

(2)隧道間距對(duì)地表沉降有較大的影響，類比土力學(xué)中的地基附加應(yīng)力來(lái)進(jìn)行討論，當(dāng)隧道間距由大變小時(shí)其對(duì)另一個(gè)隧道來(lái)講其附加應(yīng)力隨距離減小而增大。不僅是距離遠(yuǎn)近會(huì)導(dǎo)致地表沉降出現(xiàn)差異性，幾何位置的對(duì)稱與否、邊界條件的設(shè)立對(duì)沉降也有較為明顯的影響[12]。

(3)從建模角度上來(lái)講，當(dāng)在模型兩側(cè)施加總節(jié)點(diǎn)水頭時(shí)，使該土層具有一定黏性土的性質(zhì)，黏性土具有膠體的特性，黏性土在沉降過(guò)程中會(huì)在其表面生成多種類型的孔隙水，在工程擾動(dòng)下一部分弱結(jié)合水處于流動(dòng)狀態(tài)，隨著土體內(nèi)孔隙水的排出，這就導(dǎo)致了土體體積的變小，從而使土體沉降壓縮，這也就說(shuō)明了為什么考慮流固耦合時(shí)土體發(fā)生的壓縮比未考慮流固耦合時(shí)發(fā)生的土體壓縮要大[13]。

(4)無(wú)論是從考慮流固耦合還是未考慮流固耦合的情況來(lái)講，開(kāi)挖土體的沉降變化規(guī)律在一定程度上具有一致性；開(kāi)挖基坑周邊地表沉降、基礎(chǔ)沉降、支護(hù)變形與剪切的變化趨勢(shì)相一致[14]。

6 結(jié)論

(1)在考慮流固耦合的情況下，通過(guò)控制變量法對(duì)注漿地表沉降量進(jìn)行分析時(shí)，通過(guò)控制隧道間距保持不變的情況下探討了不同尺寸的注漿圈對(duì)地表沉降的影響，結(jié)果表明較小尺寸的注漿圈引起的地表沉降較小，但綜合考慮CRD開(kāi)挖法在流固耦合工況下建議注漿圈取0.3～0.4d較為合適。

(2)在考慮流固耦合的情況下，通過(guò)控制變量法對(duì)注漿地表沉降量進(jìn)行分析時(shí)，通過(guò)控制隧道注漿圈保持不變的情況下探討了不同間距對(duì)地表沉降的影響，結(jié)果表明開(kāi)挖間距較小時(shí)，地表沉降相對(duì)而言較為明顯，當(dāng)開(kāi)挖間距逐步增大，地表中心沉降量相對(duì)減小，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)情況及施工便捷等因素，當(dāng)間距取3d時(shí)較為適宜。

(3)在考慮流固耦合的情況下，注漿圈與開(kāi)挖間距的增加會(huì)使地表沉降量有明顯的減小，因此控制注漿圈與開(kāi)挖間距能有效的控制地表位移。

(4)地表沉降在考慮流固耦合時(shí)其沉降表現(xiàn)與未考慮流固耦合時(shí)有明顯的差異性，考慮流固耦合的地表沉降其沉降表現(xiàn)更為明顯，所以應(yīng)當(dāng)特別注重工程在富水區(qū)段進(jìn)行施工時(shí)的地表沉降問(wèn)題。