鄒典寬 李耘宇 彭瀚賢 吳雁杰

(1.武漢蔡甸經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)投資集團(tuán)有限公司 武漢 430100；2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063； 3.廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州 510220)

鄰近隧道施工時(shí)，對(duì)既有隧道和圍巖結(jié)構(gòu)的影響較為復(fù)雜，需要監(jiān)測(cè)隧道施工是否對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)造成破壞，以及其施工擾動(dòng)是否對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)造成影響[1]。小凈距隧道的施工難點(diǎn)在于中隔巖柱受力狀態(tài)復(fù)雜、難以控制其穩(wěn)定性[2]。合理的凈距是確保中隔巖柱穩(wěn)定性的關(guān)鍵，因此，許多學(xué)者都對(duì)小凈距隧道的開挖參數(shù)進(jìn)行了研究，張桂生等[3]提出以隧道中巖墻應(yīng)力突變時(shí)的凈距作為隧道合理凈距的相關(guān)理論；王更峰等[4]通過(guò)計(jì)算分析魁岐雙線八車道小凈距隧道在采取不同開挖方式和不同凈距情況下的相關(guān)參數(shù)，得出V級(jí)圍巖條件下的合理凈距為0.55B(B為隧道寬度，下同)；湯勁松等[5]通過(guò)對(duì)IV級(jí)圍巖地層中茅山東隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，提出將塑性區(qū)的分布作為合理凈距判斷的指標(biāo)之一；張永興等[6]利用強(qiáng)度折減法，提出將安全系數(shù)突變時(shí)的凈距作為合理凈距；龔建武等[7-8]計(jì)算了淺埋小凈距隧道的圍巖壓力特征，得出當(dāng)隧道凈距小于0.5B時(shí)，內(nèi)側(cè)圍巖壓力強(qiáng)烈受到凈距影響的結(jié)論。

本文結(jié)合實(shí)際工程，通過(guò)分析掌子面錯(cuò)距，開挖臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)隧道開挖過(guò)程中中夾土柱力學(xué)特征、圍巖塑性區(qū)塑性區(qū)、地表沉降等參數(shù)的影響進(jìn)行相關(guān)分析，以期得出能夠有效限制錨洞附近地層沉降、降低圍巖應(yīng)力值、減小中夾土柱區(qū)域受擾動(dòng)程度的較為合理參數(shù)取值。為更好地掌握小凈距隧道錨洞周圍應(yīng)力分布情況，并及時(shí)有效地對(duì)相對(duì)薄弱區(qū)域設(shè)置支護(hù)，提供相應(yīng)的技術(shù)參考。

1 工程概況

本文以宜昌市伍家崗長(zhǎng)江大橋主橋北側(cè)隧道式錨碇結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，該橋位于湖北省宜昌市，南起點(diǎn)軍區(qū)江城大道，北連伍家崗區(qū)花溪路。伍家崗長(zhǎng)江大橋隧道錨結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 隧道錨結(jié)構(gòu)圖

隧道式錨碇結(jié)構(gòu)位于長(zhǎng)江北岸低丘山體內(nèi)，與最近公路相距40 m，與長(zhǎng)江相距約480 m。主錨塞體呈前小后大的楔形狀，軸線傾角為40°。隧道錨雙洞中心距離37.50 m，最小凈距約21.50 m，結(jié)合小凈距隧道錨洞室變截面、大傾角的特點(diǎn)，實(shí)際工程中選擇臺(tái)階法進(jìn)行開挖，其中，前錨室段斷面較小、圍巖條件較好，采用兩臺(tái)階法開挖，其余部分采用三臺(tái)階法開挖。

2 建立模型

2.1 計(jì)算模型

利用FLAC3D軟件進(jìn)行建模，充分考慮到開挖對(duì)周圍土體擾動(dòng)的影響，選取模型計(jì)算范圍為150 m×140 m×60 m。隧道錨模型示意圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 數(shù)值模型示意圖 圖3 隧道錨模型示意圖

模型共有343 387個(gè)單元，189 267個(gè)結(jié)點(diǎn)。設(shè)置外部網(wǎng)格尺寸為1.2～6 m；精細(xì)化處理隧道錨處網(wǎng)格，尺寸取1～1.2m，并選取摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則作為巖體的本構(gòu)關(guān)系模型。

對(duì)于邊界條件，考慮三維模型地表面自由，底面及四周僅施加法向約束，由于隧道錨大部分屬于淺埋錨洞，因此可以不考慮構(gòu)造應(yīng)力帶來(lái)的影響，僅計(jì)算初始地應(yīng)力。

2.2 圍巖及支護(hù)計(jì)算參數(shù)

隧道錨洞口處巖體質(zhì)量較差，存在強(qiáng)風(fēng)化區(qū)，為V級(jí)圍巖。錨塞體段巖體大部分為IV級(jí)圍巖，少部分為III級(jí)圍巖，相較于V級(jí)圍巖穩(wěn)定性較高且適合錨洞洞室開挖。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定錨洞圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

為了較為準(zhǔn)確地控制隧洞開挖之后的圍巖變形速率與變形值，在架設(shè)錨桿之外，采取架設(shè)工字鋼鋼拱架、鋪裝鋼筋網(wǎng)、噴射C30混凝土的方式進(jìn)行初期加固。由于超前支護(hù)在效果上相當(dāng)于提升了圍巖穩(wěn)定性，在本文建立的計(jì)算模型中，將大管棚與注漿錨桿的超前支護(hù)作用列入考慮，圍巖參數(shù)超前支護(hù)范圍內(nèi)得到相應(yīng)提高，圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

同時(shí)，為了使計(jì)算更加貼近工程實(shí)際，依據(jù)等效原則并利用式(1)對(duì)鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的支護(hù)作用的彈性模量進(jìn)行換算，且將換算后的模量添加到噴射混凝土中。

式中：E為鋼拱架換算后的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面積；Eg為鋼拱架換算前的彈性模量；Sc為噴射混凝土的截面積。

3 掌子面錯(cuò)距對(duì)錨洞力學(xué)特性的影響

3.1 中夾土柱力學(xué)特性的影響

本次選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，在接近先行洞一側(cè)設(shè)置測(cè)點(diǎn)1，在接近后行洞一側(cè)設(shè)置測(cè)點(diǎn)2，選取測(cè)點(diǎn)3設(shè)置于測(cè)點(diǎn)1、2中心處。4.8 m錯(cuò)距下中夾土柱特征點(diǎn)沉降值沿縱向的變化曲線見(jiàn)圖4，測(cè)點(diǎn)1、2、3對(duì)應(yīng)的沉降曲線變化趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)出先增加再降低最后增加并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

圖4 4.8 m錯(cuò)距下中夾土柱特征點(diǎn)沉降值沿縱向變化曲線圖

再對(duì)比相同縱深位置沉降值，可以看到1號(hào)測(cè)點(diǎn)為三者中的最大值最高可達(dá)3.11 mm，而3號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降值則最小僅為0.91 mm。其原因?yàn)楫?dāng)先后導(dǎo)洞進(jìn)行開挖后，錨洞臨空面一側(cè)受到圍巖應(yīng)力，同時(shí)，中夾土柱區(qū)域也受到傳遞而來(lái)的圍巖應(yīng)力作用。而左右導(dǎo)洞傳遞的圍巖應(yīng)力在中夾土柱區(qū)方向相反，導(dǎo)致3號(hào)測(cè)點(diǎn)處部分變形被抵消，這也是3號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降值均小于1 mm的原因。并且，由圖4中可知不同測(cè)點(diǎn)的沉降值在距后行洞掌子面約10 m處迅速減小，均在掌子面前方約6 m處趨于穩(wěn)定。

針對(duì)測(cè)點(diǎn)1，從位移響應(yīng)的角度分析，將掌子面錯(cuò)距分為0，2.4，4.8，7.2，9.6共5組，以距洞口縱向距離為變量研究測(cè)點(diǎn)1沿縱向沉降值的變化規(guī)律，不同錯(cuò)距下測(cè)點(diǎn)1沉降值沿縱向變化曲線圖見(jiàn)圖5。

圖5 不同錯(cuò)距下測(cè)點(diǎn)1沉降值沿縱向變化曲線圖

由圖5可見(jiàn)，1號(hào)測(cè)點(diǎn)的位移響應(yīng)最明顯，是中夾土柱沉降狀況最具代表性的測(cè)點(diǎn)。在錯(cuò)距不同的情況下，測(cè)點(diǎn)1沿縱向沉降曲線變化趨勢(shì)完全一致。當(dāng)錯(cuò)距逐漸增大，沉降值的變化幅值不超過(guò)5.8%。隨著距洞口縱向距離不斷增加，除了錯(cuò)距為0 m之外，在距洞口縱向距離大于50 m處測(cè)點(diǎn)1的沉降值幾乎不產(chǎn)生變化，這一現(xiàn)象也反映出掌子面錯(cuò)距的變化對(duì)于縱深方向測(cè)點(diǎn)1沉降值幾乎不造成影響。

當(dāng)錯(cuò)距為4.8 m時(shí)，中夾土柱特征點(diǎn)Y向位移沿縱向變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 4.8 m錯(cuò)距下中夾土柱特征點(diǎn)Y向位移沿縱向變化曲線圖

由圖6可見(jiàn)，錨洞開挖后，靠近先行洞的1號(hào)測(cè)點(diǎn)，附近中夾土柱偏移方向向先行洞一側(cè)(即Y軸負(fù)方向)。而靠近后行洞2號(hào)測(cè)點(diǎn)，附近中夾土柱偏移方向向后行洞一側(cè)。處在中夾土柱中心位置的3號(hào)測(cè)點(diǎn)，其橫向位移在-0.19 mm與0.22 mm之間上下浮動(dòng)，幾乎可以忽略。由此可見(jiàn)中夾土柱區(qū)幾乎不受錨洞開挖的影響。

不同錯(cuò)距下2號(hào)測(cè)點(diǎn)Y向位移沿縱向變化曲線圖見(jiàn)圖7。

圖7 不同錯(cuò)距下2號(hào)測(cè)點(diǎn)Y向位移沿縱向變化曲線圖

由圖7可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)1、2的變化曲線沿X軸呈近似對(duì)稱分布，且位移值均表現(xiàn)出“減小→增大→再減小”的變化趨勢(shì)。且對(duì)比端點(diǎn)位移值，左端點(diǎn)處2號(hào)測(cè)點(diǎn)位移幅值超過(guò)1號(hào)測(cè)點(diǎn)約1 mm，且據(jù)洞口縱向距離超過(guò)70 m后三者位移值接近統(tǒng)一，可知后行洞洞口位移值大于先行洞洞口處，這是由于軟弱土層對(duì)其影響較大。

由圖7可得，5種錯(cuò)距取值對(duì)Y向位移沿縱向的位移值僅產(chǎn)生極小影響，除錯(cuò)距為0 m之外，曲線變化趨勢(shì)大致相同甚至部分重疊。為減小橫向位移，選取2.4 m或4.8 m錯(cuò)距作為合理掌子面施工錯(cuò)距較為合理。

不同工況下特征點(diǎn)處沉降值及其變化值具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同錯(cuò)距下中夾土柱特征點(diǎn)降值對(duì)比

由表2可見(jiàn)，錯(cuò)距不同情況下，中心線位置的土體沉降值變化率最低僅為1.6%，最高則不超過(guò)3.3%，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。相較而言，靠近錨洞處，距中心線11 m位置土體沉降值較明顯，其變化幅值也相對(duì)更大，最高可達(dá)0.19 mm，可以從中看出中夾土柱區(qū)靠近錨洞一側(cè)在施工擾動(dòng)的影響下沉降值大于中心線位置。

不同錯(cuò)距下中夾土柱沉降值變化曲線見(jiàn)圖8。

圖8 不同錯(cuò)距下中夾土柱沉降值變化曲線圖

由圖8可見(jiàn)，先行洞內(nèi)側(cè)土體沉降值相較于后行洞內(nèi)側(cè)高出約1 mm，且沉降曲線向先行洞內(nèi)側(cè)發(fā)生偏移。當(dāng)掌子面錯(cuò)距不斷增大時(shí)，中夾土柱區(qū)域的沉降值僅發(fā)生輕微的改變。如在距離中心線-11 m處，當(dāng)錯(cuò)距為0 m時(shí)，沉降值為3.68 mm；當(dāng)錯(cuò)距為9.6 m時(shí)，沉降值為4.29 mm，增幅僅為16.5%。綜合以上變化參數(shù)可知，對(duì)于中夾土柱區(qū)域的沉降而言，掌子面錯(cuò)距的影響并不顯著。

3.2 塑性區(qū)發(fā)展的影響

利用數(shù)值軟件分析掌子面錯(cuò)距為0，2.4，4.8，7.2，9.6 m時(shí)塑性區(qū)發(fā)展情況，整理其結(jié)果見(jiàn)表3，另選取掌子面錯(cuò)距為2.4和4.8 m時(shí)隧道錨塑性區(qū)分布情況見(jiàn)圖9。

表3 塑性區(qū)體積計(jì)算結(jié)果

圖9 隧道錨塑性區(qū)分布圖

由表3與圖9可知，選取不同錯(cuò)距情況下，隧道錨中塑性區(qū)的分布基本一致，主要集中在錨塞體后半部分，而右側(cè)塑性區(qū)分布區(qū)域相對(duì)較大是因?yàn)槭艿绞┕さ亩螖_動(dòng)影響。錨塞體部分地層分界線處發(fā)生較大范圍剪切破壞，應(yīng)注意保持這一區(qū)域的錨洞圍巖穩(wěn)定性，及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)?？傮w而言，錯(cuò)距不同對(duì)隧道錨塑性區(qū)體積影響可不予考慮，且不同錯(cuò)距對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)體積之間沒(méi)有明顯聯(lián)系或差別。

4 臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)錨洞力學(xué)特性影響

4.1 拱頂及臨時(shí)仰拱影響

在開挖階段，為使圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，需施作初期支護(hù)和臨時(shí)仰拱，為研究拱頂與臨時(shí)仰拱的沉降與變形，同將臺(tái)階長(zhǎng)度分為5組，分別測(cè)定該臺(tái)階長(zhǎng)度下，雙洞拱頂沉降值與仰拱變形值的變化規(guī)律，并將先行洞與后行洞各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

典型斷面處不同臺(tái)階長(zhǎng)度下雙洞拱頂沉降值與仰拱變形值分別見(jiàn)圖10與圖11。

圖10 典型斷面處不同臺(tái)階長(zhǎng)度下雙洞拱頂沉降值

圖11 典型斷面處不同臺(tái)階長(zhǎng)度下仰拱變形值

由圖10、11可知，拱頂沉降值與仰拱變形值都隨臺(tái)階長(zhǎng)度的增加而有所增大，且二者的變化幅度基本保持一致。臺(tái)階長(zhǎng)度由2.5 m增大至20 m過(guò)程中，拱頂沉降值變化率僅為2.05%，仰拱變形值變化率僅為0.81%。

綜合雙洞拱頂沉降值與仰拱變形值可知，臺(tái)階長(zhǎng)度越長(zhǎng)，先行洞與后行洞豎向收斂也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這也說(shuō)明豎向上洞室向內(nèi)部收斂趨勢(shì)越強(qiáng)烈。

4.2 橫向收斂的影響

以上述分組對(duì)典型斷面處洞身收斂值進(jìn)行測(cè)定，得到結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 典型斷面處不同臺(tái)階長(zhǎng)度下洞身橫向收斂值

由圖12可見(jiàn)，臺(tái)階長(zhǎng)度從2.5 m增加到20 m，先行洞洞身收斂值相應(yīng)地由5.48 mm增加到5.59 mm，增幅達(dá)到2.0%。由此可說(shuō)明增加臺(tái)階的長(zhǎng)度，會(huì)引起先行洞與后行洞二者洞身收斂值增大，并使得洞周圍巖向內(nèi)部變形呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

雖然臺(tái)階長(zhǎng)度越小，對(duì)地表沉降、橫向及豎向收斂造成的影響越小，但當(dāng)進(jìn)行實(shí)際施工時(shí)，必須考慮施工環(huán)境的因素。若采用較小的臺(tái)階長(zhǎng)度，會(huì)導(dǎo)致施工中的互相干擾增強(qiáng)，同時(shí)工人及機(jī)車設(shè)備的作業(yè)空間也會(huì)相應(yīng)減少，不利于施工安全。為了在施工組織與圍巖穩(wěn)定性控制中找到一個(gè)平衡點(diǎn)，建議選取5 m作為臺(tái)階法開挖的臺(tái)階長(zhǎng)度。

5 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬方法，研究并探討了采用三臺(tái)階開挖法的小凈距隧道錨施工參數(shù)的合理選擇。并通過(guò)設(shè)置不同掌子面錯(cuò)距、不同臺(tái)階長(zhǎng)度，以對(duì)比這些因素對(duì)錨洞力學(xué)特性的影響規(guī)律，以此得出合理參數(shù)的選取范圍以作為具體組織施工的參照，完善施工方法。

分析以掌子面錯(cuò)距、臺(tái)階長(zhǎng)度為變量進(jìn)行的參數(shù)測(cè)定，得出以下結(jié)論。

1) 掌子面錯(cuò)距對(duì)中夾土柱沉降值的影響規(guī)律呈現(xiàn)出先增加再降低，最后增加并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，先后導(dǎo)洞進(jìn)行開挖后，錨洞臨空面一側(cè)受到圍巖應(yīng)力，同時(shí)中夾土柱區(qū)域受到施工擾動(dòng)產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力作用，此時(shí)表現(xiàn)為先行洞處中夾土柱沉降值最高。

2) 中夾土柱區(qū)幾乎不受錨洞開挖的影響且掌子面錯(cuò)距對(duì)其影響并不顯著。

3) 不同掌子面錯(cuò)距情況下，隧道錨中塑性區(qū)的分布基本一致，主要集中在錨塞體后半部分。掌子面錯(cuò)距與塑性區(qū)體積并無(wú)具體對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4) 采用臺(tái)階法開挖時(shí)，臺(tái)階長(zhǎng)度的縮短有助于洞周圍巖形成閉環(huán)，從而減少圍巖變形。隨著臺(tái)階長(zhǎng)度增加，地表沉降隨之增大，但地表沉降增幅逐漸減小。

5) 臺(tái)階長(zhǎng)度能加速上洞室向內(nèi)部收斂，并使得洞周圍巖向內(nèi)部變形呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。