徐曉冬, 劉杰,*, 段彥福, 謝海巍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院, 烏魯木齊 830052; 2.新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司, 烏魯木齊 830006)

近年來,中國隧道工程的建設(shè)數(shù)量日益增多,截至2021年底,中國公路隧道23 268 處、24 698.9 km[1]。隨著國民經(jīng)濟和交通建設(shè)的不斷發(fā)展,交通流量大幅增長,為滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的交通需求,公路隧道由雙向四車道向雙向六車道甚至八車道發(fā)展。大跨扁平超大斷面單向四車道公路隧道具有通行能力較高、運營費用低、行車安全性高、工程規(guī)模小的特點,越來越多的應(yīng)用在八車道高速公路隧道建設(shè)中[2]。然而,大跨扁平超大斷面公路隧道由于矢跨比小,開挖面積大,巖體結(jié)構(gòu)面交叉組合形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的概率大,對圍巖穩(wěn)定性不利;如果采用的開挖方案不合理,導(dǎo)致圍巖的力學(xué)性態(tài)發(fā)生顯著改變,將引起圍巖發(fā)生大變形,甚至發(fā)生塌方等重大安全事故[3-6]。因此,在大跨扁平超大斷面公路隧道設(shè)計、施工階段選擇合理的開挖方案及輔助施工方法,保證圍巖穩(wěn)定及隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是目前亟待解決的問題。

目前,學(xué)者們針對大跨扁平超大斷面隧道開挖方案開展了大量研究。鮑先凱等[7]基于某大跨超淺埋地鐵隧道工程,利用數(shù)值模擬對隧道開挖的穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素分析,研究了隧道開挖部位對圍巖應(yīng)力及變形的影響規(guī)律。李家正等[8]研究了導(dǎo)洞開挖順序和開挖錯距對地表變形的影響。施有志等[9]基于某雙洞八車道公路隧道工程,通過數(shù)值模擬分析隧道施工時的力學(xué)特征,研究了隧道開挖過程中圍巖變形規(guī)律并對其穩(wěn)定性進行評價。王學(xué)斌等[10]以某超大斷面雙連拱隧道為研究對象,對比“對稱”與“非對稱”兩種開挖方案的圍巖變形與結(jié)構(gòu)受力以確定合理的開挖方案。劉騰等[11]采用極限分析法以確定合理的開挖面支護力,對開挖面穩(wěn)定性進行了研究。葉勇[12]依托粵東某超大斷面隧道工程,對圍巖變形、塑性區(qū)分布的影響程度進行了數(shù)值分析,明確了適合于工程實際的施工方法。楊建民[13]對3種常用大斷面隧道施工方法的優(yōu)缺點進行對比分析,研究表明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法安全系數(shù)高,地表沉降控制好,但對于長距離大斷面隧道開挖宜采用3臺階法。彭學(xué)軍等[14]基于單元安全系數(shù)法優(yōu)化了3臺階法開挖參數(shù)。許平等[15]以某大斷面隧道為工程背景,通過數(shù)值模型分析圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的變形特征和受力情況,論證了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的安全可行性。朱念焜[16]利用數(shù)值模擬對3種隧道開挖工法開挖后隧道的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)域特征進行對比分析,認(rèn)為IV級圍巖大斷面隧道宜采用三臺階法施工。金星亮等[17]以某超大斷面隧道工程為依托,利用數(shù)值模擬對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中隧道圍巖穩(wěn)定性進行了分析。胡濤等[18]針對公路大斷面隧道施工,提出了分部臺階快速施工方法,施工安全高效且經(jīng)濟。

上述研究為大斷面隧道施工提供了一定參考,但大跨扁平超大斷面隧道與上述案例地質(zhì)條件差異性較大,圍巖和支護結(jié)構(gòu)受力變形特征更為復(fù)雜,對于隧道圍巖條件變化時的開挖方案適用性研究較少,因此有必要開展相關(guān)研究。由于大跨扁平超大斷面隧道拱頂結(jié)構(gòu)受力更為不利,拱頂下沉趨勢明顯大于周邊位移的收斂的問題,以連霍高速杏花村1號隧道為工程背景,利用FLAC3D模擬大跨扁平超大斷面單向四車道公路隧道在雙側(cè)壁導(dǎo)坑、三臺階四部開挖兩種不同開挖方法下圍巖和支護結(jié)構(gòu)受力、變形狀態(tài),全方位、多角度地掌握開挖時圍巖和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特征、位移特征,為項目決策提供理論支撐的同時,為今后此類工程的施工提供經(jīng)驗和理論指導(dǎo)。

1 工程概況

連霍高速(G30)新疆境內(nèi)小草湖至烏魯木齊段改擴建工程是新疆第一條四改八高速公路,該項目節(jié)點工程杏花村1號隧道為雙洞八車道高速公路隧道,隧道最大開挖寬度22.56 m,最大開挖高度14.65 m,扁平率0.657,該隧道開挖跨度、斷面面積在國內(nèi)外都屬罕見。上行線全長940.0 m,其中淺埋段210 m,占隧道總長度的22%,Ⅴ級圍巖446 m,Ⅳ級圍巖388 m,Ⅲ級圍巖357 m;下行線全長1 191.0 m,其中淺埋段106 m,占隧道總長度的9%,Ⅴ級圍巖368 m,Ⅳ級圍巖432 m,Ⅲ級圍巖140 m,其中Ⅴ級圍巖主要分布于隧道進出口、洞身淺埋段及地質(zhì)構(gòu)造破碎帶,圍巖穩(wěn)定性差,成洞條件差,成洞困難。

隧道位于白楊河河谷內(nèi),地形地質(zhì)條件復(fù)雜,屬構(gòu)造剝蝕低中山地貌。海拔高度在960～1 070 m。山體受風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重,表面總體呈輕微鋸齒狀。坡面溝槽較發(fā)育。坡面巖體受風(fēng)化剝蝕強烈,表層2.5～5.0 m以碎裂-破碎狀為主。隧道沿線山體基巖裸露,石炭系中統(tǒng)巴音溝第三亞組(C2bc),巖性主要為凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)灰?guī)r等,表層約5 m強風(fēng)化,下伏中風(fēng)化-微風(fēng)化巖層,呈塊狀-中薄層狀為主,層理產(chǎn)狀157°∠55°～60°,層間結(jié)合緊密,硅鈣質(zhì)充填好,巖石細小劈理較密集,表層巖體以破碎、碎裂狀為主。隧道洞身及進出口未見地下水出露,僅在基巖與礫石接觸帶附近見有少量地下水。

2 模型的建立

所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性,圍巖采用平面應(yīng)變單元模擬,初期支護用梁單元模擬,圍巖材料選用摩爾—庫倫本構(gòu)模型,采用大應(yīng)變變形模型計算,支護結(jié)構(gòu)材料采用線彈性本構(gòu)模型,不考慮空間效應(yīng),采用二維平面應(yīng)變計算模型。假定所有材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化。約束除地表外其他5個方向是法向位移,初始應(yīng)力由土體自重產(chǎn)生。

隧道開挖后應(yīng)力釋放系數(shù)取0.3,由于隧道穿越地層無潛水,計算時不考慮地下水在開挖過程中的影響,由于隧道二次襯砌施工前要求地層變形基本穩(wěn)定,計算時不考慮二次襯砌結(jié)構(gòu)。為簡化分析和便于對比分析,計算時不考慮拆除臨時中隔壁及臨時仰拱施工對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。通過設(shè)計的提供的隧道地勘資料可以得出模型計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)Table 1 Parameters of calculation

兩種工況的模型網(wǎng)格劃分的計算范圍均為100 m(寬)×60 m(高)×1 m(長),雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模型網(wǎng)格圖如圖1所示,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模型網(wǎng)格細部圖如圖2所示,為了分析開挖時圍巖的位移、應(yīng)力情況,分別采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與三臺階四部開挖法作對比分析,三臺階四部開挖法模型網(wǎng)格細部圖如圖3所示。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模型網(wǎng)格圖Fig.1 Diagram of the model mesh of double-side heading method

1～4為開挖工序,其中,1為上臺階左側(cè)導(dǎo)坑開挖初支及臨時支護;2為上臺階右側(cè)導(dǎo)坑開挖初支及臨時支護;3為中臺階開挖初支及臨時支護;4為下臺階開挖初支及臨時支護圖3 三臺階四部開挖法模型網(wǎng)格細部圖Fig.3 Detailed diagram of the model mesh of three steps and four steps excavation method

3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖過程分析

3.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法位移變形分析

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法先開挖隧道兩側(cè)導(dǎo)坑,相當(dāng)于先開挖2個小跨度的隧道,并及時施作導(dǎo)坑四周初期支護,導(dǎo)坑跨度約為整個跨度的1/3。再根據(jù)地質(zhì)條件、斷面大小,對剩余部分?jǐn)嗝孢M行一次或二次開挖、支護。待整個開挖面支護成環(huán)且圍巖變形穩(wěn)定后拆除臨時支護,立即施作二次襯砌,開挖步驟如圖2所示。當(dāng)開挖到第8部時,地層變形和位移明顯,其中變形分為3個階段:超前變形階段、變形急劇增大階段及變形穩(wěn)定階段。其中在拱頂距斷面約1倍洞徑時地層即開始超前變形。

圖4為開挖至第8部豎向位移變形云圖,拱頂位移最大,這部分地層變形引起的拱頂沉降實測較困難,卻不能忽視,數(shù)值計算表明,該部分拱頂沉降量約占拱頂總沉降量的30%。拱頂通過監(jiān)測斷面前后是地層變形發(fā)展的主要階段,為施工控制的重點階段。

圖4 豎向位移云圖Fig.4 Contour of vertical displacement

從水平位移云圖(圖5)中可以看出,側(cè)向的位移面在兩側(cè)比較集中,水平位移主要由重力產(chǎn)生的擠壓力導(dǎo)致。

圖5 水平位移云圖Fig.5 Contour of horizontal displacement

由于隧道埋深較深,開挖引起的地層變形幾乎不能傳遞到地表,所以拱頂變形大和地表變形量小。并且該地段雨季時間較短,施工沒有小范圍的冒頂、坍塌造成頂部涌水涌泥現(xiàn)象,所以雙側(cè)壁導(dǎo)坑法造成大面積的塌方的概率較小。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工整體變形較小,最大變形出現(xiàn)在先行導(dǎo)坑臨時支撐處,在拆除臨時支撐前,兩側(cè)拱腰最大收斂值為2.11 cm,拱頂最大下沉值為3.32 cm。

3.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖應(yīng)力場分析

從拱頂?shù)奈灰苼砜?巖石彈性面以外有小面積的塑性區(qū),這是由于開挖后拱頂豎向位移時應(yīng)力擴散導(dǎo)致巖體應(yīng)力重新分布,極限平衡區(qū)的應(yīng)力大,塑性區(qū)面積較大,其中塑性圈半徑可由式(1)得到,塑性區(qū)半徑如式(2)所示。隧道與巖體的交接面塑性較集中,如圖6所示。圍巖塑性區(qū)主要分布在隧道工作面、隧道拱腰、拱底及拱腳處,尤其在拱腳處圍巖剪切變形破壞明顯。因此,臺階施工時,應(yīng)盡快施工臨時仰拱并封閉襯砌成環(huán)。

None為非塑性區(qū);shear-n shear-p為先前剪切塑性區(qū);shear-p為剪切塑性區(qū);shear-p tension-p為剪切、受拉塑性區(qū)圖6 塑性區(qū)云圖Fig.6 Contour of plastic zone

(1)

式(1)中:r為計算點到隧道中心的距離。

(2)

當(dāng)開挖面沒有完全封閉成環(huán)時,拱頂?shù)淖冃芜_到最大時刻,如果不及時封閉成環(huán),拱頂?shù)膽?yīng)力就會從小逐漸積累到最大,所以要及時做好初期支護來保證開挖面的穩(wěn)定性。當(dāng)圍巖作用與支護的徑向應(yīng)力變大時,支護的抵抗力也在變大。與“地層-支護”原理的特征曲線基本一致。當(dāng)開挖第8部后,由于卸載導(dǎo)致拱底土體豎向應(yīng)力減小,拱底壓應(yīng)力變大。此時,拱腰部的應(yīng)力值略有下降,隨著第8部開挖的進行,初期支護結(jié)構(gòu)的整體剛度也在提高,開挖部的減少相當(dāng)于卸載,而拱頂?shù)奈灰葡喈?dāng)于加載,同時,支護結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力也在重新分配和調(diào)整,拱頂?shù)膽?yīng)力和支護的應(yīng)力重新達到應(yīng)力平衡狀態(tài),拱頂?shù)膲簯?yīng)力也基本不再變化。每一部分開挖時各部分的應(yīng)力狀態(tài)均不同,每一個開挖階段應(yīng)力都要經(jīng)歷重新調(diào)整和分配、不平衡到平衡的過程。

3.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法支撐應(yīng)力分析

圖7為全部開挖完畢以后支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力(拉為正)云圖,可以看出,開挖后隧道周圍應(yīng)力分布情況,當(dāng)開挖完全結(jié)束后,剩余的初始應(yīng)力場也重新分布完,此時隧道的截面周邊外的位移完全重新分布完,由于隧道開挖深度大,所以隧道上部的重力對拱頂?shù)某跏紤?yīng)力場影響較大,如果開挖面支撐能力低,圍巖等級較差時圍巖周邊的張拉能力低,應(yīng)力集中區(qū)域有可能發(fā)生剪切破壞。從圖7中可以得到開挖到最后一部時應(yīng)力在6個支撐點上集中。

圖7 支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力(拉為正)云圖Fig.7 Contour of maximum principal stresses (pull is positive) of supporting structure

4 三臺階四部開挖法開挖過程分析

4.1 三臺階四部開挖法位移分析

三臺階四部開挖法將全斷面共分上臺階、中臺階和下臺階,采用平行流水作業(yè),先開挖上臺階,中臺階、下臺階跟進施工。當(dāng)開挖第4部位時,由于斷面比較大,既要控制地表下沉,又要保持拱頂?shù)姆€(wěn)定和位移。豎向和水平位移云圖分別如圖8、圖9所示,可以看出,全部開挖完畢后拱頂和仰拱位移區(qū)域都較大,位移分布較均勻,頂部位移要比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大。豎向位移極值出現(xiàn)在拱頂和拱底,水平位移極值出現(xiàn)在兩側(cè)拱腰處,在拆除臨時支撐前,兩側(cè)拱腰最大收斂值為2.68 cm,拱頂最大下沉值為4.51 cm。

圖8 豎向位移云圖Fig.8 Contour of vertical displacement

圖9 水平位移云圖Fig.9 Contour of horizontal displacement

4.2 三臺階四部開挖法圍巖應(yīng)力場分析

從塑性區(qū)云圖(圖10)中可以看出,三臺階四部開挖法塑性區(qū)有一直擴展到地表趨勢,擴散的形狀呈對角形式,擴散面積比雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法大。擴散的面積越大,開挖隧道的斷面越不穩(wěn)定,施工中尤其做好超前小導(dǎo)管注漿加固巖體工作。

None為非塑性區(qū);shear-p為剪切塑性區(qū);shear-p tension-p為剪切、受拉塑性區(qū);tension-p為受拉塑性區(qū)圖10 塑性區(qū)云圖Fig.10 Contour of plastic zone

由于應(yīng)力影響面積大小與隧道開挖面大小成正比,隧道開挖面越大應(yīng)力影響范圍越大,三臺階四部開挖法一次開挖面比較大,相應(yīng)應(yīng)力影響范圍就越大。從應(yīng)力大小分布來看,拱腰處的圍巖徑向應(yīng)力最大,其次拱頂處圍巖徑向應(yīng)力,最小應(yīng)力產(chǎn)生在仰拱。

從圖6和圖10所示的塑性區(qū)分布進行對比可得,兩種工況下隧道周圍地層塑性區(qū)分布有很大差異,由于隧道跨度較大,兩種工況下隧道周圍地層都出現(xiàn)了很大范圍的塑性區(qū)。三臺階四部開挖法重新分布完的初始應(yīng)力場面積比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大。

4.3 三臺階四部開挖法支撐應(yīng)力分析

三臺階四部開挖法臨時支護結(jié)構(gòu)上應(yīng)力分布的特性,在開挖過程中臨時支撐應(yīng)力分布變化較大,圖11為三臺階四部開挖法支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力(拉為正)云圖,當(dāng)?shù)?部位開挖完后,中間支護結(jié)構(gòu)承受了較大的拉應(yīng)力。

圖11 支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力(拉為正)云圖Fig.11 Contour of maximum principal stresses (pull is positive) of supporting structure

從圖7和圖11所示的臨時支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布進行對比可得,兩種工況下隧道臨時支撐最大主應(yīng)力分布有很大差異,由于三臺階四部開挖法臨時支撐的跨度較大,應(yīng)力分布均勻性差,支撐效果相比于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法差,導(dǎo)致在開挖階段圍巖變形也大。

綜合考慮安全因素和經(jīng)濟因素,建議杏花村1號隧道洞口段、淺埋偏壓段、淺埋及斷層破碎帶段、Ⅴ級圍巖段、Ⅳ級淺埋圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工;Ⅳ級圍巖深埋段、Ⅲ級圍巖段采用三臺階四部開挖法施工。開挖時,應(yīng)嚴(yán)格控制地層變形,認(rèn)真做好隧道施工風(fēng)險評估和地層超前預(yù)支護工作,改善圍巖力學(xué)參數(shù),保證圍巖穩(wěn)定性。在強化超前預(yù)加固參數(shù)、支護參數(shù)的同時,縮短封閉時間,保證隧道順利貫通。洞口加強段、洞口淺埋段等地質(zhì)情況較差、圍巖穩(wěn)定性差不能自穩(wěn)的情況采用大管棚超前支護,Ⅴ級和Ⅳ級洞身段襯砌采用超前小導(dǎo)管注漿工藝,其余圍巖等級較好的段落采用超前錨桿加固[19]。

5 結(jié)論

利用FLAC3D對連霍高速杏花村1號大跨扁平超大斷面隧道在雙側(cè)壁導(dǎo)坑和三臺階四部開挖兩種不同開挖方案下圍巖和支護結(jié)構(gòu)受力、變形狀態(tài)進行了數(shù)值模擬,分析隧道開挖時圍巖和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特征、位移特征,得出如下主要結(jié)論。

(1)采用三臺階四部開挖法開挖時隧道拱頂位移、臨時支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、隧道巖體周邊位移要比采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時大。對于圍巖比較差的段落采用三臺階四部法開挖存在一定的施工風(fēng)險。

(2)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案對圍巖擾動最小,地表沉降、拱頂沉降及圍巖收斂值均較小,對于圍巖較差段落雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有較大優(yōu)勢。

(3)建議隧道洞口段、淺埋偏壓段、淺埋及斷層破碎帶段、Ⅴ級圍巖段、Ⅳ級淺埋圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工;Ⅳ級圍巖深埋段、Ⅲ級圍巖段采用三臺階四部開挖法施工。