在隧道施工技术中对浅埋偏压围岩自稳性较差时通常可采用CRD法施工, 可实现快速封闭, 减少对围岩的扰动, 有效控制围岩变形, 改善围岩受力, 提高围岩稳定性^[1,2,3,4,5]。关于施工顺序方面, 杨小礼^[6]等对某浅埋偏压小净距隧道在不同开挖顺序下进行数值模拟, 得出先开挖各洞外侧时拱顶和中间岩柱的应力、位移较小, 并提出施工时应重点关注中间岩柱、侧墙和拱顶部位的变化情况。聂建春^[7]等通过数值模拟对不同开挖工法进行对比, 得出不同地表倾角下应选择的开挖方案。石熊^[8]等对CRD法施工隧道在不同开挖顺序下的开挖过程进行了数值模拟, 分析比较了不同开挖顺序时的围岩位移、应力变化情况, 得出合理的施工工序。黄强^[9]等将偏压隧道CRD法开挖模拟结果与现场监测结果进行比较, 得出浅埋偏压隧道开挖后, 围岩应力场并不对称, 深埋侧的变化程度大于浅埋侧。徐燕^[10]等运用ANSYS软件对偏压隧道采用CRD法在不同施工顺序下进行二维数值模拟, 分析围岩与支护结构的应力应变情况, 得出偏压隧道CRD法施工应先施工埋深较小一侧的结论。大量的实践表明, CRD法施工时中隔壁的偏向对围岩的应力场和稳定性有较大的影响, 但目前为止国内外无人问津, 本文基于隧道监控量测数据, 在考虑CRD法中隔壁不同偏向方向的同时, 对不同开挖工序下隧道施工中结构和围岩的应力和应变进行了研究, 提出CRD法的优化方案。

梯子峪隧道位于北京市昌平区白洋沟水库旁, 隧道进口段沿线约169m范围内, 上覆土层厚约8～41m, 围岩主要为第四系冲洪积碎石土, 局部为全风化～强风化白云岩, 以碎石为主, 夹黏性土20%～30%, 一般粒径约2～8cm, 工程性质较差。梯子峪隧道为双线六车道公路隧道, 隧道单洞最大开挖跨度为17.22m, 洞高11.21m, 中夹岩柱厚度最小12m, 左线隧道最小埋深仅为8m, 隧道洞口段轴线与山体斜坡相交, 呈明显偏压状。隧道断面采用三心圆形式, 设计采用CRD法施工, 施工工序如图1所示。

梯子峪隧道左线进口段CRD法施工监测点布设如图2所示。

本节选取ZK24+014断面, 对梯子峪隧道左线进口段CRD法开挖段拱顶沉降、净空收敛监测数据进行分析。

1) 拱顶沉降数据分析

梯子峪隧道左线ZK24+014断面拱顶沉降时态曲线如图3所示。

由图3可以看出, 隧道拱顶沉降曲线呈明显“台阶状”, 在隧道 (1) , (2) 部开挖后, 隧道拱顶出现明显的“沉降-稳定”期, 且开挖 (2) 部时拱顶沉降量、拱顶沉降速率均大于开挖 (1) 部, 这是由于开挖 (2) 部时, 首先要施作下部中隔壁, 且会对拱脚处围岩产生较大扰动, 因此才会导致拱顶沉降过大, 此处也为施工重要节点, 在实际施工过程中应加大监测频率, 同时也证明了中隔壁在CRD法施工中的重要性。

2) 净空收敛数据分析

梯子峪隧道左线ZK24+014断面净空收敛时态曲线如图4所示。

由图4可以看出, 当进行 (3) 部开挖时, 由于中隔壁右侧的土压力突然减小, 中隔壁会向右侧变形, 从而导致BC测线收敛值突然减小, 此时并非围岩扩张, 而是中隔壁的移动导致收敛减小, EF测线收敛值也有所减小, 但其速率比BC段收敛速率略小, 这是由于 (4) 部尚未开挖, EF收敛值减小只是由于上部中隔壁右移所导致。

通过对梯子峪隧道左线监测数据分析表明, 隧道采用CRD法开挖可以有效控制围岩变形。隧道施工过程中应关注中隔壁变形、内力变化, 由于隧道各部分开挖会产生相互影响, 因此通过洞内收敛、拱顶沉降值监测洞内变形有一定的局限性;尤其需要关注的是, 在下台阶或仰拱施作过程中, 需要加强对拱顶的监测, 时刻掌握隧道变形。

为得到合理的施工工序及隧道中隔壁偏向方案, 通过MIDAS/GTS建立隧道三维数值分析模型, 模拟隧道左线不同施工工序和不同中隔壁偏向方向施工过程。模型横向 (x轴) 宽度为121m, 纵向 (y轴) 长50m, 竖向 (z轴) 65m, 左右线净间距12m, 如图5所示。

根据隧道工程地质勘察报告及类似工程地质条件下相关文献, 选取模型中材料参数如表1所示。在计算模型中, 围岩采用Mohr-Coloumb模型, 喷射混凝土及锚杆采用弹性模型。左线隧道施工过程中, 右线二次衬砌已经施工完毕, 在模型中以三维实体单元表示右线二衬, 以计算后行隧道施工对先行隧道二次衬砌的影响。

根据隧道设计文件, 建立隧道实际开挖模型 (即方案1) , 为研究中隔壁偏向和不同施工工序对浅埋偏压隧道施工的影响, 设计3种对比模型:改变隧道左线开挖工序但不改变中隔壁偏向建立对比模型 (即方案2) , 改变中隔壁偏向但不改变施工工序建立对比模型 (即方案3) , 同时改变施工工序和中隔壁偏向建立对比模型 (即方案4) 。4种模型开挖顺序如图6所示。

经过网格划分后, 4种方案三维计算模型如图7所示。

选取梯子峪浅埋偏压隧道ZK24+014断面作为典型断面来进行现场监测数据与数值模拟结果的对比分析, 绘制ZK24+014断面数值模拟结果中拱顶沉降与监测数据中拱顶沉降累计变化曲线如图8所示, 净空收敛对比如表2所示。

由图8可以看出, 监控量测得出拱顶沉降累计变化量为8.02cm, 数值模拟计算得出拱顶沉降累计变化量为7.73cm, 偏差0.29cm, 偏差率3.6%, 表2中, 监测数据与模拟结果偏差0.59cm, 偏差率13.17%。

拱顶沉降和净空收敛现场监测值略大于数值模拟值, 推测原因可能是现场施工环境复杂, 开挖后初期支护未能及时施作从而导致沉降加大, 以及爆破开挖会破坏洞周一定范围内的围岩导致围岩松弛进而使得已支护部分的围岩对其支护结构的松动压力增大从而加大了围岩变形;同时, 监测点C布设于中隔壁上, 随着开挖过程的进行, 中隔壁自身位置不稳定, 导致净空收敛数据出现偏差。由于数值模拟没有考虑这些影响因素, 导致现场监测与数值模拟两者在数值上的差异。总体来说, 数值模拟可以反映隧道施工过程, 所建模型合理有效。

为研究浅埋偏压隧道CRD法施工中隔壁不同偏向和不同施工工序对隧道施工的影响, 通过有限元软件模拟浅埋偏压隧道4种CRD法施工方案, 并在围岩塑性区发展, 隧道净空收敛、拱顶沉降, 中隔壁内力, 以及后行隧道施工对先行隧道的影响4个方面进行分析。

本文选取4种模拟开挖方案中第20步、第28步和第50步, 得出围岩塑性区云图, 以反映不同开挖方案围岩受力状态及围岩塑性区发展过程。

方案1与方案2对比可以发现, 2种方案围岩塑性区发展过程相似, 在中间岩柱和右线拱顶部位, 隧道开挖前期方案1的围岩塑性区明显小于方案2, 这是由于方案2先开挖隧道深埋侧, 对中夹岩柱及隧道右线顶部围岩产生较大扰动。

方案1与方案3对比, 2种方案均先开挖左线隧道左侧, 但中隔壁偏向不同, 导致最终方案3围岩塑性区范围明显大于方案1, 集中体现在隧道左线右拱脚、中夹岩柱上方和先行隧道顶部围岩, 这是由于中隔壁的布置方式不同导致围岩塑性区发展范围的不同, 方案1的中隔壁布设方式更为合理。

4种方案比较来看, 方案4的围岩塑性区范围最大, 先开挖隧道深埋测会对中夹岩柱、隧道右线拱顶围岩产生较大扰动, 导致围岩塑性区范围扩大;中隔壁偏向于围岩压力较小一侧有利于减小围岩塑性区范围。

1) 水平位移分析

受围岩偏压作用影响, 4种开挖方案水平位移总体均呈现为左侧略向外扩张、右侧明显向内收敛, 整体向左移动, 符合偏压围岩作用下隧道变形规律。提取方案1与方案2右侧拱顶水平位移数据如图9所示。

图9中数值为负表示隧道右侧拱顶向洞内收敛, 由方案1与方案2对比可知, 方案2右侧拱顶收敛略大于方案1, 其原因在于, 方案2先开挖隧道左线右侧, 对左线隧道右侧围岩、中夹岩柱产生较大扰动, 进而导致隧道右侧拱顶承受压力增加, 收敛值增大。

总体来看, 方案1隧道左线右侧收敛区域位于拱顶偏右, 而方案3中隧道左线右侧收敛区域位于拱腰位置附近, 说明中隔壁偏向设置不同影响隧道开挖过程中中夹岩柱稳定和变形, 因此, 施工过程中应对中夹岩柱进行加固处理, 并在施工过程中密切关注中夹岩柱变形。提取方案1与方案3右侧拱腰水平位移数据如图10所示。

图10中数值为负表示隧道右侧拱腰向洞内收敛, 由图可知, 方案3右拱腰收敛值明显大于方案1。图中隧道中间部分收敛值变化较为稳定, 在隧道进、出口段收敛明显增大, 分析其原因, 在模拟时对隧道边界部分施加约束, 但不能完全模拟实际情况中的进、出口段, 施工过程中隧道进、出口段围岩约束更弱, 因此应施工过程中应注意隧道进、出口段的超前预支护, 隧道开挖后及时支护、及时监测, 保证围岩稳定。

2) 竖向位移分析

4种方案竖向位移均以拱顶沉降为主, 方案1最大拱顶沉降为8.02cm, 方案2, 3略大, 分别为8.41, 8.90cm, 方案4拱顶沉降最大值为9.29cm, 由监测结果中可以明显看出, 方案4沉降值明显大于其他3种方案, 4种方案中方案1的整体沉降值最小, 因此施工工序不同对拱顶沉降影响较大。当先开挖隧道浅埋一侧时, 对围岩产生的扰动较小, 因此拱顶沉降较小。

3) 典型断面分析

选取典型断面ZK24+014, 将模拟数据整理得到4种方案的净空收敛和拱顶沉降对比曲线。比较方案1与方案2, 方案1的前期净空收敛较小, 收敛速率较缓, 方案2前期净空收敛速率大, 且最终收敛值较大, 原因是方案2中先开挖隧道深埋侧, 施工对左线隧道右侧围岩扰动较大, 导致方案2中隧道右侧壁收敛明显;无论净空收敛或拱顶沉降, 方案4的变形值最大, 净空收敛为5.22cm, 比方案1大1.33cm, 拱顶沉降为9.31cm, 比方案1大1.29cm, 比较方案1与方案3, 方案1中隔壁左偏, 隧道净空收敛和拱顶沉降值均比方案3有所减小, 因此中隔壁偏向会对隧道变形产生影响。

由数值模拟结果可知中隔壁受压明显, 每5步统计隧道每步开挖时中隔壁所受最大压力。结果显示, 方案1所受最大压力值发展趋势较为平缓, 第80步压力最大, 为251.11kN, 方案2与方案3最大压力值发展趋势相近, 但第80步方案2最大压力为353.23kN, 比方案1大102.12kN, 其原因在于, 中隔壁偏向于围岩压力较大一侧时, 中隔壁支护受力形式不合理, 导致方案3中隔壁所受轴压力整体大于方案1;先开挖隧道深埋测时对围岩产生较大扰动, 导致围岩作用于支护结构的力增大, 因此方案3中隔壁所受轴压力远大于方案1。

当支护结构受力较大时说明支护结构有效, 此时围岩变形应有所减小, 但结合3.3节中数据可知, 方案2中隔壁所受轴压力大于方案1, 但其围岩变形整体大于方案1, 其原因在于2种方案的施工工序不同, 先开挖隧道深埋测时对围岩产生较大扰动, 作用于隧道衬砌和围岩上的应力更大, 因此才会产生方案2中中隔壁受压力更大, 同时其变形也更大, 这也验证了施工工序研究对浅埋偏压隧道CRD法施工的重要意义。

每5步提取中隔壁最大弯矩值, 第25步附近最大弯矩值出现明显增加, 这是由于4种方案第25步均开始进行第3部分施工, 以方案1为例, 第25步为开挖隧道右上部分, 此断面中隔壁左侧开挖完成, 右上部分开挖导致中隔壁中部出现应力集中, 其弯矩突然增大。因此无论哪种CRD法开挖方案, 当进行第3部分开挖时应注意中隔壁的稳定性, 避免其由于受力过大导致失稳。

1) 水平位移

浅埋偏压分离式双线隧道建设过程中均涉及后行隧道施工对先行隧道的影响问题, 先行隧道二次衬砌水平、竖直方向位移可以直观地反映后行隧道施工对先行隧道的影响, 本节将对先行隧道二次衬砌水平、竖直方向位移进行分析, 并得出结论。

由数值模拟结果可知, 受围岩偏压作用, 4种开挖方案下先行隧道二次衬砌水平位移均为左侧拱脚向内收敛, 右侧拱顶向内收敛的“压扁”状态。提取先行隧道二次衬砌左拱腰和左拱脚水平位移数据。

由模拟结果可知, 无论左拱腰或左拱脚, 方案1与方案2位移值接近且稳定, 变形量相当, 最大位移分别为0.141, 0.143cm, 而方案3与方案4不仅位移值较大, 而且隧道不同进深处其水平位移值差距明显, 究其原因, 方案1与方案2中隔壁偏向于围岩压力较小一侧, 其支护方式更为合理, 中夹岩柱稳定, 因此后行隧道施工对先行隧道影响较小, 而方案3与方案4中隔壁偏向于围岩压力较大一侧, 不利于中夹岩柱稳定, 导致右线左拱腰、左拱脚水平位移较大。

在施工过程中, 中隔壁偏向十分重要, 后行隧道施工会对先行隧道衬砌结构产生较大影响, 因此后行隧道施工过程中不仅需要做好中夹岩柱加固, 同时要对先行隧道衬砌结构变形进行监测, 确保其不会出现裂缝等病害。

2) 竖向位移

提取4种方案先行隧道二次衬砌拱顶沉降数据。方案1和方案2的拱顶沉降较小, 方案1最大沉降量为0.33cm, 方案2最大沉降量为0.35cm;采用方案3或方案4进行施工, 先行隧道衬砌出现明显拱顶沉降, 方案3最大沉降量为1.27cm, 是方案1的3.85倍, 方案4最大沉降量为2.02cm, 是方案1的6.12倍。浅埋偏压隧道采用方案1与方案2施工时, 先行隧道衬砌竖向变形明显受偏压作用, 且变化稳定无波动, 证明中隔壁偏向围岩压力较小一侧时, 后行隧道施工对先行隧道衬砌竖向位移影响不大, 而当中隔壁偏向围岩压力较大一侧时, 结合3.3节分析, 中隔壁所受轴压力、弯矩均较大, 由此可知其支护结构受力方式不合理, 导致后行隧道施工对先行隧道衬砌竖向位移产生较大影响, 因此浅埋偏压隧道CRD法施工中隔壁应偏向于围岩压力较小一侧, 同时后行隧道施工应对先行隧道拱顶沉降进行监测, 避免发生衬砌开裂。

为清楚地体现4种方案优缺点, 将分析得出的主要结论总结如表3所示。

由上述对比结果分析可知, 浅埋偏压隧道CRD法施工过程中, 中隔壁偏向于围岩压力较小一侧, 同时先开挖隧道浅埋侧时, 围岩塑性区最小, 隧道变形最小, 中隔壁所受内力最小, 同时后行隧道施工对先行隧道影响最小, 是浅埋偏压隧道CRD法施工的最优施工方案。

为研究浅埋偏压隧道中隔壁不同偏向和不同施工工序对施工安全的影响, 对比4种CRD法施工方案数值模拟结果, 得出以下结论。

1) 根据监控测结果, 浅埋偏压隧道采用CRD法施工可有效地控制围岩和结构变形, 减少围岩扰动, 保证施工安全。

2) 三位数值模拟计算可以准确、有效反映隧道施工过程中的应力应变规律, 为优化施工方案提供依据。

3) 浅埋偏压隧道CRD法施工中隔壁应偏向于围岩压力较小一侧, 合理施工工序应先开挖隧道浅埋一侧。

4) 中隔壁偏向于围岩压力较小一侧时支护结构受力更为合理, 有利于减小隧道变形和先行隧道变形;先开挖隧道浅埋侧可以减小对围岩的扰动, 减小隧道衬砌、支护结构所受内力, 进而减小隧道变形。

建议在浅埋偏压隧道设计与施工时, 考虑中隔壁偏斜方向和开挖的施工顺序, 进一步优化施工顺序和开挖方法, 保证隧道施工安全。