隧道临近下伏承压溶腔开挖稳定性施工工法比选
本文运用三维数值模拟研究隧道临近下伏承压溶腔时, 采用不同施工工法开挖, 承压溶腔对隧道开挖稳定性影响大小, 并比选出优选工法。研究结果可为类似工况提供参考。
1 工程概况
双碑隧道位于重庆市沙坪坝区双碑, 双碑隧道工程全长4 373m, 隧道路线中线间距为20m, 双向6车道, Ⅴ级围岩开挖宽度约16m (不同级别的围岩稍有差别) , 停车带开挖宽度19.31m。隧道平面线形为直线, 不均匀人字坡。双碑隧道YK+680断面处为3车道, 围岩级别为强Ⅳ级。隧道断面尺寸为:跨度15.77m, 高度11.65m, 初期支护混凝土强度等级为C30。如图1所示。
图1 隧道断面设计 (单位:cm) Fig.1 The design section of the tunnel (unit:cm)
2 数值模拟
本文采用有限差分软件FLAC3D模拟不同工法的隧道开挖及初期支护施作的全部过程, 过程中通过监测洞周位移和初期支护内力, 来评价对于不同开挖工法开挖隧道时洞周围岩的变形及围岩和初期支护的稳定性。
2.1 三维有限元模型及边界条件施加
模型尺寸:100m (宽) ×130m (高) , 埋深100m。坐标原点设在隧道中心。为了消除边界效应的影响, 模拟完整的施工循环, 纵向取100m。同时, 为简化模型, 上覆土体的自重采用施加应力的方法模拟:地质勘察资料显示, 目标断面处 (YK+680) 隧道埋深均为180m, 因此上部用均布荷载代替上覆岩体的自重, 模拟自重应力场。模型中的围岩及初期支护结构均采用实体单元 (solid) 模拟, 锚杆采用锚索 (cable) 单元模拟。如图2所示。
图2 三维有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model
考虑到计算所取剖面开挖时对底面深层结构影响不大, 且根据双碑隧道地质勘察资料显示水平构造应力较小, 故模型中边界条件均采用位移边界条件, 即模型底面z方向的位移约束, 两侧边界x方向和y方向位移约束, z方向自由。
2.2 模型参数选取及边界条件
模型中采取以Zienkiewicz-Pande为准则的莫尔-库仑模型 (Mohr-Coulomb model) , 根据地质勘察资料目标断面处 (里程YK+680) 的围岩参数选取;初期支护主要变形为弯曲变形, 因此为简化模型, 将钢拱架及喷混凝土按照抗弯刚度EI等效换算成初期支护参数, 并用弹性模型 (elastic model) 模拟。隧道围岩及换算后初期支护各参数的取值如表1所示。
表1 模型参数取值Table 1 Model parameter values
2.3 承压溶腔模拟
根据地质勘察资料, 隧道周围分布较多球形、椭球形承压及非承压溶腔, 溶腔直径尺寸为0.5~3m, 内压也存在较大差异, 为10~30m水头。部分承压溶腔易受季节性、突发性降水影响, 内压有升高的趋势。实际工程中, 溶腔直径>2.5m、与隧道间距<2.5m的工况下, 承压溶腔均通过放水充填的方式处理。本文考虑最不利情况, 取未经处理承压溶腔的最大直径、最小间距 (直径2.5m、间距2.5m) 。同时, 考虑承压溶腔受降水影响, 内压增大至50m水头 (0.5MPa) 。为简化计算, 溶腔采用预建实体球形模型模拟, 杀死溶腔单元生成空腔, 在空腔内表面施加径向均匀节点力模拟溶腔内压。如图3所示。
图3 溶腔与隧道空间位置关系有限元模型Fig.3 Spatial location relationship between karst cave and tunnel space finite element model
2.4 施工工法
数值模拟采用杀死单元及改变单元材料参数的方法模拟隧道的开挖及施作初期支护。为了较好地模拟整个施工循环, 模型中采用相同的循环开挖进尺, 每个开挖进尺均为2.5m, 依次循环开挖。分别模拟了采用全断面法、上下台阶法、三台阶法、弧形导坑法、侧壁导坑法和双侧壁导坑法开挖6种工况。不同开挖工法下的工序各有不同, 对应模型也各异, 三维模型中不同工法下的隧道断面效果如图4所示。部分复杂工法施工工序如表2所示。
图4 不同开挖工法隧道断面模型Fig.4 Models of tunnel sections with different excavation methods
表2 部分复杂工法施工工序Table 2 The construction process of part complex method
2.5 量测项目及监测点布置
为消除边界效应影响, 监测断面选在模型的中间位置 (里程YK+680, 模型中y=50m处断面) , 数值模拟过程中, 监测内容包括洞周位移、隧道与溶腔间围岩竖向位移和初期支护内力。洞周位移主要包括拱顶下沉和边墙处水平收敛, 设置拱顶 (竖向位移) 及左、右边墙 (水平位移) 3个位移监测点;隧道与溶腔间竖向地中位移是在仰拱下侧及溶腔上侧设置上、下2层地中位移监测点 (上层1-1至1-9、下层2-1至2-9, 如图4b所示) , 监测围岩竖向位移;初期支护内力则是监测初期支护拱顶、拱肩、拱脚、边墙、墙角及仰拱 (共10个测点) 处单元应力, 计算初期支护单元的轴力和弯矩。监测点布置如图5所示。
图5 量测项目及监测点布置Fig.5 Measurement items and monitoring point arrangement
3 计算结果分析
3.1 隧道洞周位移分析
洞周位移是反映隧道开挖后隧道洞周围岩协同初期支护同时向隧道洞内的径向位移, 反映洞周围岩的形变大小, 是评价洞周围岩稳定性及初期支护刚度的重要指标。隧道洞周位移越大, 隧道洞周围岩失稳坍塌的可能性就越大。因此, 有效控制隧道洞周位移对保证隧道开挖后围岩稳定至关重要。数值模拟中分别监测了拱顶下沉和拱腰水平收敛。不同开挖工法下, 开挖面距离监测断面间距不断变化时, 隧道拱顶下沉、水平收敛变化趋势如图6, 7所示。
图6 拱顶下沉量与监测断面距离关系曲线Fig.6 The relationship curves of vault subsidence and the distance to the monitoring cross section
1) 不同工法下, 隧道断面开挖方式不同, 相同监测点处拱顶下沉、水平收敛变化趋势也不尽相同, 具体表现为:洞周位移增大趋势不同, 出现小幅增大的次数也不同。但总体趋势可大体划分为3个阶段: (1) 第1阶段从开始开挖到开挖至监测断面前, 洞周位移增大缓慢且量值较小; (2) 第2阶段从开挖至监测断面到监测断面初期支护闭合过程中, 监测点处洞周位移大幅度增大; (3) 第3阶段监测断面初期支护闭合到隧道初支闭合过程, 洞周位移小幅度增加并趋于稳定。从开挖至监测断面到监测断面初期支护闭合阶段 (第2阶段) , 为拱顶下沉增大的主要阶段。
图7 边墙处水平收敛与监测断面距离关系曲线Fig.7 The relationship curves of horizontal convergence and distance monitoring section on side wall
2) 从洞周位移稳定后的量值来看, 不同工法下, 拱顶下沉量大小顺序为全断面法>上下台阶法>三台阶法>侧壁导坑法>弧形导坑法>双侧壁导坑法。采用全断面法时拱顶下沉为25.85mm, 相比于最小值22.45mm (双侧壁导坑法) , 增加约15.14% (见表3) 。其他工法拱顶下沉量介于两种工法之间。不同工法下拱腰水平收敛量大小顺序与拱顶下沉相同, 但量值离散性较好, 即不同工法下的水平收敛量差别较大。全断面法开挖时水平收敛量为13.98mm (最大) , 相比于最小值8.79mm (双侧壁导坑法) 增大约59.04%。
表3 洞周位移最值及相应工法Table 3 The most value of hole weeks and the corresponding displacement method
3) 该断面尺寸下, 双侧壁导坑法控制拱顶下沉、水平收敛效果最好, 隧道洞周围岩及初支稳定性最好;全断面法控制洞周位移的效果最差, 围岩失稳坍塌的可能性最大, 因此实际工程中采用全断面法开挖时应相应增大初期支护刚度, 保证洞周围岩稳定。
3.2 隧道与溶腔间地中竖向位移分析
溶腔的存在造成开挖后隧道与溶腔间围岩应力状态发生改变, 降低了围岩进入塑性应变的应力水平, 失稳可能性增大。数值模拟中通过在隧道与溶腔间设置地中位移测点, 监测开挖引起的隧道底部围岩的竖向位移大小, 分析隧道与溶腔间围岩稳定性。地中不同测点处最终竖向位移量如图8所示。
图8 隧道与溶腔间围岩竖向位移Fig.8 The vertical displacement of surrounding rock between tunnel the cavity
1) 整体来看, 因开挖引起的上、下层地中竖向位移量均为中间位置处最大, 往两边逐渐变小, 呈倒立的槽状;上、下层测点中, 溶腔与隧道间测点 (上层1-4, 1-5, 1-6, 下层2-4, 2-5, 2-6) 竖向位移较其他测点明显增大 (中间测点最大, 1-5/22.35mm, 2-5/20.04mm) , 这说明隧道与溶腔间围岩的稳定性最差, 更易失稳坍塌;不同工法下, 各测点竖向位移量差别较小, 可见, 隧道开挖时, 工法不同对隧道底部围岩影响较小。
2) 不同工法下, 隧道横向宽度范围内, 上层测点 (1-3至1-7) 最大竖向位移量均大于下层测点 (2-3至2-7) 处, 这说明地层与隧道间距越大, 隧道开挖引起的竖向地中位移越小;隧道宽度范围外, 下层测点 (2-1, 2-9) 最大竖向位移 (2.84, 2.78mm) 大于上层测点 (1-1, 1-9) 最大竖向位移 (1.36, 1.30mm) , 可见, 隧道开挖对地层的影响范围往左下、右下方扩散。
3) 不同工法下, 上、下层测点仰拱处竖向位移的大小顺序为全断面法>上下台阶法>三台阶法>侧壁导坑法>弧形导坑法>双侧壁导坑法, 可见, 双侧壁导坑法控制隧道与溶腔间地层竖向位移效果较好, 围岩稳定性最好。
3.3 初期支护内力分析
数值模拟中监测不同工法下初期支护内力, 分析初期支护结构受力情况, 评价初期支护结构的稳定性。绘制运用不同工法时, 监测断面初期支护弯矩包络图 (如图9所示, 数字标注为监测点处各工法下弯矩最大值) 和轴力包络图 (如图10所示, 数值标注为监测点处各工法下轴力最大值) 。
图9 不同工法下初期支护弯矩包络图Fig.9 The primary support bending envelope under different method
图1 0 不同工法下初期支护轴力包络图Fig.10 The initial supporting axial force envelope under different method
1) 由弯矩包络图可以看出:不同工法下, 初期支护弯矩分布形态大致为拱顶、仰拱处为内弯区, 拱肩、拱脚、边墙及墙角处为外弯区, 且墙角处出现较为明显的应力集中现象 (全断面法、侧壁导坑法更明显) 。从弯矩量值分析, 拱顶、仰拱处最大弯矩为27.50k N·m和19.58k N·m, 分别为采用弧形导坑法和全断面法开挖时;拱肩处最大弯矩值为70.57k N·m, 为采用弧形导坑法开挖时;墙角处最大弯矩值出现在运用侧壁导坑法施工时 (11.60k N·m) , 且为断面测点弯矩最大值, 应力集中严重;拱脚、边墙处最大弯矩值分别为21.96k N·m和64.57k N·m, 最大值对应的施工工法分别为上下台阶法和弧形导坑法。对比之下, 三台阶法及双侧壁导坑法弯矩分布较为均匀, 出现局部应力集中的程度较弱, 有利于初支结构稳定性。
2) 隧道临近下伏承压溶腔开挖, 不同工法下初期支护仰拱处弯矩量值大小顺序为全断面法 (19.58k N·m) >三台阶法>上下台阶法>侧壁导坑法>弧形导坑法>双侧壁导坑法 (1.12k N·m) ;鉴于初支仰拱处曲率较其他位置小, 易向内弯曲变形导致偏心失稳破坏, 因此, 双侧壁导坑法能够降低仰拱处弯矩, 减小初期支护偏心失稳破坏的可能性, 对初支结构受力较为有利。
3) 由轴力包络图整体来看, 全断面法、上下台阶法、三台阶法等分布形态大致呈现对称布置, 侧壁导坑法、弧形导坑法及双侧壁导坑法, 由于断面开挖顺序不同, 轴力分布也体现出明显的不对称性, 先开挖侧初支承受较大轴力。从量值分布来看, 拱顶、拱肩、拱脚、边墙至墙角, 轴力依次增大。不同工法下, 轴力的最大值为935.5k N (双侧壁导坑法, 边墙) 。
4) 从初期支护偏心距角度评价初期支护稳定性, 对比三台阶法和双侧壁导坑法下初期支护各测点的偏心距 (见表4) , 可以得出采用双侧壁导坑法开挖时, 仅左边墙、左拱脚、拱顶及右边墙4个测点处偏心距大于三台阶法, 其余测点均小于三台阶法;该4个测点处左边墙处偏心距为最大 (38.35mm) , 相比于初支厚度 (240mm) 较小;三台阶法开挖时, 左、右墙角处偏心距 (80.70, 81.63mm) 较大, 不利于初期支护结构稳定性。因此, 相比于三台阶法, 采用双侧壁导坑法开挖有利于初期支护稳定性。
4 结语
1) 工法不同, 拱顶下沉、与水平收敛增大趋势不同, 出现小幅增大的次数也不同;当前溶腔尺寸及内压条件下, 最终拱顶下沉与水平收敛量大小顺序为全断面法>上下台阶法>三台阶法>侧壁导坑法>弧形导坑法>双侧壁导坑法;双侧壁导坑法控制拱顶下沉、水平收敛效果最小, 隧道洞周围岩及初支稳定性最好。
表4 三台阶法与双侧壁导坑法不同测点偏心距Table 4 The eccentricity for different measuring points of three steps method and double wall pilot tunnel method
2) 隧道开挖时, 地层与隧道间距越大, 隧道开挖对地层的影响越小, 但影响范围向左下、右下方扩散;隧道与溶腔间围岩的稳定性最差, 对比不同工法, 双侧壁导坑法控制隧道与溶腔间地层竖向位移效果较好, 围岩稳定性最好。
3) 三台阶法及双侧壁导坑法弯矩分布较为均匀, 出现局部应力集中的程度较弱, 有利于初支结构稳定性;双侧壁导坑法能够降低仰拱处弯矩, 有效控制初期支护偏心距, 有利于初支结构稳定性。
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