大断面连拱隧道侧导洞扩挖影响分析

2022-10-11李然王圣涛陈平申志军潘红桂侯志强

铁道建筑 2022年9期

李然王圣涛陈平申志军潘红桂侯志强

1.中铁四局集团有限公司，合肥 230023；2.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京100044

随着我国交通建设的快速发展，双向六车道大跨连拱隧道越来越多地出现在实际工程中，因其施工步序繁多，力学转换复杂，围岩稳定性和支护安全性的控制难度极高，给设计施工带来了严峻挑战［1］。

侧导洞开挖是大跨连拱隧道施工过程中的关键步序，影响到整体施工进度及安全，因此研究侧导洞开挖对围岩的影响具有重要学术价值及工程意义。孙长军等［2］借助数值模拟与现场实测手段，研究了北京地铁14号线车站扩挖的施工力学行为，得出导洞扩挖与初期支护扣拱阶段产生的地表沉降为沉降终值的85%，表明导洞扩挖是车站施工的关键控制环节。李宇等［3］通过现场实测并结合数值计算，揭示了相邻隧道扩挖施工的力学影响机理，发现导洞开挖前后存在明显的群洞效应。孙成伟等［4］依托广州地铁东山口站站台隧道扩挖工程，介绍了工程难点及关键技术，验证了隧道大规模扩挖的可行性。黄明利等［5］基于北京地铁北新桥站工程实践，对比分析了不同PBA（Pile-Beam-Arch）工法扩挖连拱车站的地层稳定性，得出三连拱扩挖方案显著优于双连拱扩挖方案。吴张中等［6］针对深圳横龙山隧道超大异形断面侧向扩挖工程，通过理论计算和数值分析，阐明了单次扩挖宽度变化对超大隧道围岩应力及变形的影响机制，得出最优扩挖宽度为4 m。林丛谋等［7］结合大帽山原位二扩四隧道工程，分析了CD（Center Diaphragm）工法下不同围岩的地表位移、拱顶沉降、洞周收敛等现场监测结果，提出了软弱围岩稳定性控制方法。此外，张顶立等［8-10］探讨了大断面隧道改扩建及多洞分部开挖对围岩支护工程响应的影响规律，为研究导洞扩挖的力学影响提供宝贵参考。目前关于连拱隧道围岩力学行为的研究主要集中在施工完成后的最终状态，而对导洞扩挖引起阶段性的围岩力学响应研究较少。

本文依托嶂背大断面连拱隧道扩挖工程，首先基于现场实测，分析连拱隧道施工力学响应；而后建立三维数值模型，揭示导洞扩挖对围岩-支护相互作用的影响规律，提出重点关注部位和支护措施建议；最后基于数值分析，评估侧导洞扩挖的安全风险，为现场施工决策提供科学依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

深圳嶂背隧道段位于深圳龙岗区，采用大断面连拱隧道。嶂背隧道为采用钻爆法开挖的双向6车道的城市Ⅰ级主干路，全长361 m，安全红线40 m。同时，地层易因侧导洞扩挖而产生剧烈扰动，引起地表不均匀沉降，危及周边结构。为最大程度削弱对周边环境的不利影响，必须针对扩挖前后围岩支护的阶段性工程响应进行系统分析和安全评价。

隧址区主要处于全~强风化粉砂岩，围岩级别为V级，上覆5~8 m粉质黏土，不考虑地下水。隧道主体埋深介于20~30 m，开挖高度11.5 m，总跨度达到30.9 m（图1），属于特大跨隧道［11］。隧道采用复合式衬砌，初期支护厚0.32 m，初期支护包括C25喷射混凝土、间距0.5 m的I25a型钢拱架和钢筋网。二次衬砌为C35模筑钢筋混凝土，厚0.8~0.9 m。此外，工程中采用注浆大管棚进行超前支护，管棚直径108 mm，壁厚6 mm，环向间距0.4 m，打设角1°~3°。双连拱隧道采用对称开挖，中导洞先行，左右两侧导洞滞后，导洞内设有两层作业人员操作台。为满足机械作业空间、加快隧道施工进度，将先行开挖的侧导洞的跨度由4.9 m扩大至6.8 m，初期支护喷射混凝土厚度从0.32 m增大到0.35 m，其他设计参数不变。目前中导洞已开挖90 m，本文主要分析侧导洞扩挖产生的力学影响。

图1 导洞扩挖前后设计断面对比（单位：cm）

1.2 现场监测与控制标准

为及时预警风险并实时反馈，开展原位监测，监测内容包括拱顶沉降、水平收敛和地表沉降，根据JTG/T F60—2009《公路隧道施工技术细则》，可以得到各类围岩变形的控制指标（表1）。

表1 围岩变形控制指标 mm

根据实测数据，绘出围岩变形箱线图（图2），其中上边缘表示最大值，下边缘表示最小值，中间线表示中位数，大方框上边表示上四分数，大方框下边表示下四分数，大方框内的小方框表示平均数。各监测断面中导洞拱顶沉降、水平收敛和最大地表沉降的平均值分别为4.6、8.0和3.5 mm，围岩变形分布比较集中，分别主要介于3~7 mm、7~11 mm和2~5 mm。由实测地表沉降（图3）可知，各断面地表位移曲线都呈现出典型的沉降凹槽，变形值从中洞拱顶向两边不断减小，且随埋深加大而略有增大。

图2 实测围岩变形箱线图

图3 实测地表沉降槽

2 数值模型与力学参数

为分析扩挖侧导洞对隧道支护的力学响应和围岩稳定性的影响，采用大型通用有限差分软件FLAC 3D进行三维数值模拟。根据实际工程，取隧道K0+400断面作为典型断面，拱顶埋深取25 m。

模型只考虑初期支护，二次衬砌作为安全储备，初期支护的密度ρ和弹性模量E可按面积等效得到ρ=2 430 kg/m3，E=26.40 GPa。计算参数见表2。

表2 围岩及支护的物理力学参数

模型尺寸为250 m（长）×100 m（宽）×80 m（高）（图4）。隧道周边网格设置紧密，远离洞周的网格划分越来越疏松。模型边界采用位移约束，模型两侧约束横向位移，底部约束竖向位移，模型上部为自由面。按照工程实际，施工步骤为中导洞先行，左侧导洞滞后20 m，右侧导洞滞后40 m，初期支护滞后2 m，单次开挖进尺为2 m。

图4 大断面连拱隧道数值模型及开挖步序

模型中初期支护采用符合弹性本构的shell单元模拟，围岩采用遵从摩尔-库仑弹塑性准则的实体单元模拟。侧导洞扩挖前后两种工况见图5。开挖工序分为10步，其中在第6步后施作中隔墙，而后再进行下一步开挖。根据实际工程的阶段性安全需求，主要考虑1~6步。

图5 侧导洞扩挖前后两种工况

3 侧导洞扩挖前后隧道围岩力学行为

3.1 地层变形对比

3.1.1 地层竖向位移对比

选择模型中部断面（y=50 m）作为监测断面，以抵消边界效应影响。由两种工况拱顶沉降历时曲线（图6）可以看出，中导洞围岩变形明显大于左侧导洞和右侧导洞，两侧导洞拱顶沉降大致相当。这主要是由于中导洞为先行洞室，且处于两侧导洞之间，中导洞拱顶沉降除受自身开挖影响外，还受后行两侧导洞影响，因此中导洞受力状态最为不利，应重点关注。

图6 侧导洞扩挖前后各导洞拱顶沉降历时曲线（单位：mm）

侧导洞扩挖将一定程度增大地层沉降，以各导洞拱顶沉降为例，左侧导洞、中导洞和右侧导洞分别由扩挖前的4.6、6.8和4.8 mm增长至6.8、9.7和7.2 mm。相比于中导洞拱顶沉降，两侧导洞拱顶沉降受扩挖影响更加显著，左右两侧导洞拱顶沉降增长率分别为47.8%和50.0%，明显大于中导洞的42.6%。

3.1.2 地层水平位移对比

由两种工况水平位移历时曲线（图7）可以看出，扩挖侧导洞将小幅增加各导洞的水平位移，且增长率不超过15%。中导洞和两侧导洞内侧拱腰、边墙的水平位移较大，而扩挖侧导洞将加剧隧道变形，工程中应通过打设缩脚锚杆、施作临时仰拱、缩短初期支护闭合时间等方法来防止拱腰、边墙出现支护开裂。

图7 侧导洞扩挖前后各导洞测点水平位移历时曲线

3.2 夹岩力学行为对比

3.2.1 夹岩应力状态对比

侧导洞扩挖之前的夹岩厚度为6.7 m，扩挖之后为4.8 m，夹岩力学状态优劣直接关系到隧道施工安全。侧导洞扩挖之前，夹岩仅有表层岩体进入松动状态（图8红色区域，应力降低区），而中部核心岩体仍处于应力集中状态（图8蓝色区域），表明夹岩仍具有较强的承载能力。

图8 侧导洞扩挖前后压应力云图（单位：Pa）

3.2.2 夹岩塑性区对比

通过塑性区云图（图9）可以更加直观地看出，扩挖侧导洞将扩大夹岩塑性区（红色区域，包括剪破坏、拉破坏），可以通过夹岩塑性率（夹岩塑性区面积占夹岩总面积的百分比）来反映夹岩的安全状态。侧导洞扩挖将使得左右夹岩塑性率由原先的6.9%和8.0%上升至17.8%和14.5%。既有研究表明夹岩临界安全状态可由塑性区是否贯通来界定，扩挖以后的塑性区尽管有所上升，但并未贯通。