连霍高速杏花村1号大跨扁平超大断面隧道开挖方案研究

2023-10-14徐晓冬刘杰段彦福谢海巍

科学技术与工程 2023年28期

徐晓冬, 刘杰,*, 段彦福, 谢海巍

(1.新疆农业大学交通与物流工程学院, 乌鲁木齐 830052; 2.新疆交通规划勘察设计研究院有限公司, 乌鲁木齐 830006)

近年来,中国隧道工程的建设数量日益增多,截至2021年底,中国公路隧道23 268 处、24 698.9 km[1]。随着国民经济和交通建设的不断发展,交通流量大幅增长,为满足国民经济发展的交通需求,公路隧道由双向四车道向双向六车道甚至八车道发展。大跨扁平超大断面单向四车道公路隧道具有通行能力较高、运营费用低、行车安全性高、工程规模小的特点,越来越多的应用在八车道高速公路隧道建设中[2]。然而,大跨扁平超大断面公路隧道由于矢跨比小,开挖面积大,岩体结构面交叉组合形成不稳定结构体的概率大,对围岩稳定性不利;如果采用的开挖方案不合理,导致围岩的力学性态发生显著改变,将引起围岩发生大变形,甚至发生塌方等重大安全事故[3-6]。因此,在大跨扁平超大断面公路隧道设计、施工阶段选择合理的开挖方案及辅助施工方法,保证围岩稳定及隧道结构的稳定性是目前亟待解决的问题。

目前,学者们针对大跨扁平超大断面隧道开挖方案开展了大量研究。鲍先凯等[7]基于某大跨超浅埋地铁隧道工程,利用数值模拟对隧道开挖的稳定性关键影响因素分析,研究了隧道开挖部位对围岩应力及变形的影响规律。李家正等[8]研究了导洞开挖顺序和开挖错距对地表变形的影响。施有志等[9]基于某双洞八车道公路隧道工程,通过数值模拟分析隧道施工时的力学特征,研究了隧道开挖过程中围岩变形规律并对其稳定性进行评价。王学斌等[10]以某超大断面双连拱隧道为研究对象,对比“对称”与“非对称”两种开挖方案的围岩变形与结构受力以确定合理的开挖方案。刘腾等[11]采用极限分析法以确定合理的开挖面支护力,对开挖面稳定性进行了研究。叶勇[12]依托粤东某超大断面隧道工程,对围岩变形、塑性区分布的影响程度进行了数值分析,明确了适合于工程实际的施工方法。杨建民[13]对3种常用大断面隧道施工方法的优缺点进行对比分析,研究表明双侧壁导坑法安全系数高,地表沉降控制好,但对于长距离大断面隧道开挖宜采用3台阶法。彭学军等[14]基于单元安全系数法优化了3台阶法开挖参数。许平等[15]以某大断面隧道为工程背景,通过数值模型分析围岩和隧道结构的变形特征和受力情况,论证了双侧壁导坑法施工的安全可行性。朱念焜[16]利用数值模拟对3种隧道开挖工法开挖后隧道的位移、应力、塑性区域特征进行对比分析,认为IV级围岩大断面隧道宜采用三台阶法施工。金星亮等[17]以某超大断面隧道工程为依托,利用数值模拟对双侧壁导坑法施工过程中隧道围岩稳定性进行了分析。胡涛等[18]针对公路大断面隧道施工,提出了分部台阶快速施工方法,施工安全高效且经济。

上述研究为大断面隧道施工提供了一定参考,但大跨扁平超大断面隧道与上述案例地质条件差异性较大,围岩和支护结构受力变形特征更为复杂,对于隧道围岩条件变化时的开挖方案适用性研究较少,因此有必要开展相关研究。由于大跨扁平超大断面隧道拱顶结构受力更为不利,拱顶下沉趋势明显大于周边位移的收敛的问题,以连霍高速杏花村1号隧道为工程背景,利用FLAC3D模拟大跨扁平超大断面单向四车道公路隧道在双侧壁导坑、三台阶四部开挖两种不同开挖方法下围岩和支护结构受力、变形状态,全方位、多角度地掌握开挖时围岩和支护结构力学特征、位移特征,为项目决策提供理论支撑的同时,为今后此类工程的施工提供经验和理论指导。

1 工程概况

连霍高速(G30)新疆境内小草湖至乌鲁木齐段改扩建工程是新疆第一条四改八高速公路,该项目节点工程杏花村1号隧道为双洞八车道高速公路隧道,隧道最大开挖宽度22.56 m,最大开挖高度14.65 m,扁平率0.657,该隧道开挖跨度、断面面积在国内外都属罕见。上行线全长940.0 m,其中浅埋段210 m,占隧道总长度的22%,Ⅴ级围岩446 m,Ⅳ级围岩388 m,Ⅲ级围岩357 m;下行线全长1 191.0 m,其中浅埋段106 m,占隧道总长度的9%,Ⅴ级围岩368 m,Ⅳ级围岩432 m,Ⅲ级围岩140 m,其中Ⅴ级围岩主要分布于隧道进出口、洞身浅埋段及地质构造破碎带,围岩稳定性差,成洞条件差,成洞困难。

隧道位于白杨河河谷内,地形地质条件复杂,属构造剥蚀低中山地貌。海拔高度在960～1 070 m。山体受风化剥蚀严重,表面总体呈轻微锯齿状。坡面沟槽较发育。坡面岩体受风化剥蚀强烈,表层2.5～5.0 m以碎裂-破碎状为主。隧道沿线山体基岩裸露,石炭系中统巴音沟第三亚组(C2bc),岩性主要为凝灰岩、凝灰质砂岩、凝灰质灰岩等,表层约5 m强风化,下伏中风化-微风化岩层,呈块状-中薄层状为主,层理产状157°∠55°～60°,层间结合紧密,硅钙质充填好,岩石细小劈理较密集,表层岩体以破碎、碎裂状为主。隧道洞身及进出口未见地下水出露,仅在基岩与砾石接触带附近见有少量地下水。

2 模型的建立

所有材料均为均质、连续、各向同性,围岩采用平面应变单元模拟,初期支护用梁单元模拟,围岩材料选用摩尔—库伦本构模型,采用大应变变形模型计算,支护结构材料采用线弹性本构模型,不考虑空间效应,采用二维平面应变计算模型。假定所有材料的应力应变均在弹塑性范围内变化。约束除地表外其他5个方向是法向位移,初始应力由土体自重产生。

隧道开挖后应力释放系数取0.3,由于隧道穿越地层无潜水,计算时不考虑地下水在开挖过程中的影响,由于隧道二次衬砌施工前要求地层变形基本稳定,计算时不考虑二次衬砌结构。为简化分析和便于对比分析,计算时不考虑拆除临时中隔壁及临时仰拱施工对隧道围岩稳定性的影响。通过设计的提供的隧道地勘资料可以得出模型计算参数如表1所示。

表1 计算参数Table 1 Parameters of calculation

两种工况的模型网格划分的计算范围均为100 m(宽)×60 m(高)×1 m(长),双侧壁导坑法模型网格图如图1所示,双侧壁导坑法模型网格细部图如图2所示,为了分析开挖时围岩的位移、应力情况,分别采用双侧壁导坑法与三台阶四部开挖法作对比分析,三台阶四部开挖法模型网格细部图如图3所示。

图1 双侧壁导坑法模型网格图Fig.1 Diagram of the model mesh of double-side heading method

1～4为开挖工序,其中,1为上台阶左侧导坑开挖初支及临时支护;2为上台阶右侧导坑开挖初支及临时支护;3为中台阶开挖初支及临时支护;4为下台阶开挖初支及临时支护图3 三台阶四部开挖法模型网格细部图Fig.3 Detailed diagram of the model mesh of three steps and four steps excavation method

3 双侧壁导坑法开挖过程分析

3.1 双侧壁导坑法位移变形分析

双侧壁导坑法先开挖隧道两侧导坑,相当于先开挖2个小跨度的隧道,并及时施作导坑四周初期支护,导坑跨度约为整个跨度的1/3。再根据地质条件、断面大小,对剩余部分断面进行一次或二次开挖、支护。待整个开挖面支护成环且围岩变形稳定后拆除临时支护,立即施作二次衬砌,开挖步骤如图2所示。当开挖到第8部时,地层变形和位移明显,其中变形分为3个阶段:超前变形阶段、变形急剧增大阶段及变形稳定阶段。其中在拱顶距断面约1倍洞径时地层即开始超前变形。

图4为开挖至第8部竖向位移变形云图,拱顶位移最大,这部分地层变形引起的拱顶沉降实测较困难,却不能忽视,数值计算表明,该部分拱顶沉降量约占拱顶总沉降量的30%。拱顶通过监测断面前后是地层变形发展的主要阶段,为施工控制的重点阶段。

图4 竖向位移云图Fig.4 Contour of vertical displacement

从水平位移云图(图5)中可以看出,侧向的位移面在两侧比较集中,水平位移主要由重力产生的挤压力导致。

图5 水平位移云图Fig.5 Contour of horizontal displacement

由于隧道埋深较深,开挖引起的地层变形几乎不能传递到地表,所以拱顶变形大和地表变形量小。并且该地段雨季时间较短,施工没有小范围的冒顶、坍塌造成顶部涌水涌泥现象,所以双侧壁导坑法造成大面积的塌方的概率较小。

双侧壁导坑法施工整体变形较小,最大变形出现在先行导坑临时支撑处,在拆除临时支撑前,两侧拱腰最大收敛值为2.11 cm,拱顶最大下沉值为3.32 cm。

3.2 双侧壁导坑法围岩应力场分析

从拱顶的位移来看,岩石弹性面以外有小面积的塑性区,这是由于开挖后拱顶竖向位移时应力扩散导致岩体应力重新分布,极限平衡区的应力大,塑性区面积较大,其中塑性圈半径可由式(1)得到,塑性区半径如式(2)所示。隧道与岩体的交接面塑性较集中,如图6所示。围岩塑性区主要分布在隧道工作面、隧道拱腰、拱底及拱脚处,尤其在拱脚处围岩剪切变形破坏明显。因此,台阶施工时,应尽快施工临时仰拱并封闭衬砌成环。

None为非塑性区;shear-n shear-p为先前剪切塑性区;shear-p为剪切塑性区;shear-p tension-p为剪切、受拉塑性区图6 塑性区云图Fig.6 Contour of plastic zone

(1)

式(1)中:r为计算点到隧道中心的距离。

(2)

当开挖面没有完全封闭成环时,拱顶的变形达到最大时刻,如果不及时封闭成环,拱顶的应力就会从小逐渐积累到最大,所以要及时做好初期支护来保证开挖面的稳定性。当围岩作用与支护的径向应力变大时,支护的抵抗力也在变大。与“地层-支护”原理的特征曲线基本一致。当开挖第8部后,由于卸载导致拱底土体竖向应力减小,拱底压应力变大。此时,拱腰部的应力值略有下降,随着第8部开挖的进行,初期支护结构的整体刚度也在提高,开挖部的减少相当于卸载,而拱顶的位移相当于加载,同时,支护结构中的应力也在重新分配和调整,拱顶的应力和支护的应力重新达到应力平衡状态,拱顶的压应力也基本不再变化。每一部分开挖时各部分的应力状态均不同,每一个开挖阶段应力都要经历重新调整和分配、不平衡到平衡的过程。

3.3 双侧壁导坑法支撑应力分析

图7为全部开挖完毕以后支护结构最大主应力(拉为正)云图,可以看出,开挖后隧道周围应力分布情况,当开挖完全结束后,剩余的初始应力场也重新分布完,此时隧道的截面周边外的位移完全重新分布完,由于隧道开挖深度大,所以隧道上部的重力对拱顶的初始应力场影响较大,如果开挖面支撑能力低,围岩等级较差时围岩周边的张拉能力低,应力集中区域有可能发生剪切破坏。从图7中可以得到开挖到最后一部时应力在6个支撑点上集中。

图7 支护结构最大主应力(拉为正)云图Fig.7 Contour of maximum principal stresses (pull is positive) of supporting structure

4 三台阶四部开挖法开挖过程分析

4.1 三台阶四部开挖法位移分析

三台阶四部开挖法将全断面共分上台阶、中台阶和下台阶,采用平行流水作业,先开挖上台阶,中台阶、下台阶跟进施工。当开挖第4部位时,由于断面比较大,既要控制地表下沉,又要保持拱顶的稳定和位移。竖向和水平位移云图分别如图8、图9所示,可以看出,全部开挖完毕后拱顶和仰拱位移区域都较大,位移分布较均匀,顶部位移要比双侧壁导坑法大。竖向位移极值出现在拱顶和拱底,水平位移极值出现在两侧拱腰处,在拆除临时支撑前,两侧拱腰最大收敛值为2.68 cm,拱顶最大下沉值为4.51 cm。

图8 竖向位移云图Fig.8 Contour of vertical displacement

图9 水平位移云图Fig.9 Contour of horizontal displacement

4.2 三台阶四部开挖法围岩应力场分析

从塑性区云图(图10)中可以看出,三台阶四部开挖法塑性区有一直扩展到地表趋势,扩散的形状呈对角形式,扩散面积比双侧壁导坑开挖法大。扩散的面积越大,开挖隧道的断面越不稳定,施工中尤其做好超前小导管注浆加固岩体工作。

None为非塑性区;shear-p为剪切塑性区;shear-p tension-p为剪切、受拉塑性区;tension-p为受拉塑性区图10 塑性区云图Fig.10 Contour of plastic zone

由于应力影响面积大小与隧道开挖面大小成正比,隧道开挖面越大应力影响范围越大,三台阶四部开挖法一次开挖面比较大,相应应力影响范围就越大。从应力大小分布来看,拱腰处的围岩径向应力最大,其次拱顶处围岩径向应力,最小应力产生在仰拱。

从图6和图10所示的塑性区分布进行对比可得,两种工况下隧道周围地层塑性区分布有很大差异,由于隧道跨度较大,两种工况下隧道周围地层都出现了很大范围的塑性区。三台阶四部开挖法重新分布完的初始应力场面积比双侧壁导坑法大。

4.3 三台阶四部开挖法支撑应力分析

三台阶四部开挖法临时支护结构上应力分布的特性,在开挖过程中临时支撑应力分布变化较大,图11为三台阶四部开挖法支护结构最大主应力(拉为正)云图,当第4部位开挖完后,中间支护结构承受了较大的拉应力。

图11 支护结构最大主应力(拉为正)云图Fig.11 Contour of maximum principal stresses (pull is positive) of supporting structure

从图7和图11所示的临时支护结构最大主应力分布进行对比可得,两种工况下隧道临时支撑最大主应力分布有很大差异,由于三台阶四部开挖法临时支撑的跨度较大,应力分布均匀性差,支撑效果相比于双侧壁导坑法差,导致在开挖阶段围岩变形也大。

综合考虑安全因素和经济因素,建议杏花村1号隧道洞口段、浅埋偏压段、浅埋及断层破碎带段、Ⅴ级围岩段、Ⅳ级浅埋围岩段采用双侧壁导坑法施工;Ⅳ级围岩深埋段、Ⅲ级围岩段采用三台阶四部开挖法施工。开挖时,应严格控制地层变形,认真做好隧道施工风险评估和地层超前预支护工作,改善围岩力学参数,保证围岩稳定性。在强化超前预加固参数、支护参数的同时,缩短封闭时间,保证隧道顺利贯通。洞口加强段、洞口浅埋段等地质情况较差、围岩稳定性差不能自稳的情况采用大管棚超前支护,Ⅴ级和Ⅳ级洞身段衬砌采用超前小导管注浆工艺,其余围岩等级较好的段落采用超前锚杆加固[19]。