冯冀蒙, 谭玉梅, 姚仕钰, 颜志坚, 张俊儒, *, 王圣涛

(1. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610036; 2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室, 四川 成都 610036; 3. 中铁四局集团有限公司, 安徽 合肥 230000)

0 引言

黄土地层在我国的陕西、山西、甘肃及宁夏等地都有广泛的分布,大断面黄土隧道在开挖过程中变形控制难度大,特别是地表有建(构)筑物时,施工诱发的地表沉降给建(构)筑物的结构安全及正常使用带来巨大影响[1-2]。

从郑西客专建设以来,包括函谷关隧道、吕梁山隧道等20余座黄土隧道均存在下穿既有铁路或公路的情况,采用的施工方法主要是以有临时竖向支撑进行减跨作用的CRD或双侧壁导坑法等为主。该类方法相比较台阶法等非减跨施工方法,具有变形控制效果好、地表沉降量小的优点[3-4]。但是由于竖横向支撑的存在,严重限制了大型机械的使用,临时支撑拆除的过程中存在着结构整体失稳的巨大风险。如何在达到变形控制要求的前提下,尽可能实现快速高效施工,是科研工作者和工程建设者的共同目标。

在实践过程中,增加超前支护及加强支护参数是有效控制变形的措施,其中超前管棚的设置,在隧道进口段、浅埋暗挖段以及地铁暗挖车站等地下工程穿越复杂地质环境的施工中发挥了巨大作用[5]。临时仰拱的施作,及早闭合支护结构,在众多变形要求严格的隧道施工中也有积极效果。

针对管棚的作用机制及受力规律,许多学者开展了一系列的研究[6-7]。例如: Ibrahim[8]以伊斯坦布尔地铁2期为工程背景,对采用UAM(umbrella arch method,以管棚为主要超前支护的开挖方法)和NATM(新奥法)开挖法下的地表沉降值进行了监测,结果表明,采用UAM开挖的地表沉降值比采用NATM开挖法的地表沉降值小1/3; Harazaki等[9]通过对管棚的监测,得出管棚在掌子面前方1.5 m和后方2.5 m范围内弯矩有较大变化,其中掌子面上方的管棚弯矩方向是向洞内的,管棚有效优化了结构的纵向受力; 武松等[10]、Heng等[11]通过模型分析和现场监测的方式,也得到了类似的弯矩分布规律。

随着管棚施作技术的提升,以导向跟管钻进技术为典型代表的超长超大管棚(超过40 m)施工已经越来越普遍。相较于传统需要搭接的管棚施工,超长超大管棚具有一次超前量大、使用机具简单、支护效果好、施工速度快等特点,能实现一次性长距离超前支护,施工安全性和施工效率显著提高,优势明显。

当前对超长大管棚的研究,是沿用短管棚的研究经验,数值方法中采用梁单元模拟管棚,精度不足,特别是研究的结果需要进行现场实测验证时是极为困难的。虽然有采用应变片及测斜管对管棚的内力进行测试的先例,但在跟进式超长管棚的现场测试中却并不适用[12-13]。

基于如上背景,本文采用实体单元进行超长管棚的精细化建模和光栅光纤测试技术实时监测管棚纵向应力,对不同管棚长度及支护结构体系进行分析,得到大管棚纵向应力的演变规律,并进一步揭示纵横支撑体系的变形控制机制。

1 依托工程

1.1 工程概况

干堡隧道是银西铁路建设中的重要项目,位于陕西省永寿县,隧道总长度为1 969.62 m,为单洞双线隧道,设计速度为250 km/h。隧道在地面下方32 m处从DK105+013～+097下穿国家Ⅰ级电气化有砟单线客货共线铁路—西平铁路,影响区间长达84 m,埋深32 m,2线路的中线夹角为55°。干堡隧道下穿段为V级围岩段,隧道最大开挖跨度为15.1 m,最大开挖断面积超过160 m2。干堡隧道与西平铁路空间位置如图1所示。

图1 干堡隧道与西平铁路空间位置图

干堡隧道位于黄土梁上,从黄土梁侧缘边坡进入,黄土梁两侧冲沟深切发育,岸坡陡峻,沟谷内常年有季节性流水,梁顶地面地形较为平坦,隧道主要穿过第四系新统风积黏质黄土地层。

1.2 初步方案

西平铁路在隧道施工过程中一直处于正常运行状态,按照TB 10753—2018《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》要求,地面沉降控制值设定在30 mm。

为满足沉降控制要求,初步施工方案如下: 当干堡隧道到达西平铁路正下方之前,选用φ159 mm超长管棚设置纵向支撑,该支撑体系结构的设置范围为隧道洞身拱顶140°内;在隧道掘进过程中,纵向支撑与临时仰拱一起形成“纵横支撑”体系,替代临时竖撑,起到预防和遏制地层变形的作用。

施工步序如图2所示。隧道断面自上而下大致等分成3部分,上台阶①开挖后,导坑周边初喷C25混凝土,架设I20b钢架,同时底部施作临时仰拱,即架设I18钢架,喷射18 cm厚混凝土; ②～③台阶依次进行相应的施工; 最后进行④仰拱施工,一次施工封阶成阶。为了防止在施工过程中出现坍塌等问题,在上、中、下台阶两侧的拱脚位置分别设置锁脚锚管。支护参数如表1所示。

图2 施工步序

表1 支护参数表

1.3 黏质黄土力学参数

经现场采样后进行土工试验,得到如表2所示的物理力学指标。参照笔者之前发表的文献中,压缩模量与土体应力的相关关系,明确弹性模量数值[14]。

表2 隧道围岩力学参数一览表

2 数值模拟分析

2.1 模型及参数选取

采用FLAC3D有限差分计算软件,具体开挖方法的模型如图3所示。为了较为精准地模拟管棚,摒弃传统采用Beam单元的方法,改用实体单元模拟,管壁采用钢材的参数,其中的填充采用混凝土的参数。实体单元的单元示意如图4所示。

图3 开挖方法的模型图

(a) 实体单元示意

(b) 实体单元细部示意

计算中对比普通三台阶法和施作了超长管棚和临时仰拱的三台阶法,并考虑不同管棚长度的影响,工况设置说明如表3所示,计算参数如表4所示。

表3 工况设置说明

表4 计算参数表

根据式(1)计算获取压缩模量值,并由式(2)计算弹性模量,赋值给土体单元,得到土体单元的最大主应力。

(1)

(2)

式(1)—(2)中:E为弹性模量;Es为压缩模量;σ为土体应力,kPa;μ为泊松比。

2.2 变形分析

以模型的中间断面为对象,选取最具有代表性的数据(拱顶沉降值、地表沉降值)进行分析,工况P-84 m～工况P-0的拱顶沉降及地表沉降随掌子面的变化情况如图5所示。

(a) 拱顶沉降

(b) 地表沉降

由图5(a)可以看出: 1)4个工况的沉降曲线变化趋势相似,拱顶沉降于掌子面到达监测点前出现,到达监测点时沉降曲线急剧变化,而后支护发挥作用,拱顶沉降曲线越来越平稳; 2)地表沉降总体上表现为先缓慢增大,再加速变形,最终到达稳定状态; 3)拱顶沉降和地表沉降的相关性较强,拱顶沉降量较大的,地表沉降量也会较大。

由图5(b)可以看出: 1)40 m管棚和20 m管棚在管棚未施作前,地表的沉降规律与工况P-0是相差不大的,当管棚施作后,地表沉降的控制效果逐渐显现; 2)当掌子面通过管棚中点后,整体沉降规律与84 m管棚的规律是一致的,但是由于未施作管棚前的累积沉降,总的沉降量显著增加; 3)P-20 m最终计算得到的地表沉降已经大于30 mm,这是不能满足要求的。

相比较管棚长度对变形控制的作用,形成的纵横支撑整体的变形控制效果更加显著。

2.3 管棚纵向应力分布规律

超长大管棚的承载作用主要是承受抗弯的能力,起到纵梁的效果。钢管是主要的承载结构,其应力状态对整个结构的安全性和稳定性具有重要影响。因此在数值计算中,监测钢管的纵向应力可直接反映管棚的受力情况,工况P-84 m～P-20 m拱顶部位中模型中间管棚上下表面的纵向应力分布规律如图6所示。

(a) 上表面应力

(b) 下表面应力

由图6可以看出: 1)管棚整体受力规律是较为一致的; 2)随着开挖面的靠近,管棚应力先逐渐增加,当掌子面到达监测点附近时,应力增加到最大值后,逐渐开始减小,并最终呈现出稳定受拉的状态(P-84 m工况的受拉数值较小,P-20 m工况的受拉数值较大); 3)上表面的应力在掌子面位于监测点位时最大,下表面应力在距离掌子面还有3 m时最大; 4)管棚的长度越大,管棚的应力值越大,40 m管棚和84 m管棚的应力数值差别不大,但是20 m管棚的最大应力值约为84 m管棚应力值的一半,整体效果较差; 5)工况P-84 m中应力产生较大变化的范围在掌子面前30 m至后20 m,范围较大,为1～2倍隧道跨径; 6)工况P-40 m和工况P-20 m一旦施作,应力数值就开始显著增加,已经开始发挥积极作用; 7)3个工况应力的最大值为62 MPa,远小于管棚材料的极限强度(钢材Q235钢材的屈服强度为235 MPa),管棚有较大的安全冗余。

3 现场实测及分析

3.1 测试项目

为保障现场施工过程安全及变形量控制要求,并验证数值计算结果的正确性,研究中进行了管棚纵向应力、围岩压力、初期支护钢架应力、初期支护和二次衬砌的围岩压力、二次衬砌混凝土应力和钢筋应力的力学监测,以及初期支护拱顶沉降、地表沉降的监测。

3.2 测试方法

3.2.1 初期支护及二次衬砌力学监测

由于初期支护和二次衬砌力学监测属于常规内容,已有成熟的监测方法[15-16]介绍,本文不再赘述。

3.2.2 管棚纵向应力测试方法

文中采用的管棚纵向应力测试系统包含便携光纤光栅解调仪、光纤回路(3 mm铠装光缆引线)和光纤光栅测试元件3部分。管棚纵向应力测试系统如图7所示。

图7 管棚纵向应力测试系统

具体施作方法如下:

1)光纤埋深定位。沿管棚轴线方向在管棚上下表面做2条平行线,标记为管棚上下表面光纤光栅安装位置。

2)光纤埋设槽段的切割。使用打磨机沿定位线切槽深3 mm,宽3 mm;并在槽段两端部预留出穿线孔。

3)安装光纤光栅。将光纤放置于槽段内,布置4个光栅测点,每个光栅测点的间距为1 m,光栅使用胶水逐一固定,沿光纤表面注入环氧树脂充填槽段。

4)光纤通路测试。光纤线路连接好后,使用光纤光栅解调仪进行通路测试。

5)选定拱顶位置为测试管棚的点位。

6)管棚的施工。先依次打入前端的管棚节段,当试验管棚节段全部打入时,需做好标记,保证管棚的测点在上下表面。当试验管棚节段顶进至测点位置后,停止钻孔,将测试线路取出,测试光路是否通畅,并记录各测点初始波长。

7)数据测试。随着掌子面的逐步向前掘进,采用便携式光纤光栅解调仪进行测试。

3.3 测点布置

在下穿西平铁路的正下方布置3个测试断面,如表5所示。其中初期支护设置8个测点,每个测点布置3个元件(1个土压力盒,2个钢架表面应变计); 二次衬砌设置6个测点,每个测点布置5个元件(1个土压力盒,2个混凝土应变计,2个钢筋应力计)。测点元件及位置示意如图8所示。

表5 量测典型断面及量测内容

(a) 监测元件布置

(b) 试验管棚位置

管棚的纵向应力采用格栅光纤进行测试,在平西铁路正下方的拱顶管棚节段(见图8,A和B分别代表2个管棚都布置了测点,但是A管棚数据丢失,只有B管棚上的数据)上下表面分别布置4个测点(里程DK105+060～+064),B管棚上表面测点分别标记为B-U01、B-U02、B-U03和B-U04,相对应的下表面测点标记为B-L01、B-L02、B-L03和B-L04。管棚上下表面测点位置如图9所示。

图9 管棚上下表面测点位置

3.4 测试数据及分析

3.4.1 初期支护围岩压力

初期支护的围岩压力直接反映出地层对隧道结构的荷载大小,DK105+062断面的初期支护围岩压力随监测时间的增长规律如图10所示。可以看出: 1)随着监测时间的增加,围岩压力逐渐增加,呈现出先快速增加后逐步趋于稳定的规律; 2)当仰拱封闭后,围岩压力趋于稳定。

图10 DK105+062断面初期支护围岩压力

各断面围岩压力分布规律如图11所示。可以看出: 1)初期支护的围岩压力值总体较小,最大值为0.079 MPa,换算为土柱高度仅3.7 m; 2)分布规律为拱部数值较小,拱脚部位数值较大,仰拱部位数值处于拱部和拱脚数值之间。

3.4.2 钢架应力

初期支护中钢架作为重要的支护结构,起到快速承载的作用。DK105+062断面钢架应力如图12所示。可以看出: 1)DK105+062断面的钢架应力整体呈现出先快速增加后趋于稳定的规律,同围岩压力的规律一致,当仰拱封闭后,测试数值趋于稳定; 2)整体呈现出受压的状态,数值较小。各断面钢架应力分布如图13所示。

(a) 钢架内侧

(b) 钢架外侧

由图12和图13可以看出: 1)钢架总体压应力值较小,最大值为183.64 MPa,未超过材料的极限强度(235 MPa); 2)钢架的整体稳定性较好,整体处于受压状态,且应力分布较均匀,未出现明显的应力集中。

综合初期支护围岩压力及钢架应力的监测值可知,作用于初期支护上的荷载较小,结构安全性较高。

3.4.3 初期支护与二次衬砌间压力

初期支护与二次衬砌间的压力直观地反映了二次衬砌承受的压力,如图14所示。可以看出: DK105+062断面的初期支护与二次衬砌间的压力在二次衬砌施作完3 d后就已经趋于稳定,且数值较小。

图14 DK105+062断面二次衬砌压力

3.4.4 二次衬砌钢筋应力

DK105+062断面钢筋应力如图15所示。可以看出: 二次衬砌钢筋的压应力与衬砌压应力的发展规律是一致的,在测试的第3天已经处于稳定状态,最大值仅为20.5 MPa,远低于钢筋的极限强度(HRB335钢筋的抗压强度为268 MPa)。

图15 DK105+062断面钢筋应力

3.4.5 二次衬砌混凝土应力

DK105+062断面二次衬砌混凝土应力如图16所示。可以看出: 混凝土应力的规律与二次衬砌钢筋的规律是一致的,整体上数值较小,最大值仅为1.09 MPa,结构的安全冗余高。

图16 DK105+062断面二次衬砌混凝土应力

从现场实测的初期支护及二次衬砌的围岩压力及结构内力的数据来看,结构整体满足安全要求。

3.4.6 管棚应力

管棚应力的发展规律如图17所示。可以看出: 1)应力实测值和数值计算结果的规律基本一致; 2)上表面的应力先缓慢增加,到掌子面距离测点为15 m时,出现了一段平缓区,一直持续到掌子面距离测点5 m时,应力开始快速增大,并达到最大值,然后快速减小; 3)在掌子面通过测点15 m左右时,应力趋于稳定,并呈现出受拉的特征,下表面的应力整体上也是先增加后减小; 4)在掌子面距离测点10 m时,出现了应力增加缓慢的阶段,到掌子面距离测点5 m时,应力快速增加,掌子面距离测点2 m时应力增加到最大值,此后应力快速减小,掌子面通过测点20 m后,应力趋于稳定; 5)上表面应力的影响范围在掌子面-15～15 m,下表面的影响范围在-10～20 m,上表面的应力最大值要大于下表面的应力最大值。

(a) 上表面应力

(b) 下表面应力

根据材料力学中关于应力和内力的相互关系,可按照式(3)对数值计算应力、现场实测应力进行计算,得到如图18所示的管棚纵向弯矩及轴力图。

(3)

式中:M为计算得到的弯矩值;N为轴力值;σ1为作用在管棚上表面的应力;σ2为作用在管棚下表面的应力;Iz为惯性矩;yh为到中性轴的距离;A为管棚横截面面积。

由图18可以看出: 1)纵向内力实测数值和数值计算结果得到的规律是一致的; 2)轴力整体呈现出先逐步增加,在掌子面到达测点前2 m时达到轴力的最大值,随后逐渐减小,掌子面通过测点20 m后,整体的轴力已经趋于稳定; 3)在掌子面距离测点20 m时出现一定的向洞内方向的弯矩,随后在掌子面距离测点5 m时,弯矩的方向开始向洞外方向,掌子面离测点2 m时弯矩达到了最大值,随后弯矩方向反转,当掌子面在测点正下方时,弯矩的方向向洞内,达到了最大值,随后逐渐减小,在掌子面通过测点10 m时,弯矩整体趋向于稳定。

(b) 弯矩

在当前三台阶开挖及特定支护参数的前提下,数值计算和现场实测的数据表明,管棚的影响范围是掌子面前30 m至后20 m,强影响范围为掌子面前方10 m和掌子面后方5 m,这个范围超过了短管棚和部分中管棚的自身长度,显然超长管棚的支护效果是更加显著的。

3.5 位移监测结果对比分析

拱顶及地表的现场沉降观测值、数值计算结果,其演变规律如图19所示。可以看出: 基于现场实测的土层数据,结合实体单元进行数值模拟得到的计算结果和现场实测数据吻合较好。

(a) 拱顶沉降

(b) 地表沉降

由于拱顶的数据必须是在掌子面到达该测点后才能进行监测的,因此实测得到的拱顶沉降数据仅是拱顶沉降的一部分。取掌子面开挖后的数值模拟沉降曲线和实测数据对比,如图19所示。可以看出: 1)整体的发展规律是一致的,先快速增加,然后逐渐减缓并趋于稳定; 2)地表沉降的变形整体呈现出先缓慢增加,随着掌子面逐步靠近监测点,其数值快速增加,后又逐步趋向于稳定; 3)实测得到的拱顶沉降数据比数值计算得到的数据小,而地表沉降的实测数据与数值解相近,只有2个点位的数据偏大,总体的最大沉降值并未超出30 mm。平西铁路的运营也未受到影响。

4 纵横支撑结构体系作用机制分析

基于数值计算和现场实测的分析可知,长大管棚中,掌子面前30 m和掌子面后20 m范围内的管棚应力出现了较大变化,可以认为是隧道开挖对纵向长度范围内的影响的区域。对比传统短管棚(20 m左右)或中管棚(小于40 m)的情况,管棚施作之后,开挖就会对其产生较大的影响,由于纵向长度较小,管棚的作用范围也有限,管棚整体受力较小,承担的荷载也较小,而长管棚能够在较大范围的垂直方向上,将隧道内的竖向荷载转移到初期支护的钢架和掌子面前方的稳定围岩上,进而减少了掌子面前后范围内结构及掌子面土体的荷载承担量,最大限度地控制了开挖影响的沉降。纵横支撑示意如图20所示。

图20 纵横支撑示意图

由图20可以看出: 1)上台阶开挖后支护结构与临时仰拱形成了闭合结构,中台阶支护与临时仰拱也形成了闭合结构,最终稳定的闭合结构是支护结构的整体成环; 2)管棚和支护结构形成的纵横支撑体系,不仅与隧道的跨度有关,也与最终稳定闭合结构的形成距离有关; 3)为保证纵向受力传递的可靠性,管棚须有一定的锚固段落,即管棚的最小距离应该大于掌子面到支护结构闭合距离的2倍。本项目要求掌子面与仰拱闭合的距离不大于25 m,管棚的整体长度就应该大于50 m,传统长度小于40 m管棚的支护效能就不能得到有效的发挥。

临时仰拱和钢架闭合形成横向支撑环,与长管棚一起组成“纵横支撑”体系,有效提升了结构整体刚度,荷载分配更加均匀,控制变形的效果更好。

5 结论与讨论

本文依托银西铁路干堡隧道工程,采用实体单元模拟超长管棚,并通过光栅光纤测试技术监测管棚应力,对“纵横支撑”体系的作用机制展开研究,主要结论如下。

1)“纵横支撑”体系由超长管棚和临时仰拱构成,代替了临时竖撑,在纵向上可实现更大区域的竖向荷载转移到钢架和围岩中,减小了掌子面附近的荷载承担量,实现了对黄土隧道变形的有效控制。

2)采用光栅光纤测试技术对隧道开挖过程中的管棚纵向应力进行实时监测,可操作性强、精度高、受施工影响小。

3)管棚和支护结构形成的纵横支撑体系,与隧道跨度和最终稳定闭合结构的形成距离有关,管棚的最小距离应该大于掌子面到支护结构闭合距离的2倍。

4)数值计算和现场实测的结果都表明超长大管棚受开挖影响的范围在掌子面前30 m至后20 m,强影响范围为掌子面前方10 m和掌子面后方5 m,要远大于短管棚的受力影响范围,超长大管棚的整体性更好,控制变形能力更强。

本文的研究成果有望为未来隧道支护设计提供新的思考方向。黄土隧道施工一直是工程界关注的焦点,本文尽管做了一定程度的研究,但还是需要进行更多的现场验证。