软弱围岩中大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖的数值模拟

软弱围岩中大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖的数值模拟 傅鹤林 张聚文 黄陵武 谢启东 中南大学土木建筑学院 长沙 410075 摘要摘要 软弱围岩条件下大跨度浅埋偏压小间距隧道合理的开挖方法是隧道工程界目前一个 亟待解决的难题 本文采用有限元方法 对软弱围岩条件下大跨度浅埋偏压小间距隧道的 动态施工数值模拟及施工方法进行了比选分析 研究成果有利于提高大跨度浅埋偏压小间 距隧道的结构设计和施工水平 达到大跨度浅埋偏压小间距隧道结构设计和施工更为经济 合理的目标 具有较好的应用前景 关键词关键词 大跨度 浅埋 偏压 小间距隧道 动态施工 数值模拟 中图分类号 中图分类号 文献标识码文献标识码 Numerical Simulations of Construction Methods for Large span Shallow Embedded and Bias Tunnel with Small Interval in The Soft Surrounding Rock FU He Lin ZHANG Ju Wen Huang Lin Wu XIE Qi Dong School of civil engineering and architecture Central South University 410075 Abstract The problem that large span shallow embedded small interval and bias tunnel of the most reasonable excavation in the soft wall rock is urgent to be settled Numerical Simulations and scheme comparison of construction methods for large span shallow embedded and side stress tunnel with small interval of the soft wall rock is made in this paper The research results of this paper will do benefit to improve the design of structure and the level of constructing for large span shallow embedded small interval and bias tunnel and will make it more economical and more reasonable which has good bachground and future Key Words large span shallow embedded side stress small interval dynamic construction numerical simulation scheme comparison 随着我国高速公路建设的发展和环保意识的增强 需要在保护和利用自然环境的条件 下 同时确保施工和运营的安全 充分提高交通运输效率 节省经济成本 而在我国小间 距隧道的出现和研究较晚 目前还没有明确的规范 仍处于探索研究阶段 近年来 国内 不少学者和研究人员做了大量的研究工作 但对大跨度浅埋偏压小间距隧道的研究报道甚 少 特别是在软弱围岩条件下鲜有听闻 本文利用有限元软件 主要针对软弱围岩条件下 研究大跨度浅埋偏压小间距隧道合理的开挖方法以及两隧道开挖后相互之间的扰动影响 对于指导隧道结构设计和施工 提高隧道工程质量 加快施工进度 降低工程费用等均有 重大的现实意义 1 数值模拟数值模拟 1 1 模型的建立模型的建立 本文以一双向六车道小净距隧道为例 而高速公路双向六车道大跨隧道一般单洞宽度 16m 左右 因此本文选取一浅埋偏压典型段 围岩级别取 级 隧道处于该段坡面的正下 方 坡面倾斜角度为 11 左右 隧道埋深大约为 15m 左右 所选取的断面宽度 17 5m 净 宽 16m 隧道净高 8 m 隧道间距 6 5m 边界条件均采用位移边界条件 地表为自由面 不 受任何约 浙江省交通厅科技项目 200413 作者简介 傅鹤林 1965 男 江西高安人 中南大学教授 博士生导师 从事从事岩土工程与地下工程 教学与科研工作 E mail fuhelin100 Tel束 计算模型左右边界面及下部边界面均受到其法向方向上的位移约束 计算模型网格如 图 1 所示 计算软件采用 FLAC3D 图 1 计算模型网格图 Fig 1 wireframe of computational model 根据 FLAC3D 分析问题的特点 该计算模型采用弹塑性平面应变模型 隧道围岩材料 特性按均质弹塑性体考虑 采 Mohr Coulomb 屈服准则 初始应力仅考虑自重应力 当材 料进入塑性状态后 其应力应变关系由塑性理论中的增量法求解 1 2 计算参数的确定计算参数的确定 依据工程试验资料 水文地质资料和周边自然环境 并参考规范 设定岩层岩性及隧 道围岩初始力学参数如表 1 根据 公路隧道设计规范 所建议的范围 结合相关工程实 例及围岩特性 设定隧道初支为 25cmC20 素砼 二衬为 50cmC25 钢筋砼 具体隧道支护 体系的物理力学参数取值见表 2 表 1 各岩层物理力学参数 Table 1 The physical mechanics parameter of rocks 岩层 厚度 m 岩性 重度 kN m3 凝聚力 C kpa 内摩擦角 phi 弹性模量 E Mpa 剪胀角 泊松比 110粘土1846127 100 4 215 全风化 泥岩 1923181050 35 335 强风化 砾岩 214535300150 26 表 2 支护体系物理力学参数值 Table 2 The physical mechanics parameter of supporting structure 强度等级 重度 kN m3 弹性模量 E Gpa 泊松比 素砼C2023280 2 钢筋砼C252529 50 2 参数 材料 1 3 各种施工方法的数值模拟各种施工方法的数值模拟 依据设计规范和工程实例 针对软弱围岩条件即 级围岩条件下 选定了常见的三种 工法 全断面法 短短台阶法 CD 法 参考有关文件 10 双洞不同时进行开挖施工时 先开挖隧道会受到后继隧道的扰动 出现应力重分布 使得隧道受力明显不对称 仰拱产 生张拉应力 同时中间岩柱应力集中 雁形部位出现剪应力 可能引起衬砌剪切破坏影响 衬砌作用效果 严重时拱顶衬砌开裂甚至破坏 因此设定模型在双洞并行同工法开挖施工 时 分别对三种不同的开挖方法引起大跨度浅埋偏压小间距隧道的应力场和位移场变化情 况进行分析和对比 判定各种开挖方法的优劣 首先确定具体的计算内容 在此基础上 确定模拟三种开挖支护方法的步骤 1 3 1 计算内容计算内容 具体计算内容如下 1 首先形成计算模型的初始地应力场 2 按各种方法进行隧道开 挖支护模拟 分别计算开挖适时支护与延时支护的各种开挖支护方法引起的围岩扰动后的 应力场和位移场 计算分析中考虑拱顶上覆岩体厚度 15m 的情况 1 3 2 各种开挖方法的工序各种开挖方法的工序 1 全断面法全断面法 1 开挖后不及时支护 双洞全断面开挖 间隔后施作衬砌 间隔时间长度与及时支 护时施作二衬间隔时间相同 以下相同 2 开挖后及时支护 双洞全断面开挖 临时支护 施作二衬 2 上下短台阶法上下短台阶法 1 开挖后不及时支护 开挖隧道断面上台阶 开挖隧道下台阶 间隔后施作衬砌 2 开挖后及时支护 开挖隧道断面上台阶 喷射砼进行初期支护 开挖隧道下台阶 进行初期支护 施作二衬 3 CD 法法 CD 法又称中隔墙法 此法开挖小间距隧道时 容易引起中间岩柱应力集中 参考晏 启祥 22 隧道开挖应遵从中间岩柱后形成的原则 故选择先开挖左洞左导坑和右洞右导 坑 再开挖左洞右导坑和右洞左导坑 由外到内对称式开挖 具体工序如下 1 开挖后不及时支护 左洞左导坑和右洞右导洞开挖 左洞右导坑和右洞左导洞开 挖 间隔后施作衬砌 2 开挖后及时支护 左洞左导坑和右洞右导洞开挖 喷射砼进行初期支护 左洞右 导坑和右洞左导洞开挖 喷射砼进行初期支护 全断面施作二衬 2 计算结果计算结果 为更全面的对比各种工法 增设了延迟支护时各种工法引起的应力场和位移场变化情 况作为对比方案 以此对比分析软弱围岩条件即 级别围岩条件下各种工法的利弊 为表示方便 分别定义全断面法为 A 方式 短短台阶法为 B 方式 CD 法为 C 方式 2 1 应力场分布应力场分布 由于隧道主要受第三主应力即竖向压应力的影响 故有针对地选择了三种工法的第三 主应力场分布 2 1 1 延迟支护的应力场分布延迟支护的应力场分布 a b c a A 方式 b B 方式 c C 方式 图 2 第三主应力云图 Fig 2 The third principal stress contours of un lining tunnel 图 2 是三种工法开挖隧道后延迟一定时间即不及时支护情况下隧道周边应力场分布图 从图可以看出 无论何种开挖方式 大跨度浅埋偏压小间距隧道的开挖均会引起中间岩柱 和左洞右侧处的应力集中 但 B 方式和 A 方式所引起的引力集中区域皆较大 C 方式较小 说明由于 A 方式和 B 方式皆先形成中间岩柱首先产生应力集中 较 C 方式而言 随着时间 推移该区域塑性蠕变流动 更大的扩展了应力集中的范围 故后形成中间岩柱有利于减少 中间岩柱处应力 对比图 2 中 a b c 可知 B 方式隧道周边应力最大 C 方式次之 A 方式最小 说明 A 方式最有利于应力释放 2 1 2 适时支护的应力场分布适时支护的应力场分布 a b c a A 方式 b B 方式 c C 方式 图 3 第三主应力云图 Fig 3 The third principal stress contours after primary lining 图 3 显示为三种不同工法开挖隧道并适时支护的隧道周边应力场分布图 对比图 3 与 图 2 可知 无论何种工法 适时喷射混凝土进行初期支护的隧道应力场要较延迟支护的大 说明不同工法开挖后适时喷射混凝土进行初期支护将会不同程度限制和延缓了应力释放 其中图 3 显示 B 方式隧道周边应力最大 而 A 方式略小于 C 方式 但这两种工法产生的隧 道周边应力皆相对较小 说明隧道开挖后到喷射混凝土进行初期支护这段间隙时间内 B 方式应力释放量较小 初期支护顺承相对较大的应力 故台 B 方式开挖最不利于应力释放 而 A 方式和 C 方式相近释放量较大 初期支护承受相对较小的应力 不过 A 方式略优于 C 方式 2 1 3 施作二衬后应力场分布施作二衬后应力场分布 a b c a A 方式 b B 方式 c C 方式 图 4 第三主应力云图 Fig 4 The third principal stress contours after secondary lining 图 4 为不同工法隧道施作二衬后隧道周边应力场的分布 比较图 3 与图 4 可以看出 不论哪种工法开挖隧道 相对初期支护 二次衬砌承受较大的应力 说明了对于软弱围岩 条件下大跨浅埋偏压小间距隧道 无论何种工法开挖施工 施作二次衬砌不再只是安全储 备 而应是支护手段的重要组成部分 从图 4 和图 3 中 a b c 对比可知 三种开挖 方式开挖隧道施作二衬后仰拱都不同程度受到竖直向上的正应力 其中 A 方式和 C 方式较 大 B 方式较小 表明 B 方式能较好释放仰拱应力 但隧道二次衬砌 C 方式承受的应力最 大 A 方式和 B 方式相近应力皆相对较小 其中 B 方式略小于 A 方式 说明在初支后到施 作二衬之间 C 方式应力释放量相对较少 二衬顺承了较大应力 故 C 方式的初支后应力 释放相对较慢 而 A 方式和 B 方式较快 且 B 方式较 A 方式略占优势 2 2 位移场分布位移场分布 2 2 1 延迟支护的位移场分布延迟支护的位移场分布 a b c a A 方式 b B 方式 c C 方式 图 5 位移云图 Fig 5 The displacement diagram of un lining tunnel 图 5 是三种隧道开挖方式下延迟喷射混凝土即不及时进行初期支护时隧道周边位移图 从图可以看出 在软弱围岩条件下 无论何种工法 大跨浅埋偏压小间距隧道开挖后不适 时喷射混凝土进行初期支护 将会引起隧道断面急剧变形 其中 A 方式和 B 方式相近变形 较严重 C 方式较小 说明 C 方式更有效的发挥了围岩的自承能力 对 A 方式和 B 方式而 言 2 2 2 临时支护的位移场分布临时支护的位移场分布 a b c a A 方式 b B 方式 c C 方式 图 6 位移云图 Fig 6 The displacement diagram after primary lining 图 6 显示了三种不同工法开挖隧道并适时喷射混凝土进行初期支护的隧道位移场变化 与图 5 比较可知 不论何种开挖方式 对软弱围岩条件下大跨浅埋偏压小间距隧道开挖后 及时进行初期支护 能显著的改善隧道断面变形情况 从图 6 可以看出 A 方式引起的隧 道断面变形最大 B 方式次之 C 方式最小 说明了 C 方式和 B 方式都能较好的利用围岩 的自承能力 相对 A 方式而言 从而抑制隧道断面过大变形 其中 C 方式效果更好 2 2 3 施作二衬后位移场分布施作二衬后位移场分布 a b c a A 方式 b B 方式 c C 方式 图 7 位移云图 Fig 7 The displacement diagram after secondary lining 图 7 分别显示了三种工法开挖的隧道施作二衬后 围岩应力传递达到平衡时 隧道断 面累积的位移场 由图可知 B 方式和 C 方式相近隧道累积变形量较小 相比 A 方式而言 其中 C 方式略大于 B 方式 从而印证性的说明了 C 方式在初支到二衬之间应力释放相对较 慢 二衬顺承了较大的应力 致使最后阶段的应力释放过程中 二衬变形量较大 从而隧 道累积变形量反超了 B 方式 2 3 模型内监测点位移模型内监测点位移 对比模型内各监测点位置处的位移云图可知 左洞拱顶下沉和左洞左边墙水平收敛变 形较明显 故选取模型内这两个监测点 并通过计算得到这两个监测点在三种不同工序情 况下随着开挖和应力的释放的位移历史曲线图如下 a b a 左洞拱顶 b 左洞左边墙 图 8 位移曲线图 Fig 8 The time displacement diagram 从图 8 可以看出 A 方式拱顶的下沉量最大 但断面径向的水平位移最小 B 方式和 C 方式接近一致 C 方式下沉量略小于 A 方式 但 C 方式断面径向水平位移要稍大 印证 了 C 方式和 B 方式皆能较好的发挥围岩的自承能力 但 C 方式初支后围岩应力释放要弱慢 于 B 方式 而 A 方式能较快的释放围岩应力 从而减少二衬顺承的应力大小和变形量 3 结论结论 本文对大跨度浅埋偏压小间距隧道在软弱围岩条件下 分别采用不同的开挖方法进行 了数值模拟计算 通过综合分析和对比不同开挖方法引起的应力场和位移场变化情况 从 满足施工安全性和施工效率角度分析 可以得到如下结论 1 大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖后到支护时间间隔过长 虽较多的释放围岩应力 但断面变形量较大 水平收敛和拱顶下沉较严重 若支护间隔时间过短 围岩应力基本或 很少得到释放 将会增大初支和二衬的应力负荷 引起衬砌较大的变形 严重时甚至可能 开裂 故在隧道开挖后适时进行支护很重要 应具体根据工程经验和计算把握支护间隔时 间控制围岩应力释放比率 2 在软弱围岩条件下即 级围岩 若周边地质情况简单 可采用全断面法和短台阶 法 若需严格控制断面和衬砌变形量 可采用短台阶法 若周边地质情况复杂 可采用短 台阶法和 CD 法 但 CD 法施工难度大 故宜采用短台阶法 若围岩自稳能力较差则宜采 用 CD 法 需严格控制隧道断面和衬砌的变形量 则宜采用短台阶法 3 大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖支护后仰拱存在较大的张拉应力和竖直向上的正 应力 较易引起隧道路面隆起开裂 故应通过计算对仰拱合理配筋 设置相应强度的钢筋 砼垫支 4 大跨度浅埋偏压小间距隧道无论何种方式开挖均会引起中间岩柱和左洞右侧处的 应力集中 岩体易出现失稳崩塌 故注意相应的预支护加固处理 5 大跨度浅埋偏压小间距隧道无论何种工法 二次衬砌不再只是传统的安全储备 而应作为隧道支护手段的重要组成部分 6 本文研究成果可对类似软弱围岩条件下大跨浅埋偏压小间距隧道的开挖和施工提 供参考 参考文献 1 Itasca Consulting Group Inc FLAC3D Fast Lagrangian Analysis of Continua version 3 00 user s