山嶺公路隧道CD法開挖過程安全穩定性分析

惠 冰,王 琳,張文俊,陳 朋,趙忠孝

(1.山東省交通科學研究院,山東 濟南 250102;2.山東科技大學 交通學院,山東 青島 266590)

近年來,隨著交通基礎設施的快速發展,隧道建設里程在整個交通里程中的占比日益增加,鐵路隧道、公路隧道和地鐵隧道的建設規模越來越大。當前國家環保要求日益嚴格,山區公路建設中隧道代替路塹避免了山體開挖和高陡邊坡的出現,其綠色環保效益日益凸顯。此外,山區公路一般穿越各種復雜多變的地質體,并伴有地下水、溶洞、節理裂隙巖體甚至斷層破碎帶等各種不良地質現象,全段面機械或鉆爆開挖法已經不再適用。越來越多的隧道采用CD法甚至CRD法進行開挖。隧道開挖過程常采用全過程動態監測,以保證施工過程中的安全。國內外專家學者對CD法進行了大量研究:方勐等[1-2]通過分析云南某隧道原位監測數據,得出了臺階法開挖可有效減小軟弱圍巖隧道變形的結論;魏弘銘等[3]針對西溝埡隧道建立了4種拱頂沉降回歸模型,并將回歸模型曲線與工程實測曲線進行了擬合對比;楊志強等[4]、朱熔清等[5]采用FLAC3D有限差分軟件模擬了“三臺階五步法”的施工過程,驗證了其在軟弱圍巖中開挖大斷面隧道的可行性;劉平等[6]、童保國[7]、孫文君等[8]采用FLAC3D數值計算模型,分析了巷道掘進過程中軟弱圍巖的應力場、位移場和塑性區的演化規律;張曉勇等[9]、魏勇齊等[10]采用數值仿真方法分別對臺階法、預留核心土法和三臺階法施工過程的圍巖變形及地表沉降進行了模擬分析;Sharifzadeh等[11]、Luo[12]、Li[13]等研究了軟弱地基中隧道工程采用不同開挖方法和工藝時影響巖體穩定的主要因素;羅彥斌等[14]、盧志強[15]、Xue[16]等基于理論分析、現場測試和數值計算,提出了拱頂沉降和周邊收斂主要經歷快速增長、緩慢變形和趨于穩定3個階段;Corbetta等[17]、Carranza[18]等描述了掌子面通過測點之后洞壁徑向位移與掌子面至監測斷面距離L之間的關系。

筆者以濟南至濰坊高速公路鵲山隧道左線隧道為研究對象,對CD法開挖過程中的圍巖進行了監測,并采用MIDAS軟件對臺階法開挖過程進行了三維數值仿真計算,研究了大斷面山嶺隧道開挖過程中圍巖的力學與變形規律,為類似隧道工程開挖支護提供參考和理論依據。

1 工程概況

濟南至濰坊高速公路走向總體呈SN向,沿線地形地貌受地質構造、地層巖性和剝蝕程度的影響較大。擬建隧道下穿低山丘陵、山間谷地,為分離式隧道,雙向六車道,左右洞單向各3車道,兩洞間凈距為20.3～22.1 m,左軸線起止樁號為ZK5+322～ZK6+125,長為803.0 m,右軸線起止樁為K5+320～K6+125,長為805.0 m。樁號ZK5+550,隧道最大埋深為90 m。

1.1 地形地貌

隧道所在區域為低山丘陵,地表植被發育,區域基巖埋深較淺,隧道頂部基巖直接出露,風化現象嚴重,局部表層覆蓋殘坡積物,谷底堆積有較厚的洪積物、坡積物。進洞口位于山腰,地形坡度較緩,基巖埋深較淺,可見巖石出露,第4系覆蓋層厚度不均,局部較厚,出露巖層以奧陶系灰色薄層白云巖及白云質灰巖夾角礫狀白云巖,底部為底礫巖。巖體為層狀構造,巖層走向與洞軸線斜交,夾角為72°,進洞口段無斷裂構造,巖層結構面發育,局部溶蝕裂隙發育,裂隙面見泥質充填,穩定性較差。

1.2 工程地質條件

隧道進出口巖體破碎程度較高,大部分為Ⅴ級圍巖,自穩能力較差。左線隧道ZK5+320～ZK6+125段上覆較厚層第4系殘坡積碎石土層,地層下部及隧洞圍巖為奧陶系灰巖、泥灰巖,巖體節理裂隙發育,局部溶蝕裂隙發育,巖體呈塊狀結構,或中、薄層狀結構,無斷裂構造。隧道局部洞段圍巖節理裂隙發育,破碎程度較高,穩定性較差。綜合判斷隧道洞身段的圍巖基本質量等級為Ⅲ～Ⅴ級(表1)。左洞Ⅴ級圍巖占比20.8%,Ⅳ級圍巖占比37.7%,Ⅲ級圍巖占比41.5%。研究對象K5+320～K5+650段為Ⅳ級圍巖,K5+650～K6+125段為Ⅴ級圍巖,較為破碎。

表1 隧道左線工程地質及巖體結構特征

2 開挖過程監測分析

2.1 CD法工藝流程

針對隧道埋深較淺,上覆地層較為松散破碎,圍巖質量等級為Ⅳ、Ⅴ級灰巖以及泥灰巖的情況,左線隧道開挖采用“短進尺”臺階法開挖,即實際開挖時將全斷面分為左、右兩部分,先開挖左部,再開挖右部,左右兩部開挖時均分為上、下兩個臺階,“短進尺”開挖步長ΔL=2.0 m,斷面監測點布置如圖1所示。另外,CD法開挖支護流程如圖2所示,在開挖過程中及時將位移測量裝置等安裝在設計位置。

圖1 CD法開挖過程K5+340斷面監測點Fig.1 Monitoring point at section K5+340 during CD method excavation

圖2 臺階法開挖工藝流程Fig.2 Stepped excavation technology procedure

2.2 監測數據分析

考慮到隧道沿線圍巖為Ⅳ、Ⅴ級圍巖,開挖方法采用臺階法。開挖過程中對監測斷面特征點進行動態監控(圖3),圖3(a)為第1,2部臺階開挖后在洞口的測量,圖3(b)為第1,2,3,4部臺階開挖后在洞口的測量。選取左線隧道ZK5+340斷面作為監測斷面,對該斷面頂拱沉降監測點A的豎向位移、收斂監測點B,C的水平位移進行了監測和分析,沉降觀測點A和收斂監測點B,C的位置見圖1,其中A點位于拱頂左側,為沉降監測點;BC線、EF線為收斂監測線。通過對開挖過程中的實時監控,獲取了隧道開挖過程中圍巖及中間支撐的變形演化規律及支護結構的工作狀態信息,為修正初期支護參數、合理確定二次襯砌和仰拱施作時間提供了信息。

圖3 采用拓普康GTS-2002全站儀監測隧道現場Fig.3 Site monitoring with Topcon GTS-2002 total station instrument

為了研究臺階法開挖過程中圍巖頂拱的最終沉降量以及洞壁的最終收斂值,選取了第4部臺階法開挖過程的部分監測數據進行分析,監測的初始值為第4部臺階開挖,自起始斷面ZK5+320(洞口斷面,x=0,x表示掌子面距起始斷面距離)開挖至監測斷面ZK5+340(x=20 m,L=0 m,L表示掌子面距監測斷面距離),立即安裝沉降監測點A,收斂監測點B,C和E,F,隨后進行監測,在各測點位移穩定后,以每開挖步長ΔL=2.0 m的進尺向前推進。同步監測L分別為20,30,40,50,…,200 m時的各監測點位移。

在對第4部臺階全開挖過程進行監控量測過程中,剔除爆破振動引起的誤差較大的數據,一般不采集爆破前后時段的數據,由于爆破振動引起的有誤差的數據個數極少,監測值如表2所示。表2中數據“+”和“-”號意義:拱頂監測點A發生的位移用“+”表示,即為監測點A發生了沉降;B點位移為正,表示隧道左側邊墻向右,即向洞內發生位移;C點位移為“-”,表示隧道右側邊墻向左發生位移,即向洞內發生位移,BC線縮短,洞徑變小,隧道發生了收斂變形。隨第4部開挖推進過程的A點沉降曲線以及B,C點的水平位移變化曲線如圖4所示。

圖4 代表性測點監測曲線Fig.4 Representative measurement point monitoring curves

表2 特征點監測位移

表3 A點沉降監測和計算值

由表2及圖4可知:第4部開挖過程中,自洞口開挖至監測斷面L=0 m(ZK5+340)安裝好各測點后,在進一步開挖前,A點沉降位移δA=7.3 mm。

當開挖推進至L分別為20,30,40 m時,A點沉降位移δA分別為7.6,8.2,8.6 mm,位移增加緩慢。此后至L=50 m斷面,A點沉降位移δA=14.3 mm,增長幅度較大。在后續的開挖過程中,A點沉降位移呈現較緩慢增加,至L=200 m斷面,A點沉降位移穩定在δA=17.8 mm。

在L=0～70 m段,B,C點向洞內水平位移(收斂變形),B點向洞內水平位移分別在2.1～0.7 mm以及-1.5～-0.8 mm波動。當第4部臺階開挖至L=80 m時,在隨后的開挖過程中,B點水平位移穩定在0.5 mm上下,C點水平位移穩定在-1.0 mm上下。B,C兩點收斂速率趨近為零,水平位移不再增加,洞室收斂變形穩定。

3 數值模擬分析

濟濰高速公路左線隧道位于魯中山區,地質構造復雜,隧道圍巖較為破碎,采用“分部分臺階法”逐步掘進的方法,開挖支護工藝流程復雜,Ⅳ、Ⅴ級圍巖存在局部大變形甚至坍塌的風險,為了預測開挖過程中圍巖的變形演化規律,保證開挖和施工過程中隧道的安全穩定。采用MIDAS 2020有限元軟件對臺階法開挖過程進行計算,將計算結果與實際監測數據進行對比,并根據監測斷面特征點位移、應力演化規律預測臺階法開挖過程中圍巖松動、松弛范圍,為隧道開挖支護提供依據。

計算工況:在第1,2,3部開挖完成后,對第4部開挖過程進行仿真計算,模擬第4部開挖過程:自洞口開挖至ZK5+340斷面后,安裝單點位移計,隨后每開挖步長ΔL=2.0 m,循環開挖直至隧道貫通,為了便于比較,選取L=10 m時A點豎向位移、B點和C點的水平位移計算數值與原位監測值進行對比分析。

由表2及圖4可知:第4部開挖過程中,自洞口開挖至監測斷面L=0 m(ZK5+340)的初始階段,A點沉降位移δA在7.3～7.6 mm間波動,比較平穩;當開挖推進至L為20～40 m段時,A點沉降值緩慢增加8.6 mm;此后至L=70 m斷面,A點沉降值增幅較大,增加16.7 mm;在后續的開挖過程中,沉降變形趨于平緩,至L=200 m斷面,沉降變形逐漸穩定下來。

3.1 計算范圍

對左線隧道ZK5+320～ZK5+670段進行計算:沿隧道軸向取L=350 m,沿垂直洞軸線的水平方向取B=200 m,高程方向取H=63～120 m,即L×B×H=350×200×(63～120)。地層從上至下依次為分布厚度較小的地表土層、強風化灰巖地層和中風化灰巖地層,計算數值模型如圖5所示。

圖5 計算范圍及三維數值模型(單位:m)Fig.5 Scope of calculation and 3D numerical model (unit: m)

模型邊界條件:在模型側邊界,y=0 m、y=200 m斷面均沿x向施加約束,限制其在x方向的位移;底部邊界固定;模型頂表面邊界自由,不受任何約束。

3.2 模型本構關系和材料參數

采用MIDAS有限元軟件對隧道第4部開挖過程進行計算,計算本構關系采用Mohr-Coulomb彈塑性破壞強度準則,即

(1)

式中:τ為剪切面上的剪應力,Pa;σ為剪切面上的正應力,Pa;c為黏聚力,Pa;φ為內摩擦角;σ1,σ3分別為第1和第3主應力,Pa。

計算地層分為3層,依次為分布厚度較小的地表土層、強風化灰巖地層和中風化灰巖地層。各地層材料參數取值如表4所示。

表4 各地層材料參數

3.3 計算分析

模擬自洞口x=0 m開挖至x=20 m(L=0 m)斷面,獲取監測斷面A,B,C測點的位移,自監測斷面始,每開挖步長ΔL=2.0 m,計算獲取每開挖步完成后各監測點的位移。筆者選取x=20 m,L=0 m監測斷面的豎向位移云圖和水平位移云圖進行討論(圖6)。由圖6(a)可知:隧道開挖過程中,拱頂發生較大的豎向沉降,最大沉降位移δmax=27.31 mm,實際監測點在拱頂左側一定距離處,比該值要小。由圖6(b)可知:隧道左側壁發生了正的水平位移,最大水平位移δmax=0.69 mm;隧道右側壁發生了負向水平位移,最大水平位移δmax=3.39 mm。

圖6 x=20 m斷面位移云圖Fig.6 Displacement cloud of x=20 m section

計算過程中同時也選取了x=260 m斷面的豎向、水平位移云圖進行研究,斷面位移云圖如圖7所示。由圖7(a)可知:隧道開挖至出口處,最大豎向位移δmax=-16.7 mm,一直延伸至地表,引起地表較大的沉降變形。由圖7(b)可知:x=260 m斷面的水平位移較小,對隧道的穩定性影響較小。

圖7 x=260 m斷面位移云圖Fig.7 Displacement cloud of x=260 m section

選取開挖過程中L分別為20,30,40,50,…,200 m時的各監測點計算位移(表3),開挖過程中A點沉降位移原位監測值見表3。B點和C點相對水平位移ΔBC原位監測值和計算值見表5。模擬臺階法開挖過程,在第1,2,3部巖體開挖完成后,進行第4部臺階開挖,第4部臺階首先開挖ΔL=20 m,然后每開挖步長2.0 m,每循環開挖5步,獲取監測點A的沉降位移計算值,將L分別為0,20,30,40,50,…,200 m時對應的位移計算值繪于圖8中,同時根據表3中點A的原位監測值得到監測位移隨開挖掌子面推進過程的變形曲線(圖8)。

圖8 A點位移監測和計算對比曲線Fig.8 Point A displacement monitoring and calculation comparison curve

由圖8可知:A點沉降位移監測曲線和計算曲線基本吻合,證明了數值計算的正確性,監測值和計算值均表明:在L為40～70 m開挖段,A點豎向位移增長較快,表明該段隧道頂拱圍巖較為破碎或節理裂隙發育,開挖過程中圍巖應力重分布調整幅度較大,引起A點發生較大的沉降。當L≥70 m時,A點沉降位移隨開挖變化不大,拱頂位移沉降變形趨于穩定。

對第4部臺階開挖過程進行模擬,第4部臺階首先開挖20 m,然后每開挖步長ΔL=2.0 m,每循環開挖5步,獲取監測點B,C的水平位移,由于B,C測點在同一水平線上,兩點之間的相對水平位移反映了隧道的收斂程度,將結果記錄在表5中,根據表5中B,C兩點的相對位移和對應的L繪出BC線收斂計算曲線。同時,根據表5中監測值繪出BC線收斂監測曲線,結果如圖9所示。由圖9可知:測線BC監測曲線和計算曲線基本吻合,證明了數值計算的正確性。監測值和計算值均表明:在L為0～30 m段開挖,BC收斂變形增長幅度較大,最大收斂變形δBC=4.7 mm,表明該段隧道邊墻向內變形較大;當L為30～40 m時,收斂變形基本不再變化;當L為40～70 m時,BC收斂變形曲線下降較快,下降至1.5 mm,此后收斂變形監測曲線在1.5 mm上下略微波動,而計算曲線呈水平線,表明在L≥70 m后續段開挖過程中圍巖側墻已經基本趨于穩定。

圖9 測線BC水平收斂監測和計算對比曲線Fig.9 Comparison curves for monitoring andcalculating the horizontal convergence of the survey line BC

4 結 論

山嶺隧道開挖方法中的CD法開挖是減小隧道拱頂及兩側邊墻位移,保證隧道安全穩定的有效方法,其最后部分臺階開挖,全斷面形成后安全風險控制是隧道開挖支護的關鍵。筆者結合濟濰高速公路鵲山隧道工程左線隧道臺階法開挖過程,采用現場原位監測和數值計算分析研究,得到以下結論:1) 臺階法開挖過程中,每部開挖過程中掘進步長控制可有效減小拱頂和邊墻的變形,開挖掘進步長宜根據斷面尺寸及圍巖巖性、分級和破碎程度確定,同時確定支護方式和時機;2) 監測斷面特征點A豎向位移及BC線收斂變形隨掌子面推進呈先快速增加,后緩慢減小,最后趨于穩定的趨勢,掌子面距監測斷面越近,開挖對監測點的位移影響越大,反之則越小,提高最后一部臺階的開挖效率,縮短支護時間,盡快封閉仰拱是保證臺階法開挖過程安全的有效措施。