分离式双隧道围岩支护与沉降规律研究.pdf

2023 年 27 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application分离式双隧道围岩支护与沉降规律研究李朝阳1，李鹏2，欧阳旺2，刘钱丰1，刘正兴2，杨俭兴1，王圣龙2，崔梦园3，刘涛影3（1.广西六宾高速公路建设发展有限公司，南宁 530023；2.湖南联智科技股份有限公司，长沙 410200；3.中南大学 资源与安全工程学院，长沙 410083）随着“十三五”规划纲要的提出，广西继续施行交通发展是第一要务的战略，不断地加快广西的交通基础设施建设。自从 1997 年广西的第一条高速公路建成通车，广西高速公路开始飞速发展。高速公路总里程达到 6 803 km，建成高速公路 28 条，构建了极其庞大和复杂的高速公路网，基本实现了高速公路县县通，大大提高了运输能力和效率1。高速公路建成过程中，往往会遇到隧道开挖问题，现如今施工方法越来越精进，施工步骤越来越多，从传统的矿山法、钻爆法到如今的中隔壁法（CD 法）、交叉中隔壁法（CRD 法）、双侧壁导坑法等。隧道施工稳定性研究，是工程中必不可少的一部分，可提供一些施工建议和安全保证。何信2利用有限元软件 FLAC3D 模拟分离式隧道开挖和支护，得出分离式隧道开挖间距应在 2 倍洞径左右。邢立志3对分离式隧道围岩支护稳定性进行研究，提出一种新式的隧道围岩支护方法。伍达富等4对有限元的无支圆形隧道拱顶下沉进行分析，得出隧道拱顶下沉值变化关系。汪振众5采用 MIDAS/GTS NX 有限元方法对不同侧覆土厚度下偏压隧道围岩拱顶沉降的时空规律进行研究，发现侧覆土厚度较大时，偏压隧道最大沉降位移逐渐向拱顶转移。本文以广西高良隧道为依据，研究中度埋深分离式隧道分步开挖的施工过程中的隧道拱顶位移变化、隧道周围变形、初支应力、内撑受力、二衬受力、锚杆受力和分离式隧道中间岩石受力及地表沉降规律。利用理论与实际参数相结合，模拟结果与实际的监测数据进行对比，研究分离式隧道 CRD 法同时开挖的隧道影响规律，为同类型工程提供一定理论依据。1工程概况高良隧道进洞口位于南宁市宾阳县陈平镇高良村东北侧，出洞口位于陈平镇谭冲村西南侧，为分离式双洞隧道；左幅起讫里程为 ZK32+647.00耀ZK34+955.00，长 2 308 m，最大埋深约 374 m，右幅起讫里程为 K32+636.00耀K34+917.00，长 2 281 m，最大埋深约 378 m。本文根据施工设计，取右线 K34+620K34+680 及其对应基金项目：国家自然科学基金资助项目（52004327）第一作者简介：李朝阳（1993-），男，助理工程师。研究方向为高速公路工程管理。摘要：针对分离式双隧道暗挖施工过程存在的问题，依托于广西高良隧道工程对分离式双隧道开挖过程中双隧道拱顶沉降、底部变形、洞周收敛、初支结构应力和二衬结构应力等指标进行分析。总结分离式隧道开挖过程中对隧道支护的影响，得到洞周变形和拱顶沉降等，从而对隧道周围岩石拉压应力分布及二衬结构拉压应力分布进行分析。关键词：分离式隧道；围岩支护；沉降规律；数值模拟；动态变化；受力影响中图分类号院U455.7文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤27-0066-04Abstract:Aiming at the problems existing in the hidden excavation process of separated double tunnels,based on theGaoliang tunnel project in Guangxi,this paper analyzes the indexes of double tunnel vault settlement,bottom deformation,tunnelperimeter convergence,first branch structure stress and second lining structure stress in the process of separated double tunnelexcavation,and summarizes the influence on tunnel support in the process of separated tunnel excavation.The deformation aroundthe tunnel and the settlement of the vault are obtained,and the tension-compression stress distribution of the rock around thetunnel and the tension-compression stress distribution of the second lining structure are analyzed.Keywords:separated tunnel;surrounding rock support;settlement law;numerical simulation;dynamic change;stress influenceDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.27.01666-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期左线部分，长 60 m，隧道断面宽为 12.02 m，高为 8.53 m，两隧道间距离为 20 m，模拟部分埋深为 95.31 m。暗挖隧道区段土层由上到下依次为全风化碎岩、强分化岩和中风化岩。暗挖隧道围岩级别为吁级，采取 CRD 法施工6，使用超前小导管7进行超前支护，初支为喷砼、钢筋网、锚杆支护，设防水层，再进行二次衬砌和铺底。2隧道数值模拟模型构建为了分析分离式隧道施工过程中隧道、支护、围岩等受力情况，构建了如图 1 所示的长度为 60m 的分离式隧道模型。考虑到数值模拟的精准度，隧道左右围岩大于5 倍洞径宽度，隧道下部围岩大于 5 倍洞径高度，最后构建出的模型尺寸为 180 m伊60 m伊175 m。模型中围岩部分、二衬部分为实体单元，采用摩尔-库伦本构模型，具体材料物理力学参数见表 1；初支及内撑采用板单元模拟，锚杆采用一维植入式桁架模拟，均采用弹性本构模型进行模拟，网格构建使用混合四面体网格，模型边界设置自动约束，同时设置自重。隧道模型分为左线和右线 2 部分，每一部分都采用 CRD 法开挖，开挖步骤分为 30 步，每次开挖循环设置为 2m，模型施工过程与实际施工同步骤，减少误差。最终构建模型包含有 10 万个网格单元，如图 1 所示。图 1分离式隧道模型表 1材料物理力学参数3隧道施工模拟结果分析3.1监测点布置为了增加数值模拟的准确度，隧道开挖过程与实际开挖对应，隧道开挖、初支、内撑、二衬及锚杆等都采用对应模拟材料进行模拟。首先开挖左侧隧道，利用CRD 法进行施工模拟，开挖顺序如图 2 所示，首先开挖隧道淤部分，随后进行初支和内撑的支护，随后再依次进行隧道于、隧道盂、隧道榆部分的开挖和支护；隧道淤部分开挖时，相邻开挖台阶错距 6 m。CRD 法开挖的施工准则为管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭和勤量测，自上而下，分块成环，随挖随撑，及时做好初期支护，开挖的每一步都各自封闭成环，兼有台阶法和双侧壁导坑法的优点，有利于围岩稳定，保证施工安全8。为测量隧道施工过程中隧道围岩沉降情况，现每个隧道界面上设置 4 个监测点，每 20 m 设置一组监测点，总共 4 组监测点。同样，左侧隧道开挖结束后进行右侧隧道的开挖，顺序及步骤同左侧是对称的，同样设置 4 组监测点，每组设置 4 个监测点，监测隧道开挖过程中隧道拱顶沉降、洞周收敛、隧道变形等，监测点位置如图 3 所示。渊a冤左线隧道渊b冤右线隧道图 2分离式隧道开挖顺序图渊a冤左线隧道渊b冤右线隧道图 3分离式隧道监测点布置图3.2拱顶沉降分别在左侧隧道和右侧隧道拱顶安装沉降检测装置，经过模拟结果分析做出沉降变化曲线，如图 4 所示。B1为左侧隧道洞口顶部监测点，对 0、20、40 和 60 m 处的沉降变化进行数据分析，发现 0 处沉降大致为反曲线形状，Step15 中隧道淤部分开挖后导致隧道顶部受力不均衡，下方支撑力急速下降至 0，导致隧道顶部迅速下沉，随后隧道初支及内撑的布置完成，使得隧道顶部受力均衡，Step610 下降速度缓和，在 Step30 以后，材料性质容重/（kNm-3）弹性模量E/MPa泊松比黏聚力c/KPa内摩擦角/全风化碎岩19.770.312.616.2强风化岩235000.32033中风化岩252 0000.2520035初支2415 0000.2-二衬2231 5000.3-锚杆78.5210 0000.3-淤于盂榆虞愚舆余C1S2S4S3C2S1B1B267-2023 年 27 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application隧道下降趋势基本稳定在 5.2 mm 处。在距离洞口 20 m处拱顶监测数据显示，在开挖进行到 Step7 时，对此处顶部基本无影响，当越来越接近 Step10 时，距离洞口20 m 处的拱顶下沉趋势越来越明显；当经过 Step1014时，隧道顶部下沉曲线同上述情况相同，由于下方的支撑岩石被开挖，导致受力不均衡，拱顶迅速下沉，在初支和内撑布置完成以后，下沉趋势减小，受力趋于平衡。而距洞口 40、60 m 处沉降曲线与距洞口 0、20 m 处基本一致，数据显示 60 m 处隧道沉降达到最大 7.01 mm，而 0、20、40 m 处的最大下沉分别为 5.3、5.8、5.9 mm。隧道右侧拱顶沉降曲线与左侧开挖曲线基本一致，洞口处最大下沉发生在 Step15 处，下沉值约为 5 mm，随后下沉值越来越低，趋于平衡。右侧隧道最大下沉值分别为 6.7、6.8、6.9 和 7.8 mm。渊a冤B1处沉降监测渊b冤B2处沉降监测图 4B1尧B2处拱顶沉降变化曲线3.3隧道底部变形两侧隧道开挖过程中均呈现为底部隆起9，变形如图 5 所示。测点 0 处在 Step15 过程中呈直线上升趋势，曲线斜率先增大再减小，同拱顶沉降曲线不同，主要原因为对测点 C1处影响最大的隧道于、榆部分为后开挖岩石，所以测点 C1的受力在隧道于、榆部分开挖完成后达到最大，所以会出现增长斜率先增大后减小。此效应在测点 20 m 处最为明显，测点 20 m 处在Step510 发生微小的上升位移，原因是 1020 m 隧道开挖时对此测点造成应力干扰，在开挖越是接近 20 m处，对测点 20 m 的影响就越来越大。测点 40、60 m 处的隧道底部变形会先发生下沉再上移，主要原因是隧道开挖后，测点处前侧岩石开挖减少过程中，测点处地应力重分布后，开挖侧围岩减少，对测点处的应力降低，导致测点处发生变形，变形方向为开挖侧。随后测点处经历围岩开挖、初支、锚固和二衬，受力趋于平衡，位移基本稳定。左侧隧道在测点 0、20、40 和 60 m处的最大位移量为 5.9、6.8、6.9 和 7.5 mm；右侧隧道在测点 0、20、40 和 60 m 处的最大位移量为 7.0、6.9、7.1 和 7.5 mm。两隧道底部变形基本一致，最大变形均为 7.5 mm。渊a冤C1变形监测渊b冤C2变形监测图 5隧道底部变形曲线3.4隧道围岩变形情况图 6 为分离式隧道 4 个监测点在不同的 4 个侧位处变形曲线，设置向隧道洞外位移为正。分析图形可知，左右 2 条隧道变形曲线相似，不同测点处变形也基本一致，都是先增大后减小再趋于稳定，主要原因为隧道淤部分开挖后，左侧壁下部荷载消失，使得地应力集中在左侧壁处，导致左侧壁向洞内凸起，并向周围施压，导致 S1测点处先是受到左侧壁应力影响发生正向位移；随后随着隧道于、盂、榆部分开挖完成，测点 S1处左侧壁应力与右侧壁应力影响平衡，而测点上部围岩失去下部支撑导致其发生向洞内的位移。4 个测点在开挖完成后的最大变形量为 3.5 mm，最小变形量为2.2 mm；而 4 个测点最大正向位移量为 0.9 mm，最小正向位移量为 0.2 mm。渊a冤S1收敛监测渊b冤S2收敛监测渊c冤S3收敛监测渊d冤S4收敛监测图 6双隧道周边变形曲线68-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期3.5支护受力分析图 7 为初支主应力云图，展示隧道开挖后最大主应力和最小主应力在初支结构上的分布。模拟结果显示 2 条隧道最大主应力分布均匀，最大拉应力为2.25 MPa，分布在初支上部和下部，如图 7（a）所示；最大压应力为 25.6 MPa，分布在初支结构两侧位置处，如图 7（b）所示。二衬支护应力云图如图 8 所示，得出了各个二维平面内二衬支护的应力云图。二衬厚度为 35 cm，内有锚杆支护。数值模拟结果表示最大拉应力分布在二衬的两侧位置，最大压应力分布在二衬顶部及底部位置。渊a冤最大主应力渊b冤最小主应力图 7初支主应力云图图 8二衬支护应力云图4结论本文根据数值模拟实验分析分离式隧道施工过程，得出拱顶沉降云图、底部变形云图、洞周收敛云图、初支应力分析、二衬应力分析和隧道周围围岩受力分析等，对隧道施工过程做出以下总结。1）隧道在开挖过程中，顶部最大沉降速率出现在隧道淤、盂部分开挖后，当初支完成后，沉降速率大大下降，即使周围岩石继续开挖的过程中会对顶部造成干扰，但一旦完成初支、锚固、二衬，最大沉降值就会趋于稳定。2）左侧隧道开挖结束后顶部最大沉降值为 6.9 mm，底部最大隆起值为 7.2 mm，但由于右侧隧道的开挖，地应力重分布，导致左侧隧道最终下沉值为 7.01 mm，最大隆起值为 7.5 mm。3）右侧隧道开挖时会对左侧已开挖的隧道造成影响，所以在右侧隧道开挖过程中，需要加强对左侧隧道的监测，尤其是拱顶、拱底及拱角处。参考文献院1 吴丽萍，康安，覃升.八方通衢势如虹N.广西日报，2021-07-01（T21）.2 何信.高速公路分离式隧道地表沉降和结构受力分析J.山东交通科技，2018（4）：54-57.3 邢立志.分离式隧道围岩支护稳定性控制研究J.工程机械与维修，2021（5）：192-195.4 伍达富，刘远明.基于有限元的无支护圆形隧道拱顶下沉分析J.公路，2020，65（11）：372-378.5 汪振众.基于 mIDAS/GTS NX 的偏压隧道施工阶段围岩稳定性数值模拟研究J.资源信息与工程，2021，36（1）：77-81.6 兰升元，刘纪峰，黄凌君，李勇.吁类围岩的隧道开挖和衬砌适宜性研究J.公路，2022，67（1）：375-382.7 王阅章.软岩隧道超前小导管支护与工程应用研究J.公路，2022，67（1）：363-369.8 祝潇洁.CRD 法施工技术在大断面深竖井支护中的应用J.建筑技术，2020，51（7）：862-863.9 向海辉，冯红耀，赵文强，等.软弱围岩隧道不同施工方法数值分析研究J.公路，2020，65（5）：334-340.69-