千枚巖軟巖隧道施工工法優(yōu)化分析

陸傳波

(中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建福州 350014)

千枚巖軟巖隧道施工工法優(yōu)化分析

陸傳波

(中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建福州 350014)

以西部某千枚巖軟巖隧道為工程背景，采用三維有限元數(shù)值模擬研究施工工法對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，針對不同施工工法的圍巖應(yīng)力、洞周位移、初期支護(hù)受力狀況進(jìn)行對比，進(jìn)而提出了合理的施工工法。研究結(jié)果表明：CD法施工較上下臺階預(yù)留核心土和上下臺階法對圍巖的穩(wěn)定更為有利，但其初襯和臨時豎撐的連接質(zhì)量是施工能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注;上下臺階法和上下臺階預(yù)留核心土法差別不大。建議圍巖施工以上下臺階法為主，當(dāng)遇到特殊地質(zhì)情況需要加強(qiáng)襯砌，此時建議采用CD法或預(yù)留核心土法施工。

隧道工程 有限元數(shù)值模擬 軟巖隧道 施工工法 優(yōu)化分析

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，隧道工程的規(guī)模、數(shù)量及其復(fù)雜性均顯著增加。在我國西部山區(qū)，以千枚巖地層為代表的典型軟巖隧道大量修建，由于該類巖體具有強(qiáng)度低、變形大、遇水易軟化的工程特性，在隧道修建的過程中易出現(xiàn)大變形、塌方等災(zāi)害。因此在隧道設(shè)計(jì)施工時應(yīng)有意識地選擇利于圍巖穩(wěn)定的施工工法，以保障施工期間的安全。

自20世紀(jì)初首例嚴(yán)重的交通隧道軟弱圍巖大變形發(fā)生以來，國內(nèi)外隧道工程軟弱圍巖發(fā)生大變形災(zāi)害的事例屢見不鮮。不少學(xué)者及工程研究人員［1-5］針對施工工法進(jìn)行了研究，取得了一定的研究成果。但總體而言，截至目前國內(nèi)外對軟巖條件下的隧道施工工法仍然存在爭議，特別是針對穿越富水、軟巖等特殊復(fù)雜水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件下的隧道開挖過程中的施工工法。

本文采用三維有限元數(shù)值模擬手段對施工工法影響隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，針對不同施工工法的圍巖應(yīng)力、洞周位移、初期支護(hù)受力狀況進(jìn)行了對比分析，進(jìn)而提出了合理的施工工法，以供工程設(shè)計(jì)和施工參考。

1 有限元模型及數(shù)值模擬過程

1.1 工程概況

我國西部某隧道全長約1 835m，隧道最大埋深約276 m，屬越嶺型長隧道。隧道進(jìn)口樁號為K4+610，設(shè)計(jì)高程為2 947.99 m;出口樁號為K6+445，設(shè)計(jì)高程為2 919.61 m。隧道洞身貫穿大灣山，隧道線型呈直線型，走向259°。設(shè)計(jì)為單洞雙向行駛車道，建筑限界按40 km/h三級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，內(nèi)輪廓凈寬10.0 m，凈高7.5 m。

據(jù)現(xiàn)場詳細(xì)調(diào)查及工程地質(zhì)勘察成果，擬建隧道主要圍巖為三疊系上統(tǒng)西康群侏倭組、新都橋組千枚巖、炭質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖互層及斷層破碎帶，洞口地貌如圖1所示。地下水發(fā)育，地表多處地下水出露，尤其是斷層破碎帶，地下水富集程度可能更高，進(jìn)一步降低了圍巖穩(wěn)定性。

圖1 隧道洞門地貌

總體而言，隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖級別較差。初步的圍巖分級統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該隧道圍巖級別主要為Ⅳ，Ⅴ級。其中Ⅴ級圍巖段占隧道全長47.7%，主要是進(jìn)出口段以及洞身段的弱風(fēng)化千枚巖夾砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖;而Ⅳ級圍巖主要是出口側(cè)洞段的弱風(fēng)化炭質(zhì)板巖及斷層破碎帶，且?guī)r體由于受構(gòu)造作用影響，次級層間破碎帶極發(fā)育，屬弱Ⅳ級圍巖。

鑒于千枚巖巖體具有強(qiáng)度低且遇水就軟化分解的性能，而施工工藝，尤其是施工工法的確定，對于防治隧道產(chǎn)生大變形、塌方等災(zāi)害，保障施工期的安全起到至關(guān)重要的作用。因此，有必要采用有限元數(shù)值方法，對典型V級圍巖段的施工動態(tài)過程進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬分析，對設(shè)計(jì)中采用的施工方法以及需要進(jìn)一步論證的施工工法進(jìn)行必要的對比分析，從而提出合理的施工方法以及施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)等問題，以供工程設(shè)計(jì)人員和施工人員參考。

1.2 原設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)隧道暗挖段采用錨噴構(gòu)筑法及復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，緊急停車帶襯砌段采用CD法開挖，拱部設(shè)超前砂漿錨桿輔助施工。復(fù)合式襯砌段采用短臺階法施工，拱部設(shè)超前砂漿錨桿輔助施工。斷層破碎帶和地質(zhì)預(yù)報及施工監(jiān)測反饋出的圍巖破碎及地下水發(fā)育段，采用全斷面深孔預(yù)注漿加固止水。二次襯砌從仰拱開始順筑法施工，具體施工工法見圖2。

1.3 有限元模型及材料參數(shù)

圖2 原設(shè)計(jì)施工工法

依據(jù)以往的隧道力學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為消除“邊界效應(yīng)”［6-8］的影響，建模時寬度方向(即x方向)由隧道中線位置向兩側(cè)各延伸50 m，高度方向(即y方向)取拱頂以下50 m，拱頂以上取實(shí)際埋深。

在三維建模的過程中，考慮到隧道的特點(diǎn)，隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，采用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則［9］。在三維數(shù)值計(jì)算模型中，噴射混凝土采用SHELL 63單元模擬，錨桿采用LINK 8單元模擬，鋼架采用BEAM 3單元模擬，二襯及巖土體采用SOLID 45單元模擬。其中，在三維空間模擬隧道開挖時，根據(jù)有限元程序提供的“生”與“死”及材料參數(shù)變換功能進(jìn)行處理。通過分次殺死單元和分次激活單元和變換不同位置的材料參數(shù)來模擬隧道的超前加固、分步開挖以及初期支護(hù)、二襯的施作過程。

為了確保施工安全，保證施工進(jìn)度，進(jìn)一步驗(yàn)證原設(shè)計(jì)方案的合理性，在綜合考慮原設(shè)計(jì)采用施工工法的基礎(chǔ)上，以K4+845作為計(jì)算斷面，采用上下臺階法、上下臺階預(yù)留核心土法和三臺階法對圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析計(jì)算，如圖3所示。依據(jù)施工圖設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘查報告中地層參數(shù)確定材料的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

圖3 圍巖數(shù)值計(jì)算工法

表1 材料參數(shù)選取

1.4 數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)過程

在三維計(jì)算模型中設(shè)定縱向的中間面為研究面，即目標(biāo)面。根據(jù)開挖對隧道結(jié)構(gòu)影響大小的施工經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際開挖步長，將模型分為8段開挖，第1，8段長12 m，如圖4所示。

2 圍巖數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 圍巖應(yīng)力

圖4 開挖步驟的模擬(單位：m)

圍巖應(yīng)力的大小對圍巖的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，限于篇幅，此處僅列舉了不同施工工法的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，由此可知：

1)應(yīng)力分布形態(tài)相似。拉應(yīng)力集中區(qū)位于拱頂和仰拱底附近，壓應(yīng)力集中區(qū)位于邊墻至墻腳附近，剪應(yīng)力集中區(qū)位于拱腰以及拱底靠近墻腳附近。

2)三種工法的圍巖應(yīng)力量值不同。上下臺階法施工時圍巖最大拉應(yīng)力為0.60 MPa，最大壓應(yīng)力為9.88 MPa;上下臺階預(yù)留核心土法施工時，最大拉應(yīng)力為0.41 MPa，最大壓應(yīng)力為9.47 MPa;CD法施工時，最大拉應(yīng)力為0.20 MPa，最大壓應(yīng)力為8.33 MPa左右。

3)CD法圍巖最大拉應(yīng)力最小，上下臺階預(yù)留核心土法最大拉應(yīng)力其次，上下臺階法的最大拉應(yīng)力最大，三者的比值為1∶2∶3;CD法圍巖的最大壓應(yīng)力最小，上下臺階預(yù)留核心土法的最大壓應(yīng)力其次，上下臺階法最大應(yīng)力最大，三者的比值為1∶1.14∶1.19。

因此從應(yīng)力分布來看，采用CD法施工較上下臺階預(yù)留核心土法和上下臺階法對圍巖的穩(wěn)定更為有利。

2.2 洞周位移

1)上下臺階法施工對拱頂下沉產(chǎn)生主要影響的施工步為上臺階的施工(即2，3步)，下臺階施工對拱頂下沉影響不大，拱頂沉降最終值為12.6 mm。上下臺階預(yù)留核心土法施工時，對拱頂下沉產(chǎn)生主要影響的施工步也為上臺階的施工(即2，3步)，下臺階施工對拱頂下沉影響不大，拱頂沉降最終值為12.1 mm。

CD法施工時，對拱頂沉降產(chǎn)生主要影響的施工步為兩側(cè)導(dǎo)坑的上臺階施工(即1，3步)，而右側(cè)導(dǎo)坑上臺階施工(即3步)對拱頂下沉影響最大，位移從4 mm左右增加到11.88 mm，該施工步產(chǎn)生的沉降占到了總位移量的67%。

2)就水平位移而言，上下臺階法，上下臺階預(yù)留核心土法和CD法的水平收斂值分別為11.8 mm，8.8 mm，7.9 mm，三者的比值為 1∶0.75∶0.67。

究其原因在于，相對上下臺階法，上下臺階預(yù)留核心土法使工作面前方土體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，可有效降低工作面土體的松弛范圍，抑制隧道掌子面的縱向變形，從而顯著改善隧道工作面的穩(wěn)定性。同時留設(shè)核心土能顯著地減小地層的水平位移，也有抑制工作面前方地層的垂直位移的作用。而CD法由于采取了臨時支撐措施，對拱頂產(chǎn)生了一定的支撐作用，限制了拱頂圍巖的沉降。且CD法最大沉降發(fā)生在拱頂偏右位置處，而其他兩種工法的最大沉降均位于拱頂正中。另外由于CD法每次的開挖跨度較小，左右側(cè)導(dǎo)洞施工時，能及時施加邊墻初襯，對水平收斂也起到一定的控制作用。

因此從圍巖位移來看，采用CD法施工較上下臺階預(yù)留核心土法和上下臺階法對圍巖的穩(wěn)定更為有利。

2.3 初期支護(hù)受力

上下臺階法施工過程中，上臺階施工后初期支護(hù)最大軸力為3 480 kN，最大彎矩為20 kN·m;而下臺階施工后，初期支護(hù)最大軸力變化不大，而彎矩增加較大，最大彎矩為79 kN·m，見圖5。

圖5 上下臺階法初支最終內(nèi)力

上下臺階預(yù)留核心土法施工過程中，上臺階施工后初期支護(hù)最大軸力為3 420 kN，最大彎矩為16.4 kN·m;上臺階核心土開挖后，初期支護(hù)最大軸力為3 420 kN，最大彎矩為17.2 kN·m;下臺階施工后，初期支護(hù)最大軸力變化不大，為3 350 kN，而彎矩增加較大，最大彎矩為65.6 kN·m。

CD法施工過程中，初期支護(hù)內(nèi)力變化較大。整個施工過程中，初襯的最大軸力出現(xiàn)在施工完成后，為4 380 kN，而初襯的彎矩最大值出現(xiàn)在右側(cè)導(dǎo)坑下臺階施工后，為465 kN·m，施工完成后降為229 kN·m。臨時豎撐受力在右側(cè)導(dǎo)坑上臺階施工后最為不利，最大軸力達(dá)到了4 710 kN，并在與初襯的連接位置出現(xiàn)了692 kN的拉力，此時，臨時豎撐的彎矩為455 kN·m。從初襯最終受力的分布情況看，其在與臨時豎撐連接的位置受力最不利，彎矩值是其他位置的4倍左右。因此，對CD法而言，施工過程中連接位置出現(xiàn)了較大的拉力，初襯和臨時豎撐的連接質(zhì)量是施工能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

2.4 圍巖施工工法的選擇

由以上計(jì)算結(jié)果的比較分析可知，CD法施工較上下臺階法和上下臺階預(yù)留核心土法對圍巖穩(wěn)定性更為有利。采用分塊開挖加臨時豎撐的方式能更好地控制圍巖變形，減少圍巖應(yīng)力集中，抑制圍巖惡化。但從初期支護(hù)受力上看，CD法初襯受力較上下臺階法和上下臺階預(yù)留核心土法大很多，同時對施工質(zhì)量的要求也較高，工序繁瑣，施工進(jìn)度慢。雖然臺階法施工的洞周位移比CD法大，但也在可接受的范圍之內(nèi)，是可以保證施工安全的。另外，就上下臺階法和上下臺階預(yù)留核心土法而言，兩種工法對圍巖的應(yīng)力、圍巖的位移，以及初期支護(hù)的受力均差別不大。

因此，圍巖施工工法建議以上下臺階法為主，當(dāng)遇到特殊地質(zhì)情況需要加強(qiáng)襯砌，如埋深較淺段，或遇見設(shè)計(jì)斷面擴(kuò)大段，如緊急停車帶等，此時建議采用CD法或預(yù)留核心土法施工。

3 結(jié)論及建議

通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析不難得出以下結(jié)論：

1)從應(yīng)力分布、洞周位移以及初支受力來看，采用CD法施工較上下臺階預(yù)留核心土法和上下臺階法對圍巖的穩(wěn)定更為有利。

2)從初襯最終受力的分布情況看，其在與臨時豎撐連接的位置受力最不利，彎矩值是其他位置的4倍左右，因此對CD法而言，初襯和臨時豎撐的連接質(zhì)量是施工能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

3)就上下臺階法和上下臺階預(yù)留核心土法而言，兩種工法對圍巖的應(yīng)力、圍巖的位移，以及初期支護(hù)的受力均差別不大。

4)建議圍巖施工工法以上下臺階法為主，當(dāng)遇到特殊地質(zhì)情況需要加強(qiáng)襯砌，如埋深較淺段，或遇見設(shè)計(jì)斷面擴(kuò)大段，如緊急停車帶等，此時建議采用CD法或預(yù)留核心土法施工。

［1］徐勇，劉仲仁，王維高，等．鐵路雙線軟巖隧道控制大變形施工工法比選［J］．隧道建設(shè)，2010，30(2)：134-136．

［2］彭裕聞，張國柱，黃繼輝．淺埋大斷面隧道施工工法優(yōu)化探討［J］．西部交通科技，2011(2)：59-63．

［3］任利民，汲紅旗．穿越巖溶不良地段隧道施工工法探討［J］．公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2010(7)：245-247．

［4］陳煒韜，王明年，魏龍海，等．大斷面海底隧道在不同施工工法下的力學(xué)行為研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008(增1)：121-124．

［5］黃成林，羅學(xué)東，呂喬森．軟巖隧道開挖方法對變形影響數(shù)值模擬研究［J］．鐵道建筑，2011(11)：35-38．

［6］關(guān)寶樹．隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］．北京：人民交通出版社，2003．

［7］景詩庭，朱永全，宋玉香．隧道結(jié)構(gòu)可靠度［M］．北京：中國鐵道出版社，2002．

［8］李志業(yè)，曾艷華．地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法［M］．成都：西南交通大學(xué)出版社，2003．

［9］潘昌實(shí)．隧道力學(xué)數(shù)值方法［M］．北京：中國鐵道出版社，1995．

U455．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．06．16

1003-1995(2013)06-0053-04

2012-12-25;

2013-02-12

陸傳波(1973— )，男，貴州興義人，高級工程師。

(責(zé)任審編 趙其文)