煙臺(tái)某淺埋大跨小凈距隧道施工方法優(yōu)化分析

李光凱，劉志龍 （煙臺(tái)市公路管理局，山東 煙臺(tái) 264001）

1 概 述

小凈距隧道是介于普通分離式隧道和連拱隧道之間的一種新型隧道結(jié)構(gòu)型式。因其不受地形地質(zhì)條件限制，施工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)易于控制，可有效提高運(yùn)輸效率和保護(hù)利用環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，目前在國(guó)內(nèi)外已有很多工程實(shí)例。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于小凈距隧道的研究尚處于邊施工邊探討的總結(jié)階段，沒有明確的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，理論研究滯后于工程建設(shè)需求的發(fā)展。煙臺(tái)五卒山隧道出口段不僅是典型的小凈距隧道，且埋深淺，跨度大，具有很好的研究?jī)r(jià)值。本研究的結(jié)論和建議對(duì)指導(dǎo)小凈距隧道的設(shè)計(jì)和施工具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

不同的開挖方式對(duì)隧道的影響是不同的，開挖方式?jīng)Q定著隧道圍巖的荷載釋放和變形方式，關(guān)系隧道的施工安全和建設(shè)成敗。小凈距隧道的間距小，中夾巖柱厚度小，兩隧道的相互影響程度較大，不同開挖方式的應(yīng)力重分布和圍巖擾動(dòng)程度有較大區(qū)別。因而，有必要對(duì)不同開挖方式下圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及力學(xué)特征進(jìn)行研究，優(yōu)化隧道施工方案，確保隧道的施工安全和穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)[1-3]。

2 施工方法

采用數(shù)值模擬的方法，計(jì)算分析不同工法圍巖的變形和力學(xué)特性，從而比較選擇更為安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的施工方法。依據(jù)工程地質(zhì)條件和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取CRD工法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種工法進(jìn)行對(duì)比分析。

CRD工法又稱交叉中隔壁法，施工中先開挖隧道一側(cè)的一部或二部，施作部分臨時(shí)中隔壁墻及臨時(shí)仰拱，再開挖隧道另一側(cè)的一部或二部，然后再開挖最先施工一側(cè)的最后部分，并延長(zhǎng)中隔壁墻壁，最后開挖剩余部分的施工方法。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是新奧法的一個(gè)分支，又稱眼睛工法。施工中先開挖一側(cè)導(dǎo)坑，施作初期支護(hù)，再開挖另一側(cè)導(dǎo)坑并作支護(hù)，然后開挖上部核心土，作頂拱支護(hù)，最后開挖下臺(tái)階部分，作仰拱支護(hù)[4-5]。

圖1 CRD工法的有限差分網(wǎng)格

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的有限差分網(wǎng)格

3 數(shù)值建模

3.1 斷面選取

計(jì)算假定隧道為無限長(zhǎng)，按照平面應(yīng)變問題開挖求解，選取出口段樁號(hào)為ZK8+320的斷面為研究對(duì)象。該斷面圍巖為V類圍巖，埋深約為7m，地層結(jié)構(gòu)主要為第四系粘性土及變粒巖、片巖等變質(zhì)巖，巖性較差，巖體較破碎，斷面附近存在構(gòu)造破碎帶，水蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重。

3.2 隧道模型

隧道斷面形狀為三心圓加仰拱型式，按最不利工況，取隧道毛洞單洞跨度為17.52m，高為11.5m。由有限元計(jì)算程序ANSYS11.0建立有限元模型，并導(dǎo)入FLAC3D程序，得到有限差分網(wǎng)格模型。圍巖采用四邊形網(wǎng)格實(shí)體單元模擬，支護(hù)采用FLAC3D的結(jié)構(gòu)單元模擬[6-8]。

CRD工法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的有限差分網(wǎng)格分別如圖1、圖2所示。其中CRD工法有限差分模型劃分成9528個(gè)節(jié)點(diǎn)，6138個(gè)單元；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法有限差分模型劃分成11994個(gè)節(jié)點(diǎn)，7734個(gè)單元。

原巖物理力學(xué)參數(shù)表 表1

CRD工法開挖步4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值表 表2

3.3 邊界條件

為減小邊界效應(yīng)的影響，取隧道中心線和隧道底板的交點(diǎn)為原點(diǎn)，模型的左、右及下邊界距離取3～5倍的隧道的開挖直徑，即左、右邊界為80m，下邊界為-60m，上邊界為地表，隧道軸線方向取1.0m。計(jì)算模型的左、右、前、后邊界和下邊界均為法向約束，上邊界為自由邊界。

3.4 計(jì)算參數(shù)

圍巖采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》和相關(guān)規(guī)范，巖樣的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

4 結(jié)果分析

為便于比較分析，在隧道周邊選取8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在計(jì)算后提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移進(jìn)行分析比較。CRD工法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法完全開挖后部分關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移如表2、表3所示。

分析以上計(jì)算結(jié)果得出：CRD工法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各開挖步洞周的水平和豎向位移值接近，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的位移值略大。

5 結(jié) 論

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖步4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值表 表3

綜合以上位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)的計(jì)算結(jié)果分析得出：針對(duì)本工程，CRD工法在位移和變形控制上優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但殼單元模擬下CRD工法的塑性區(qū)較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大。考慮施工工藝和工程造價(jià)因素，CRD工法的施工工藝和造價(jià)均優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。但不同工程、不同地質(zhì)情況下，兩種工法的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)特征均會(huì)不同，具體工程中應(yīng)參照本研究的數(shù)值模擬分析過程，進(jìn)行比選，確定最優(yōu)的施工工法。

[1]王偉峰，畢俊麗.軟巖淺埋隧道施工工法比選[J].巖土力學(xué)，2007(S1).

[2]龔建伍，夏才初，朱合華，等.鶴上大斷面小凈距隧道施工方案優(yōu)化分析[J].巖土力學(xué)，2009（1）.

[3]姚勇，何川，謝卓雄.雙線小凈距隧道中巖墻力學(xué)特征及加固措施研究[J].巖土力學(xué)，2007（9）.

[4]李云鵬，王銀芝，韓常領(lǐng).不同圍巖類別小間距隧道施工過程模擬研究[J].巖土力學(xué)，2006（1）.

[5]曹林，胡居義，黎冬林.小凈距公（雙洞）隧道圍巖破壞模式研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007（3）.

[6]孫訓(xùn)芳，等.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002.

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