高地應(yīng)力條件下隧道施工方法研究

王志杰，許瑞寧，袁 曄，段明明，張文龍

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610031)

高地應(yīng)力條件下隧道施工方法研究

王志杰，許瑞寧，袁 曄，段明明，張文龍

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610031)

為探討高地應(yīng)力條件下不同開挖工法引起的洞周變形及支護(hù)力學(xué)特性，以大梁隧道為依托，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場量測相結(jié)合的方法，研究了隧道在三臺階法、三臺階七步開挖法和三臺階臨時仰拱法3種不同工法下洞周變形及襯砌結(jié)構(gòu)受力情況。研究結(jié)果表明:在高地應(yīng)力條件下，可以根據(jù)掌子面巖性，靈活轉(zhuǎn)換三臺階法、三臺階七步開挖法和三臺階臨時仰拱法3種工法，這樣既能控制圍巖變形，保證隧道安全，又能加快施工進(jìn)度，降低造價。

隧道 高地應(yīng)力 施工方法 數(shù)值模擬

隨著我國西部大開發(fā)政策的進(jìn)一步落實以及公路、鐵路等交通路網(wǎng)的完善，隧道工程延伸至高地應(yīng)力且地質(zhì)環(huán)境惡劣的地區(qū)已不可避免［1-7］。由于地下結(jié)構(gòu)自身的特殊性，使得目前沒有任何一種理論可以完全應(yīng)對高地應(yīng)力復(fù)雜多變的情況。為了探明高地應(yīng)力條件下不同開挖工法引起的洞周變形以及支護(hù)的力學(xué)特性，本文以大梁隧道施工為依托，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場量測相結(jié)合的方法，就高地應(yīng)力條件下的開挖方法展開研究。

1 工程概況

大梁隧道位于青海省門源回族自治縣，地處祁連山，平均海拔3 600～4 200 m，最高海拔為4 430 m。隧道某深埋段，平均埋深為465 m，現(xiàn)場開挖揭示地層巖性為炭質(zhì)板巖，局部夾砂巖，呈灰黑色及青灰色。受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，節(jié)理很發(fā)育，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面結(jié)合力差，巖層可見撓曲現(xiàn)象，巖質(zhì)較軟，巖體整體穩(wěn)定性差，為Ⅴ級圍巖。試驗段范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力值為12.96 MPa，炭質(zhì)板巖飽和強(qiáng)度為21.08 MPa，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比 Rc/σmax=1.63，屬于極高地應(yīng)力狀態(tài)。本文分別對三臺階法、三臺階七步開挖法以及三臺階臨時仰拱法進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)，通過對比分析，選擇更為安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的施工方法。

2 模型建立和計算參數(shù)

采用有限差分軟件FLAC3D建立三維地層結(jié)構(gòu)計算模型［8-10］，為了便于對比分析，在模擬隧道開挖工法時，3種方法的計算模型均采用相同的圍巖參數(shù)及邊界條件，僅施工工藝與施工步驟不同。

2.1 模型尺寸及邊界條件

根據(jù)彈性力學(xué)中接觸應(yīng)力理論和應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道開挖對大于隧道直徑3倍距離外的巖體影響不大。隧道埋深450 m，由于埋深較大，為節(jié)約計算資源和時間，在模型頂面施加等效荷載來模擬上覆圍巖壓力。數(shù)值模型左右兩側(cè)邊界取至隧道邊墻8R(R為開挖半徑)，下邊界至隧道底部6R，上邊界至隧道頂部6R，隧道縱向長取14R。計算模型左右兩端邊界沿X方向固定約束，底部固定 Z方向約束，頂部邊界為自由面。同時，根據(jù)實測資料，在模型左右兩端邊界施加12.96 MPa水平均布荷載和上端邊界施加8.1 MPa豎向荷載，來模擬高地應(yīng)力條件。

2.2 計算參數(shù)

計算采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，用六面體單元模擬圍巖。超前支護(hù)的地層加固效果，根據(jù)文獻(xiàn)［11］和相關(guān)經(jīng)驗，通過提高相應(yīng)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)來模擬;鋼拱架的作用效果采用彈模等效折算的方法考慮到初期支護(hù)當(dāng)中。計算時將鋼筋網(wǎng)作為一種安全儲備，沒有考慮鋼筋網(wǎng)的作用效果。本次計算的地層和結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。

3 隧道開挖數(shù)值模擬及分析［12-16］

基于由自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場的共同作用產(chǎn)生

的初始應(yīng)力場，模擬了三臺階法、三臺階七步開挖法及三臺階臨時仰拱法3種開挖方法，并對3種工法條件下的隧道洞周位移及襯砌結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行了分析。

表1 圍巖及支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)

3.1 模擬開挖工序

對于本次所模擬的3種工法，隧道施工初期支護(hù)總是滯后開挖一段時間，每次開挖步為1.6 m，計算中考慮了混凝土齡期對初期支護(hù)和二次襯砌強(qiáng)度的影響。3種開挖工序的模擬如圖1所示。

1)三臺階法施工工序中，上臺階長4.8 m，中臺階長19.2 m。

圖1 開挖工序示意

2)三臺階七步開挖法施工工序中，中臺階左右導(dǎo)坑開挖掌子面保持3.2 m進(jìn)度錯距，且左導(dǎo)坑超前;下臺階左右導(dǎo)坑開挖掌子面也保持3.2 m進(jìn)度錯距，且左導(dǎo)坑超前;上臺階核心土與中臺階左幅同時開挖;中臺階核心土與下臺階左幅同時開挖;下臺階核心土與下臺階左導(dǎo)坑開挖掌子面保持3.2 m進(jìn)度錯距，且下臺階左導(dǎo)坑超前;初期支護(hù)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度80%后進(jìn)行下一步開挖。

3)三臺階臨時仰拱法施工中，上臺階長12.8 m，中臺階長12.8 m，臨時仰拱與初期支護(hù)同時施作。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1)隧道圍巖位移場結(jié)果分析

3種工法的位移場計算結(jié)果如表2所示。

表2 各工況下位移場計算結(jié)果 m

由表2可以看出，最大沉降變形發(fā)生在拱頂處。采用三臺階臨時仰拱法，拱頂沉降值僅為三臺階法的36.2%，洞身水平收斂值僅為三臺階法的29.6%。采用三臺階七步開挖法，拱頂沉降值為三臺階法的70.7%，為三臺階臨時仰拱法的1.95倍，其洞身水平收斂值為三臺階法的35.9%，為三臺階臨時仰拱法的1.21倍。通過對數(shù)值模擬結(jié)果的數(shù)理統(tǒng)計，繪制了洞周位移場變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 Y=9.6 m處斷面拱頂沉降曲線

圖3 Y=9.6 m處斷面水平位移曲線

2)隧道二次襯砌應(yīng)力結(jié)果分析

由于本工程位于高地應(yīng)力特殊環(huán)境下，隧道施工

過程中變形較大，因此二次襯砌在此不完全作為安全儲備，與初期支護(hù)和圍巖共同形成承載環(huán)來承載圍巖壓力。

由圖4和表3可以看出:實測結(jié)果與數(shù)值模擬基本吻合，佐證了本文數(shù)值模擬計算的可靠性。針對三臺階七步開挖法，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，在拱頂處相對誤差為 23.8%，在右拱腰處相對誤差為3.55%，在右拱腳處相對誤差為10.19%，在左墻腰處相對誤差為47.10%。

圖4 實測二次襯砌混凝土應(yīng)力(三臺階七步開挖法)

表3 二次襯砌混凝土應(yīng)力數(shù)值模擬與實測結(jié)果比較MPa

4 結(jié)論

通過對大梁隧道高地應(yīng)力環(huán)境下幾種工法的數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)分析，得出如下一些結(jié)論:

1)在高地應(yīng)力條件下，由于三臺階臨時仰拱法中支護(hù)結(jié)構(gòu)能及時封閉成環(huán)，在控制隧道開挖后引起的洞周位移方面有很大的優(yōu)勢。

2)采用三臺階法邊墻水平收斂位移明顯大于其它兩種工法，且趨于穩(wěn)定較慢，在高地應(yīng)力且圍巖較差的條件下無法有效地控制洞身水平位移。采用三臺階七步開挖法，留設(shè)核心土能顯著地減小圍巖的水平位移。采用三臺階臨時仰拱法，臨時仰拱在大斷面隧道中控制水平收斂可以產(chǎn)生較好的效果。因此，在高地應(yīng)力且?guī)r性較差情況下，控制洞身水平位移，三臺階臨時仰拱法與三臺階七步開挖法明顯比三臺階法優(yōu)越。

3)采用三臺階七步開挖法，由于預(yù)留了核心土，在控制隧道水平位移方面效果顯著，可以根據(jù)現(xiàn)場實時地質(zhì)條件，靈活、及時地轉(zhuǎn)換工法。

4)在高地應(yīng)力條件下施工的隧道，可以根據(jù)掌子面巖性，實時靈活地變換三臺階法、三臺階七步開挖法和三臺階臨時仰拱法。巖性較好時可采用三臺階法，加快進(jìn)度;巖性較差時可采用三臺階七步開挖法;巖性很差時可采用三臺階臨時仰拱法。從而既能控制圍巖變形保證隧道安全，又能加快施工進(jìn)度降低造價。

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(責(zé)任審編 趙其文)

U455.41+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.15

2014-07-25;

:2014-12-19

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964— )，男，山西萬榮人，教授，碩士。

1003-1995(2015)09-0050-03