復(fù)雜條件下淺埋隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方法優(yōu)化研究

廣東冠粵路橋有限公司 511100

摘要：本文結(jié)合某高速公路隧道為工程背景，利用有限元數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)泥巖條件下淺埋隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及其優(yōu)化方法進(jìn)行模擬計(jì)算，綜合對(duì)比了各種施工方法中結(jié)構(gòu)及圍巖的受力特性。然后以施工安全性為基礎(chǔ)，結(jié)合施工進(jìn)度、施工機(jī)具配置、施工難易程度等多方面因素，以提高經(jīng)濟(jì)性、加快施工速度為目的，針對(duì)泥巖條件下淺埋段的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行精細(xì)化研究，提出了優(yōu)化的施工方法。供參考！

關(guān)鍵詞：隧道工程；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；有限元分析；優(yōu)化；泥巖

1、工程概況

某高速公路隧道起訖樁號(hào)為K33+910一K35+190，單洞長(zhǎng)度為1 280m，地層主要由II～I(xiàn)II級(jí)自重濕陷性黃土狀土混合卵石和碎石等組成，厚20～30m；下部為泥巖，全、強(qiáng)風(fēng)化厚5～10m。圍巖級(jí)別均為V級(jí)強(qiáng)、中風(fēng)化泥巖。隧道淺埋段原設(shè)計(jì)的施工方法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。但是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法本身的劣勢(shì)是：施工工序多，速度較慢，施工干擾大，成本較高。因此，結(jié)合本項(xiàng)目工程實(shí)際，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從雙側(cè)壁導(dǎo)坑法細(xì)部設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化研究，擬在保證施工方法穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，盡可能提高施工速度和降低施工成本。

2、雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工方法優(yōu)化

2.1施工方法優(yōu)化思路

依據(jù)設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，針對(duì)隧道淺埋段原設(shè)計(jì)施工方法提出以下優(yōu)化思路。

1）適當(dāng)減小中間巖柱的體積，相對(duì)于初始設(shè)計(jì)方法適當(dāng)提高圍巖的自承能力，便于中間巖柱中下部臺(tái)階一次性開(kāi)挖。

2）相對(duì)于初始設(shè)計(jì)方法適當(dāng)增加左、右導(dǎo)坑的尺寸，便于提高導(dǎo)坑的機(jī)械化施工程度。

3）仰拱緊跟拆除臨時(shí)支護(hù)工序進(jìn)行，便于使用機(jī)械，提高施工速度。

由此提出幾種改進(jìn)方法進(jìn)行對(duì)比分析如下：①方法1原始設(shè)計(jì)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（見(jiàn)圖1a）；②方法2 中間巖柱頂部寬度變小的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（見(jiàn)圖1b）；③方法3 中間巖柱中部寬度變小的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（見(jiàn)圖l C）；④方法4針對(duì)方法3提前拆臨時(shí)支護(hù)，再做仰拱的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（見(jiàn)圖1C）。初始設(shè)計(jì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中，中間巖柱尺寸為：上部寬9.86m，中間部位寬4.65m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況及機(jī)械設(shè)備，擬定方法2的中間巖柱上部尺寸在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上減小3m；方法3和4的中間巖柱中間部位的尺寸在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上減小1.5m。

2.2各施工方法施工效應(yīng)對(duì)比

4種開(kāi)挖方法施工過(guò)程中的進(jìn)度及施工難度等方面的對(duì)比分析如表1所示。

表1 各施工方法施工對(duì)比分析

由圖1和表1可知，方法2～4相對(duì)于方法1都減少了1個(gè)施工步序（中間只分2個(gè)臺(tái)階），且增加了作業(yè)區(qū)域，便于相對(duì)大些的機(jī)械作業(yè)，提高了日進(jìn)尺量。而方法4相對(duì)于方法2和3提前拆除了臨時(shí)支護(hù)，這樣在施作仰拱時(shí)增加了施工作業(yè)空間，更便于機(jī)械施工，增加了日進(jìn)尺。

3、各施工方法數(shù)值仿真分析

3.1計(jì)算模型

淺埋段隧道埋深取20m，隧道斷面為三心圓斷面，斷面寬17m、高11.89m，圍巖為V級(jí)，模型范圍為：左、右兩側(cè)各取隧道開(kāi)挖跨度的3倍（51m），底部取隧道開(kāi)挖高度的3倍多（40m），隧道錨桿加固區(qū)深度取4m，初襯厚30em，二襯厚60cm，臨時(shí)支護(hù)厚20cm。模型上邊界取自由邊界，左、右兩側(cè)邊界加水平約束，底部邊界施加固定約束。計(jì)算模型如圖2所示。

3.2計(jì)算參數(shù)選取

通過(guò)ANSYS軟件對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行平面應(yīng)變分析，采用應(yīng)力釋放法和軟件中的“生死單元”功能模擬隧道施工過(guò)程。圍巖采用理想彈塑性模型，服從Drucker.Prager準(zhǔn)則，支護(hù)采用彈性模型。錨桿加固效應(yīng)通過(guò)提高加固區(qū)圍巖材料參數(shù)進(jìn)行模擬。仿真分析計(jì)算所采用的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)

3.3各施工方法計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1計(jì)算結(jié)果

1）臨時(shí)支護(hù)受力情況

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道臨時(shí)支護(hù)主要起支撐作用，受力主要表現(xiàn)為受壓。

由各工法中l(wèi)臨時(shí)支護(hù)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)的支護(hù)應(yīng)力可知：①臨時(shí)支護(hù)受力由大到小依次為方法1（11.1 MPa）>方法2（9.86MPa）>方法3，4（8.04MPa）；②方法l，3，4臨時(shí)支護(hù)的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在中間巖柱中下臺(tái)階開(kāi)挖之前，而方法2出現(xiàn)在中間巖柱全部開(kāi)挖之后；③方法l，3，4臨時(shí)支護(hù)的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在臨時(shí)支護(hù)的最頂端，而方法2的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在臨時(shí)支護(hù)的最底端。

2）初期支護(hù)受力情況

經(jīng)過(guò)對(duì)初期支護(hù)受力分析，初期支護(hù)主要受壓。由各工法初期支護(hù)受力情況可知：①4種方法中初期支護(hù)最終的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在仰拱腳部位；②方法1～4的最大壓應(yīng)力依次為7.93，8.16，8.10，8.09MPa，方法1最小，但4種方法差別不大，且均在初期支護(hù)材料的抗壓強(qiáng)度之內(nèi)；③方法3和4的初支最終應(yīng)力很接近，兩種方法的初支應(yīng)力均在拆除臨時(shí)支護(hù)計(jì)算步時(shí)有較大增加。

3）圍巖塑性區(qū)情況

圍巖塑性區(qū)體現(xiàn)了施工過(guò)程中圍巖受力的好壞及圍巖穩(wěn)定性，這里分別對(duì)兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖后（第9計(jì)算步）中間巖柱圍巖塑性區(qū)和二襯后（第16計(jì)算步）圍巖塑性區(qū)進(jìn)行了分析。

由各工法中間巖柱塑性區(qū)對(duì)比可知，隨著中間巖柱體積的減小，改進(jìn)方法中問(wèn)巖柱的塑性區(qū)面積均有所增大，但增大面積不大，且中間巖柱的塑性區(qū)均未貫通，中間巖柱能很好地發(fā)揮控制圍巖變形作用。

由各工法圍巖塑性區(qū)對(duì)比可知，方法1中圍巖最終的塑性區(qū)面積相對(duì)最小，但4種方法的塑性區(qū)面積都較接近。

4）圍巖變形情況

各工法施工過(guò)程中，拱頂沉降及周邊收斂曲線分別如圖3，4所示。

由圖3，4可知：①4種雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的圍巖變形量比較接近，拱頂累計(jì)沉降約2.65mm，最大周邊收斂值約為1.6mm，可見(jiàn)4種方法圍巖變形控制能力都較強(qiáng)，有較高的施工安全性；②相比較而言，方法2的圍巖變形控制能力要差一些，雖然拱頂沉降控制很好，但周邊收斂變形相對(duì)較大。

3.3.2計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)以上計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可知，4種雙側(cè)壁導(dǎo)坑法都有很好的圍巖變形控制能力，施工安全性較好。但4種方法也有各自的特點(diǎn)，綜合可得：①方法1的臨時(shí)支護(hù)對(duì)圍巖支撐作用最大，施工過(guò)程中，其臨時(shí)支護(hù)受力大，圍巖塑性區(qū)面積最??；②方法2～4都在一定程度上提高了圍巖的自承能力，這3種方法臨時(shí)支護(hù)受力相對(duì)較小，但圍巖變形相對(duì)于方法l要稍大一點(diǎn)；③方法2對(duì)周邊收斂變形的控制能力差，施工穩(wěn)定性最差；④由于圍巖自承能力的提高，方法4相比于方法3的圍巖穩(wěn)定性相差不大。

4、方法4施工效應(yīng)分析

基于以上分析，隧道淺埋段采用優(yōu)化的方法4進(jìn)行開(kāi)挖。結(jié)合隧道淺埋段實(shí)際施工方法（方法4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與計(jì)算模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。圖中數(shù)字9～14分別對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬中的計(jì)算步數(shù)。

由圖5可知，由于有核心土的作用，拱頂沉降主要發(fā)生在中間巖土開(kāi)挖之后，數(shù)值模擬最大拱頂沉降量為2.673 9mm，實(shí)際監(jiān)控量測(cè)最大拱頂沉降為4.56mm。

通過(guò)數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可知，優(yōu)化的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（方法4），即在常規(guī)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法基礎(chǔ)上，減小中間巖柱中部寬度，并在中間下部仰拱施作之前提前拆除臨時(shí)支護(hù)的方法，安全可靠。

5、結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工斷面小、施工速度慢的劣勢(shì)進(jìn)行精細(xì)化研究，提出了“減小中間巖柱中部寬度，并在中間下部仰拱施作之前提前拆除臨時(shí)支護(hù)”的優(yōu)化雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，該方法相對(duì)于未優(yōu)化的方法能適當(dāng)提高圍巖自承能力，在確保開(kāi)挖安全的前提下，增加導(dǎo)洞開(kāi)挖的斷面面積，提高了機(jī)械化開(kāi)挖程度。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工效果驗(yàn)證了優(yōu)化的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的可行性和施工穩(wěn)定性，該方法既具有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工安全、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，又一定程度上提高了施工速度，施工效果較好。

3）在實(shí)際工程中，采用優(yōu)化的施工方法施工時(shí)，可依據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)施工情況對(duì)施工優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提高施工安全水平和降低工程成本。本文為類似隧道施工方法的優(yōu)化提供了參考和思路，豐富和完善了特大斷面隧道施工技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李利平，李術(shù)才，趙勇，等.超大斷面隧道軟弱破碎圍巖空間變形機(jī)制與荷載釋放演化規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（10）：2109-21 18.

[2] 吳夢(mèng)軍，黃倫海，劉新榮.特大斷面隧道施工方法試驗(yàn)研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（5）：60-63.

[3] 王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社。2004.

[4] 孫鈞.地下工程設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

[5]李文，王國(guó)喜.重慶五路口車站淺埋特大斷面隧道開(kāi)挖方法比選和優(yōu)化[J].施工技術(shù)，2013，42（13）：76.78.

[6]許文鋒，張峰，陳建平.大跨度黃土隧道CRD法優(yōu)化研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2009（5）：572.576.\"

[7] 高峰，譚緒凱.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的大斷面隧道的穩(wěn)定性分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（3）：363.366，440.

[8] 李志剛，丁文其，楊重存，等.扁平特大斷面公路隧道核心土模擬與分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007（4）：627-632.

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

[10] 重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTG D70--2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.