基于數(shù)值模擬的淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工工法對(duì)比研究

熊　造

(湖南省大岳高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 岳陽　414000)

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基于數(shù)值模擬的淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工工法對(duì)比研究

熊造

(湖南省大岳高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 岳陽414000)

為了探求淺埋軟弱圍巖大斷面隧道的合適施工工法，以某淺埋軟弱圍巖大斷面隧道為依托，采用數(shù)值模擬方法，建立淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工的力學(xué)仿真模型，通過對(duì)隧道一新的施工工法(動(dòng)態(tài)分部施工工法)與常用的三臺(tái)階法、CRD法、CD法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等施工工法進(jìn)行對(duì)比研究，分析動(dòng)態(tài)分部工法的優(yōu)缺點(diǎn)，并論證該新工法在依托工程施工的可行性。

淺埋； 大斷面； 軟弱圍巖； 隧道； 數(shù)值模擬； 工法對(duì)比

1　概述

近年來，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道工程建設(shè)已經(jīng)向長(zhǎng)、大方向發(fā)展，而長(zhǎng)、大隧道建設(shè)本身具有一定難度，尤其當(dāng)遇到淺埋、大斷面、軟弱圍巖等特殊情況時(shí)，將會(huì)進(jìn)一步加劇隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)。目前，隧道常用的施工工法，主要有三臺(tái)階法、CRD(Cross Center Diaphragms)法、CD(Center Diaphragms)法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等[1，2]，以上開挖工法具有各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)淺埋軟弱圍巖大斷面隧道而言，如何根據(jù)其所處的地形地質(zhì)特點(diǎn)，選擇合適的施工工法非常重要，關(guān)系到隧道施工成敗與否，這也將是隧道技術(shù)人員不斷面臨的技術(shù)難題。

在隧道施工工法研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其已開展了一些研究，并取得了一些成果。崔小鵬等[3]分析了三臺(tái)階七步開挖工法、CRD工法的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，提出了隧道核心土加臨時(shí)仰拱臺(tái)階法。李波等[4]采用有限元數(shù)值模擬手段，對(duì)比分析了CD法和三臺(tái)階七步開挖法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了一系列優(yōu)化措施。楊友彬等[5]建立數(shù)值分析模型，考慮圍巖應(yīng)變軟化特點(diǎn)，對(duì)比研究了軟巖淺埋隧道常用施工工法的適用性，得出CRD法對(duì)圍巖受力變形的控制效果最佳的結(jié)論。周藝等[6]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的手段，研究了不同施工工法下軟巖隧道的圍巖變形、錨桿軸力、拱架及二襯內(nèi)力的變化規(guī)律。張英才等[7]結(jié)合大斷面黃土隧道，對(duì)傳統(tǒng)的開挖和支護(hù)方法進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了優(yōu)化工法的適應(yīng)范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。佘健等[8]采用數(shù)值模擬，分析了圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，并優(yōu)化了隧道施工方案。湯勁松等[9]采用數(shù)值模擬方法，針對(duì)破碎圍巖隧道施工過程，重點(diǎn)分析了各施工工法下隧道圍巖受力與變形特性。李沛瑩[10]結(jié)合淺埋軟弱圍巖公路隧道，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道施工過程進(jìn)行了仿真模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了預(yù)留核心土法的合理性。鄒成路等[11]通過對(duì)軟弱破碎圍巖大斷面隧道臺(tái)階法施工進(jìn)行研究分析，提出了具體幾何參數(shù)優(yōu)化措施。

縱觀以上研究成果發(fā)現(xiàn)，研究人員主要采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究等手段，深入探討了隧道常用施工工法。本文主要在前人研究的基礎(chǔ)上，借助數(shù)值模擬方法，結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例，建立淺埋軟弱圍巖大斷面隧道數(shù)值分析模型，對(duì)比研究隧道動(dòng)態(tài)分部工法與常用施工工法的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，分析動(dòng)態(tài)分部工法的適用性，為類似淺埋復(fù)雜環(huán)境下的隧道工程施工提供建議與參考。

2　工程概況

依托工程為單孔雙車道隧道，隧道正線全長(zhǎng)約10.115 km，開挖寬度約15 m，高度約13 m，其斷面面積超過160 m2，屬大斷面隧道(見圖1)。隧道最小埋深約4～8 m，隧道進(jìn)口段洞身主要經(jīng)過弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)砂巖及弱風(fēng)化礫巖、砂礫巖等，地表、地下水均不發(fā)育，但巖石遇水易軟化崩解、易風(fēng)化，屬Ⅴ～Ⅵ級(jí)圍巖，其典型地質(zhì)剖面圖，見圖2。

圖1　隧道橫斷面圖Figure 1　The cross section of tunnel

圖2　地質(zhì)剖面圖Figure 2　The Geological profile

圖3　隧道工序圖Figure 3　　　　The tunnel process diagram

隧道分為明挖、暗挖段兩部分，進(jìn)口較長(zhǎng)一段采用明挖法施工，其余為暗挖段，采用大管棚進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)。為加快施工進(jìn)度，保證隧道施工工期，考慮到該隧道復(fù)雜多變的地質(zhì)狀況，同時(shí)，隧道傳統(tǒng)施工方法存在工法轉(zhuǎn)換困難、施工速度慢的難題，通過深入地研究分析，創(chuàng)造性地提出了動(dòng)態(tài)分部開挖工法(見圖3)，該工法巧妙地將臺(tái)階法、CRD法相融合，首先將隧道上臺(tái)階分為左、右兩部分，并將中隔墻設(shè)置為直墻；其次，開挖隧道中臺(tái)階；最后，開挖隧道下臺(tái)階。

3　隧道常用施工工法及開挖工序

3.1三臺(tái)階法

三臺(tái)階法橫斷面圖，如圖4所示，主要施工工序簡(jiǎn)述如下：

① 開挖隧道上臺(tái)階1并支護(hù)； ②開挖隧道中臺(tái)階2并支護(hù)； ③開挖隧道下臺(tái)階3并支護(hù)； ④仰拱施作并回填； ⑤施作二次襯砌。

3.2CD法

CD法橫斷面圖，如圖5所示，主要施工工序簡(jiǎn)述如下：

①開挖隧道左上部1并支護(hù)； ②開挖隧道左中部2并支護(hù)； ③開挖左下部3； ④開挖隧道右上部4并支護(hù)； ⑤開挖隧道右中部5并支護(hù)； ⑥開挖隧道右下部6； ⑦拆除臨時(shí)支護(hù)； ⑧仰拱施作并回填； ⑨施作二次襯砌。

圖4三臺(tái)階法

Figure 4Three steps method

圖5CD法

Figure 5CD method

3.3CRD法

CRD法橫斷面圖，如圖6所示，主要施工工序簡(jiǎn)述如下：

①開挖隧道左上部1并支護(hù)； ②開挖隧道左中部2并支護(hù)； ③開挖隧道左下部3； ④開挖隧道右上部4并支護(hù)； ⑤開挖速調(diào)右中部5并支護(hù)； ⑥開挖隧道右下部6； ⑦拆除臨時(shí)支護(hù)； ⑧仰拱施作并回填； ⑨施作二次襯砌。

3.4雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法橫斷面圖，如圖7所示，主要施工工序簡(jiǎn)述如下：

①開挖隧道左上導(dǎo)坑1并支護(hù)； ②開挖隧道左下導(dǎo)坑2并支護(hù)； ③開挖隧道右上導(dǎo)坑3并支護(hù)； ④開挖隧道右下導(dǎo)坑4并支護(hù)； ⑤開挖隧道中間上導(dǎo)坑5并支護(hù)； ⑥開挖隧道中間導(dǎo)坑中部6； ⑦開挖中間導(dǎo)坑下部7； ⑧拆除臨時(shí)支護(hù)； ⑨仰拱施作并回填； ⑩施作二次襯砌。

圖6　CRD法

圖7雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

Figure 7Double side driftmethod

4　數(shù)值計(jì)算分析

4.1計(jì)算模型與參數(shù)

計(jì)算模型中，左右分別取至隧道中線外40 m范圍，模型底部邊界取隧道底部以下30 m范圍，上邊界根據(jù)實(shí)際埋深取至地表。模型左右邊界設(shè)置水平約束，下邊界設(shè)置豎向約束，上邊界自由。圍巖采用平面單元模擬，服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、二次襯砌均采用梁?jiǎn)卧M，按照彈性材料模擬。圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)Table1 Calculationparameter材料容重γ/(kN·m-3)變形模量E/GPa泊松比μ粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)圍巖19.80.0070.43615管棚等效加固20.80.30.2830030初期支護(hù)22270.2臨時(shí)支護(hù)22230.2二次襯砌23300.2

4.2計(jì)算結(jié)果與分析

4.2.1地表沉降

不同施工工法條件下，地表最終沉降曲線圖，如圖8所示。

圖8　地表沉降曲線圖Figure 8　The curve of surface subsidence

從圖8分析可知：

① 不同施工工法下，地表最終沉降槽曲線規(guī)律一致，其最大沉降位置均位于隧道中線附近。不同施工工法下，隧道開挖引起地表相同位置的沉降大小基本滿足如下關(guān)系：三臺(tái)階法最大，動(dòng)態(tài)分部施工工法最小，其余工法在兩者之間。由此可見，隧道采用動(dòng)態(tài)分部工法施工時(shí)，其產(chǎn)生的地表沉降最小，控制位移沉降效果最優(yōu)。

② 當(dāng)距隧道中線相同距離，不同施工工法下地表沉降呈現(xiàn)出各自的規(guī)律特征：三臺(tái)階法施工時(shí)，隧道兩側(cè)地表沉降值基本相等，兩側(cè)基本對(duì)稱；CD、CRD法施工時(shí)，其沉降值具有“隧道先開挖側(cè)稍小于后開挖側(cè)”的特點(diǎn)；而動(dòng)態(tài)分部工法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法正好與之相反?？梢姡淼篱_挖引起地表沉降規(guī)律與隧道施工工序、開挖時(shí)機(jī)間關(guān)聯(lián)密切。

③ CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及動(dòng)態(tài)分部工法均采用縮小隧道開挖跨度來減小應(yīng)力釋放，而三臺(tái)階法，主要從隧道縱向深度方向上縮小開挖距離來減小應(yīng)力釋放。計(jì)算結(jié)果表明，與隧道縱向深度方向上縮小開挖距離相比，橫向縮小隧道開挖跨度的工法所引起的地表沉降相對(duì)較小。其主要原因是臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)本身具有一定剛度，其起到了約束圍巖的豎向變形的作用，并進(jìn)一步抑制隧道圍巖的變形發(fā)展趨勢(shì)。

綜上所述，從控制地表沉降效果來看，與其他傳統(tǒng)工法相比，采用動(dòng)態(tài)分部工法施工更具有優(yōu)勢(shì)，位移能夠控制在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，更大程度地確保了隧道施工安全。

4.2.2洞內(nèi)位移

不同工法施工條件下，拱頂、拱腰隨隧道施工工序的沉降規(guī)律和收斂規(guī)律，分別如圖9(a、b)所示。

圖9　洞內(nèi)位移Figure 9　The displacement of tunnel

從圖9(a、b)分析可知：

① 不同工法施工條件下，隧道拱頂沉降基本符合如下規(guī)律：三臺(tái)階法最大，動(dòng)態(tài)分部施工工法最小，其余工法在兩者之間，這同地表沉降規(guī)律一致。采用動(dòng)態(tài)分部工法施工時(shí)，其拱頂沉降值約為其它隧道工法的0.4倍左右，由此說明動(dòng)態(tài)分部工法縮小隧道橫向跨度措施能夠有效限制隧道周邊位移。

② 不同工法施工條件下，隧道拱腰水平收斂曲線大致可分為以下2種情況： 三臺(tái)階法施工，隧道拱腰水平位移向洞外擴(kuò)張；而其他工法，規(guī)律基本一致，呈向洞內(nèi)收斂的趨勢(shì)。動(dòng)態(tài)分部施工工法下，隧道拱腰收斂值基本控制在2 mm范圍，由此可見，動(dòng)態(tài)分部施工工法控制隧道周邊收斂?jī)?yōu)勢(shì)明顯。

4.2.3初期支護(hù)內(nèi)力

不同施工工法條件下，隧道初期支護(hù)軸力圖、彎矩圖，分別如圖10、圖11所示。

(a) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

(b) CD法

(c) CRD法

(d) 動(dòng)態(tài)分部工法

(e) 三臺(tái)階法

(a) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

(b) CD法

(c) CRD法

(d) 動(dòng)態(tài)分部工法

(e) 三臺(tái)階法

從圖10、圖11中可知：

① 從隧道初期支護(hù)各軸力圖看出，各施工工法的初期支護(hù)軸力均呈“上大下小”的趨勢(shì)。CD法、CRD法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，隧道的初支軸力圖呈“不對(duì)稱分布、后開挖側(cè)軸力明顯小于先開挖側(cè)的特點(diǎn)”，而采用動(dòng)態(tài)分部工法與三臺(tái)階法施工時(shí)，隧道初支軸力圖基本對(duì)稱，可見豎直臨時(shí)中隔墻，更能控制結(jié)構(gòu)受力對(duì)稱，保證了初支結(jié)構(gòu)的安全。

② 從隧道初期支護(hù)各彎矩分布圖看，各工法的彎矩?cái)?shù)值差別較大，分布亦不均勻，彎矩最大值主要位于各支護(hù)措施間的搭接點(diǎn)，因此，在隧道施工過程中，應(yīng)牢固支護(hù)措施間的連接位置，從而更好地控制隧道變形。

③ 從隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力看，采用動(dòng)態(tài)分部工法施工，隧道初支軸力與彎矩?cái)?shù)值均不大，隧道初支結(jié)構(gòu)受力良好，能夠確保隧道的穩(wěn)定。

5　結(jié)語

① 從位移控制與力學(xué)特征來看，依托工程采用動(dòng)態(tài)分部工法施工，能更有效地控制地表變形及隧道受力狀態(tài)，因此對(duì)于地表位移控制嚴(yán)格的淺埋大斷面隧道來說，采用動(dòng)態(tài)分部工法施工，其具有更高的可靠性，能夠更大程度地保證隧道施工的安全。

② 動(dòng)態(tài)分部工法的隧道施工工序間干擾小、臨時(shí)支護(hù)設(shè)置靈活方便，能夠滿足隧道快速施工的要求，因此，對(duì)于淺埋軟弱圍巖大斷面隧道而言，采用動(dòng)態(tài)分部工法，能夠保證隧道快速安全施工，解決工期緊張問題。

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A Comparative Study on Construction Method of Shallow Tunnel with Large Section in Weak Surrounding Rock Based on Numerical Simulation

XIONG Zao

(Hunan Administration LTD of Highway Express Construction,Yueyang, Hunan 414000, China)

In order to seek an optimal construction method for a shallow tunnel with large section in weak surrounding rock, based on a shallow and large cross-section tunnel in weak rock, a mechanics simulation model of a shallow and large cross-section tunnel in weak rock was conducted by the numerical simulation method. Through a comparative study between a new construction method (Dynamic Division Construction Method) and the common construction methods, such as double side drift method(DSDM), three steps method, CRD method and CD method, the advantages and disadvantages of which were analyzed. Then, the feasibility of this new method in the project construction was demonstrated.

shallow depth; large section; weak surrounding rock; tunnel; numerical simulation; construction method comparison

2016 — 05 — 19

熊造(1983 — )，男，湖南湘陰人，工程師，從事公路橋梁建設(shè)與管理工作。

U 455.4

A

1674 — 0610(2016)04 — 0150 — 04