大偏壓小凈距隧道施工方法分析

張其來， 金立豐

(1.湖南省懷化公路與橋梁建設(shè)總公司， 湖南 懷化　418000；　2.湖南省第五工程有限公司， 湖南 長沙　410000)

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大偏壓小凈距隧道施工方法分析

張其來1， 金立豐2

(1.湖南省懷化公路與橋梁建設(shè)總公司， 湖南 懷化418000；2.湖南省第五工程有限公司， 湖南 長沙410000)

為了確定IV級圍巖條件下陡坡小凈距隧道的合理施工方法，結(jié)合懷通高速公路隧道工程施工實例，考慮上下臺階與環(huán)形開挖留核心土法的3種不同組合下的施工方案，通過有限元軟件對IV級圍巖陡坡條件下小凈距隧道的不同施工方法進行了模擬，重點分析了隧道開挖對地表、圍巖等的擾動效應(yīng)，主要包括地表、掌子面以及中夾巖柱區(qū)域的位移和應(yīng)力，確定了上下臺階法為IV級圍巖條件下陡坡小凈距隧道的合理施工方法，分析成果可為類似條件下的小凈距隧道的設(shè)計、施工提供參考。

陡坡； 小凈距隧道； 施工方法； IV級圍巖； 懷通高速公路

1　概述

目前，國內(nèi)外學(xué)者對小凈距公路隧道已進行了相關(guān)的研究，K.W.Lo[1]和E Soliman[2]等對于小凈距隧道施工過程中的受力模式及隧道之間的相互影響進行了相應(yīng)的研究和探索；Tan[3]采用數(shù)值模擬的手段研究了小凈距隧道間距對地表位移和圍巖應(yīng)力的影響；近年來國內(nèi)許多學(xué)者[4-11]也對小凈距隧道的施工方法與順序、施工力學(xué)狀態(tài)、施工相互影響等方面進行了研究，逐步積累了一定的經(jīng)驗和成果，但研究對象基本集中在無地形偏壓或地形偏壓坡度不大于30°的情況，對大于30°的偏壓情況下小凈距隧道的研究較少，但實際工程應(yīng)用難以避免遇到陡坡偏壓的情形，特別是懷通高速公路由于地形復(fù)雜、選線難度大，出現(xiàn)了幾座陡坡偏壓小凈距隧道，迫切需要通過相關(guān)研究降低其施工與運營風(fēng)險，進一步優(yōu)化設(shè)計施工的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。因此，本文擬通過數(shù)值模擬，并結(jié)合工程實例，對相同條件下陡坡小凈距隧道的三種不同施工方法進行對比分析，研究IV級圍巖條件下陡坡小凈距隧道的合理施工方法，以為本工程施工提供指導(dǎo)，并為以后類似工程提供設(shè)計與施工方面的借鑒。

2　計數(shù)值模型與工況設(shè)計

2.1計算模型與參數(shù)

結(jié)合懷通高速公路隧道工程實例，建立隧道開挖三維模型。該工程為雙洞單向行車的雙車道小凈距隧道，隧道位于低山丘陵區(qū)，基巖主要為片麻巖，巖體破碎，構(gòu)造發(fā)育，隧道中部為IV級圍巖，偏壓較為嚴(yán)重，因此該隧道適合作為本研究的依托工程。整體及支護結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，單洞開挖跨度13.14 m，凈距8 m，拱肩覆土厚度8 m，地面坡度45°，陡坡條件，模型縱向深度100 m。在ABAQUS模型中，圍巖采用一階三維實體縮減積分六面體單元C3D8R，噴射混凝土板采用縮減積分四節(jié)點殼單元S4R，錨桿采用桿單元T3D2。

(a) 整體模型 (b) 支護結(jié)構(gòu)

模型參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70-2010)給出的巖質(zhì)圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)選取，混凝土的材料模型采用混凝土塑性損傷模型，初支混凝土材料彈性模型通過截面等效原則，將鋼拱架的彈性模量折算成混凝土的彈性模量計算公式(1)。

(1)

式(1)中：E為折算后初期支護的彈性模量，Ec為噴射混凝土彈性模量，Eg為鋼拱架彈性模量，Sc為噴射混凝土截面積，Sg為鋼拱架截面積，Lg為鋼拱架翼緣長，L為鋼拱架間距。模型中錨桿長度為3.5 m，錨桿縱橫間距0.5×1.0 m，噴射混凝土厚度為0.25 m。圍巖及支護結(jié)構(gòu)材料屬性見表1。

2.2工況設(shè)計

各施工工法橫斷面施工步流程圖以及開挖三維立體圖見表2。

表1 圍巖與結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Table1 Mechanicalparametersofsurroundingrockandstructure力學(xué)參數(shù)彈性模型/GPa泊松比重度/(kN·m-3)粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)圍巖(IV)3.80.31230050035噴砼23.50.22200//錨桿2050.37800//

表2 IV級圍巖下的施工方法Table2 ConstructionmethodsofIVlevelrockmass施工方法橫斷面施工步流程圖開挖三維立體圖臺階法開挖順序為1-2-3-4,其中1步與2步相距15m,1步與3步相距40m,3步與5步相距15m組合法開挖順序為1-2-3-4-5,其中1步與2步相距2m,1步與3步相距15m,1步與4步相距40m,4步與5步相距15m環(huán)形開挖留核心土法開挖順序為1-2-3-4-5-6,其中1步與2步相距2m,1步與3步相距15m,1步與4步相距40m,4步與5步相距2m,4步與6步相距15m

3　計算結(jié)果分析

3.1地表位移分析

對于陡坡小凈距隧道，地表位移是判斷圍巖與邊坡穩(wěn)定性的一個重要標(biāo)志，地表位移控制往往是隧道建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，因此也是數(shù)值分析的重要指標(biāo)。地表位移分析選取初始開挖斷面上方的地表測線D1，沿隧道開挖方向先行洞拱頂上方地表測線D2和沿隧道開挖方向后行洞拱頂上方地表測線D3，如圖2所示。

圖2　地表測線示意圖Figure 2　Schematic diagram of surface survey

如圖3所示，由沉降曲線可知：3種施工方法下的地表沉降規(guī)律基本一致，最終的地表最大沉降均位于中夾巖柱中心線和淺埋洞拱頂正上方之間的位置，其最大地表沉降值有所差異。當(dāng)先行洞開挖至80 m(后行洞開挖至40 m)，采用上下臺階法、組合法和留核心土法開挖的最大地表沉降分別為8.2 mm，7.7 mm和7.2 mm。

圖3　先行洞開挖80 m時不同施工方法的D1沉降曲線Figure 3　　　　D1 Settlement curve of different construction methods in the first hole excavation 80 m

圖4為先行洞開挖至80 m時測線D2和D3的沉降曲線，在沿隧道開挖方向的地表的沉降最大值均出現(xiàn)在初始開挖斷面(橫坐標(biāo)的0 m位置)的地表處，且相同橫坐標(biāo)下的先行洞上方的地表沉降值明顯大于后行洞。采用上下臺階法、組合法和留核心土法開挖的先行洞上方最大地表沉降分別為8.1 mm，7.7 mm和7.4 mm，后行洞上方最大地表沉降分別為5.9 mm，5.5 mm和5.2 mm。

圖4　先行洞開挖80 m時的沉降曲線Figure 4　　　　The settlement curve of first hole 80 meters of excavation

綜合上述沉降云圖和地表沉降曲線圖可知：留核心土法開挖對地表沉降控制效果最好，其次為組合法，而上下臺階法施工引起的地表沉降最大。但總體而言，IV圍巖下的3種施工方法造成的地表沉降差別并不大，均能滿足施工期間的地表沉降控制要求。

3.2掌子面擠出位移分析

圖5為隧道先行洞開挖至80 m時，先行洞和后行洞的掌子面沿隧道開挖方向上的位移云圖，灰色區(qū)域為掌子面擠出位移的區(qū)域。由圖可知，掌子面擠出主要發(fā)生在上臺階區(qū)域，而采用上下臺階開挖產(chǎn)生的掌子面擠出位移的區(qū)域范圍明顯要大于留核心土法，因為上臺階預(yù)留的核心土有效地“抵制”了掌子面的擠出趨勢。

由于進行下一步開挖時會挖出上一步已經(jīng)產(chǎn)生擠出位移的掌子面，所以每一步開挖都會產(chǎn)生新的掌子面，這就導(dǎo)致掌子面擠出位移并不像地表沉降一樣是各個開挖步的地表沉降的累加，而是每步開挖后重新產(chǎn)生的，所以掌子面擠出位移的量值并不大。

(a) 上下臺階法

(b) 組合法

(c) 留核心土法

Figure 5The face of soil displacement along the direction of the tunnel excavation

從掌子面穩(wěn)定性看，留核心土法的掌子面擠出位移區(qū)域最小，控制效果最好，其次是組合法，上下臺階法對掌子面穩(wěn)定性最為不利。

3.3中夾巖柱特征點應(yīng)力

應(yīng)力分析選取連接兩隧道起拱線位置的水平線L2上的監(jiān)測點A、B、C，分別位于深埋洞開挖面附近，巖柱中部以及淺埋洞開挖面附近，如圖6所示。

中夾巖柱應(yīng)力分析點選取巖柱近深埋洞側(cè)A點、巖柱中部B點和巖柱近淺埋洞側(cè)C點(見圖

圖6　測線L2位置示意圖Figure 6　Position of line L2

6)。采用側(cè)壁導(dǎo)坑法、組合法和留核心土法開挖時，中間巖柱A、B、C處最大和最小主應(yīng)力見表3。

表3 3種施工方案下中夾巖柱典型點應(yīng)力Table3 TypicalpointstressofthreekindsofconstructionschemesMPa開挖方式最大主應(yīng)力最小主應(yīng)力應(yīng)力差A(yù)BCABCABC臺階法-1.19-1.11-1.41-4.02-2.66-3.62-2.83-1.55-2.21組合法-1.08-1.03-1.30-3.82-2.54-3.47-2.74-1.51-2.17留核心土法-1.01-0.98-1.26-3.71-2.46-3.42-2.70-1.48-2.16

根據(jù)圖7中的各點應(yīng)力分布情況，無論采用哪種施工方案，中夾巖柱靠近開挖面的位置(A、C點)應(yīng)力均大于巖柱中間部位(B點)，而深埋側(cè)A點的最小主應(yīng)力則顯著大于淺埋側(cè)C點，最大主應(yīng)力卻略小于C點，深埋側(cè)A點最大和最小應(yīng)力之差最大。從應(yīng)力值分析，中夾巖柱越靠近開挖面的位置受到施工擾動越大；根據(jù)應(yīng)力差，中夾巖柱深埋側(cè)巖土體比淺埋側(cè)的更容易發(fā)生破壞。

圖7　各特征點應(yīng)力圖Figure 7　The characteristic points of the stress

3種施工方法中，采用留核心土法施工的中夾巖柱的最大、最小主應(yīng)力和應(yīng)力差均要小于組合法和臺階法，所以留核心土法對于中夾巖柱的受力變形控制效果最好。

4　結(jié)論

① 結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，從各自的地表位移、掌子面擠出位移以及中夾巖柱特征點的應(yīng)力角度分析3種施工方法的優(yōu)劣，得出留核心土法優(yōu)于其它兩種方法，而組合法又優(yōu)于臺階法。

② 隧道施工的位移場分布規(guī)律主要取決于地質(zhì)條件，隧道位置和形狀等設(shè)計條件，不受施工方法影響，但隧道的施工方法會對位移量值大小產(chǎn)生顯著影響。

③ 留核心土法相比于臺階法，預(yù)留的核心土有效抑制了掌子面的擠出位移，保證了掌子面的穩(wěn)定性，這是導(dǎo)致留核心土法施工造成的巖土體變形小于臺階法的根本原因。

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Analysis on Reasonable Construction Method of Steep Slope Tunnels with Small Interval

ZHANG Qilai1， JIN Feng2

(1.Hunan Province Huaihua Highway and Bridge Construction Corporation， Huaihua， Hunan 418000， China；2.Hunan Province Fifth Engineering Company Limited， Changsha， Hunan 410000， China)

In order to determine the reasonable construction method of small clear distance tunnel in the condition of IV grade surrounding rock，Combined with the construction of the tunnel project of Huai Tong expressway，Considering the three different combinations of the construction plan on the steps and the ring cutting method，Based on the finite element software，the different construction methods of the small spacing tunnel under the condition of IV grade surrounding rock slope are simulated，F(xiàn)ocuses on the analysis of tunnel excavation on the surface and the surrounding rock disturbance effects，including surface and tunnel face and clip rock column region of the displacement and stress.The reasonable construction method of the upper step down method is determined for the small clear distance tunnel of the steep slope under the condition of the IV grade surrounding rock，The analysis results can provide reference for the design and construction of a small net distance tunnel under similar conditions.

steep slope； small clear distance tunnel； construction method； IV grade surrounding rock； huai tong expressway

2016 — 06 — 17

張其來(1977 — )，男，湖南懷化人，工程師，主要從事公路工程施工管理。

U 455.4

A

1674 — 0610(2016)04 — 0166 — 05