城市隧道施工過程結(jié)構(gòu)分析研究

李文劍

（中山市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，廣東 中山 528400）

城市隧道施工過程結(jié)構(gòu)分析研究

李文劍

（中山市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，廣東 中山 528400）

以實際隧道工程為研究背景，針對此工程中穿越淺埋地段復(fù)雜多變的地質(zhì)情況：粉質(zhì)黏土層與軟弱破碎V級圍巖，采用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)分析，通過有限元數(shù)值模擬分析隧道臺階法動態(tài)施工過程。在此基礎(chǔ)上，分別對留核心土臺階法的臺階高度與初期噴錨網(wǎng)支護結(jié)構(gòu)作為研究對象，對比不同的上臺階開挖高度、錨桿長度、網(wǎng)噴混凝土厚度情況下圍巖的力學(xué)特征。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及規(guī)律，提出該淺埋偏壓軟弱圍巖段隧道的合理的設(shè)計支護參數(shù)及施工對策。研究結(jié)果直接指導(dǎo)該隧道施工過程和支護措施的改進優(yōu)化與設(shè)計控制措施，較好地解決工程實際問題?？蔀樗淼篮罄m(xù)設(shè)計和施工或類似穿越淺埋軟弱圍巖等復(fù)雜地層條件下隧道施工過程及超前注漿孔的合理布置提供理論支持。

隧道工程；臺階法；數(shù)值模擬；施工對策

0　引　言

位于城市中的交通隧道,它在發(fā)揮縮短行車里程、提高交通效益作用的同時,對于優(yōu)化城市路網(wǎng)、改善道路通行條件等方面將給城市建設(shè)帶來更大的社會效益。針對中山市某隧道工程建設(shè)，對城市隧道的施工過程進行數(shù)值模擬分析，確定了合理的隧道施工步驟和支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)[1-11]。

1　工程概況

以廣東省中山市某隧道工程建設(shè)為工程背景。隧道全長約400 m。其中洞身段穿越復(fù)雜越軟弱破碎的山體表層粉質(zhì)黏土，且該層土質(zhì)不均勻夾有卵、礫石，最小埋深僅為18 m。該破碎段隧道圍巖級別為V級，系泥盆系中統(tǒng)石英片巖，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部見有碎裂巖、斷層角礫，圍巖整體穩(wěn)定性差。為小凈距淺埋偏壓軟弱圍巖隧道工程。為方便研究，取該段破碎軟弱圍巖段為典型區(qū)段進行研究。

2　隧道施工工法

隧道采用臺階法施工。施工步驟見圖1。第1步，導(dǎo)坑上臺階開挖。環(huán)向開挖導(dǎo)坑上臺階，預(yù)留核心土。上臺階開挖高度不小于開挖跨度的0.3倍。開挖循環(huán)進尺不超過1.5 m。上臺階核心土長度(隧道縱向)3～5 m，高度為1.5～2.5 m，寬度為上臺階開挖跨度的1/3～1/2。開挖后應(yīng)立即施作初期支護,在拱部初期支護完成后進行下道工序。

圖1　施工步驟示意圖

第2步，左右兩側(cè)中臺階開挖:開挖時左右應(yīng)錯開2～3 m,最大進尺1.5 m，開挖高度為隧道總開挖高度(不含仰拱)減去上臺階開挖高度后除以2。開挖后立即施作初期支護。

第3步，下臺階左右兩側(cè)開挖:開挖時應(yīng)錯開,最大1.5 m，開挖后及時施作初期支護。

第4步，開挖預(yù)留的核心土：分別開挖上、中、下臺階預(yù)留的核心土，開挖進尺與各臺階循環(huán)進尺一致。

第5步，隧道底部開挖：每循環(huán)開挖進尺與上、中、下臺階一致，開挖后及時施作初期支護。

3　有限元分析

3.1三維計算模型及參數(shù)

計算采用摩爾庫倫理論本構(gòu)模型有限元軟件建立三維數(shù)值模擬。選取典型隧道區(qū)段模擬長、寬為120 m范圍地形。邊界條件為：前、后、左、右邊界施加水平方向約束，底面限制垂直位移，頂面為自由面。根據(jù)該工程水文條件地下水不發(fā)育故不考慮地下水的影響；假定錨噴初期支護體系承擔100%地應(yīng)力及施工階段荷載，不考慮巖體變形的時間效應(yīng)。初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場的影響。根據(jù)隧道現(xiàn)場情況和工程地質(zhì)勘察報告取計算參數(shù)。

3.2隧道施工荷載施加步驟

結(jié)合該隧道施工過程，在初期自重應(yīng)力場下進行開挖。模型考慮模擬地應(yīng)力釋放和初期支護及噴射混凝土的硬化時間效應(yīng)和空間效應(yīng)，施工時荷載的施加步驟見表1。

表1　隧道施工加荷步驟

4　支護結(jié)構(gòu)及對策

重點對典型段穿越粉質(zhì)黏土的近接施工過程參數(shù)做深入研究。分別以留核心土臺階法的臺階高度與初期噴錨網(wǎng)支護結(jié)構(gòu)作為研究對象，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對比不同的上臺階開挖高度及支護結(jié)構(gòu)，進而對隧道設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，提出隧道施工階段的支護結(jié)構(gòu)施工對策。

4.1臺階開挖高度

在超前支護、施工步距等相同的施工條件下對比不同上臺階開挖高度所形成“毛洞”時對隧道沉降的影響，見圖2。

圖2　臺階開挖高度影響

4.2錨桿長度

在上臺階開挖高度4.5 m的施工條件下對比錨桿長度對沉降與拱頂位移變化影響，見圖3。

圖3　錨桿長度的影響

4.3網(wǎng)噴混凝土厚度

在超前支護、施工步距、開挖方案、3.5 m錨桿類型相同的施工條件下對比不同網(wǎng)噴混凝土厚度對拱頂位移和洞周收斂的變化影響，見圖4。

圖4　網(wǎng)噴混凝土厚度影響

4.4支護對策

隧道開挖后應(yīng)及時進行支護，以減少圍巖的暴露時間,不同的圍巖地段，分別按不同的復(fù)合支護參數(shù)，采用不同的支護類型。初期支護包括素噴混凝土和噴射鋼纖維混凝土、中空注漿錨桿和超前砂漿錨桿及基礎(chǔ)加固砂漿錨桿,以及鋼拱架支撐與管棚等。

（1）洞口超前管棚施工

隧道進、出口端均為軟弱破碎圍巖地段，采用長管棚預(yù)支護。長管棚采用熱扎無縫鋼管Ф108 mm，壁厚6 mm，節(jié)長4 m及6 m，潛孔鉆機鉆孔，先施工有孔鋼花管，進行注漿后，再施作無孔鋼管并壓注砂漿。打設(shè)長管棚后，利用鋼管的強度和剛度加強支護，注漿固結(jié)圍巖后，在拱圈外形成防水帷幕進行防水，增強圍巖的自承能力。

（2）超前小導(dǎo)管與中空注漿錨桿

V級圍巖設(shè)小導(dǎo)管超前支護,其中級圍巖小導(dǎo)管環(huán)向間距為50 cm，級圍巖小導(dǎo)管環(huán)向間距為40 cm。中空錨桿用風(fēng)鉆打眼至設(shè)計深度，再用風(fēng)鉆將中空錨桿送入到鉆孔中，安裝止?jié){塞進行注漿。然后將環(huán)向錨桿、超前錨桿尾部和型鋼拱焊接為一體，噴鋼纖維混凝土至設(shè)計厚度。中墻基礎(chǔ)及邊墻基礎(chǔ)混凝土澆注前，按圍巖復(fù)合支護參數(shù)，打設(shè)基礎(chǔ)加固砂漿錨桿。

（3）噴射混凝土及鋼拱架施工

隧道臺階開挖后，及時噴射一層素混凝土，然后噴射鋼纖維混凝土，表層噴1～1.5 cm素混凝土，封閉開挖面。安裝時注意控制兩拱腳標高、拱頂標高及兩側(cè)拱腰，尤其在圍巖破碎超挖較多處注意檢核拱腰位置是否準確，防止個別聯(lián)接板未密貼造成拱腰處一側(cè)欠挖另一側(cè)超挖出現(xiàn)。

5　結(jié)　論

（1）鑒于此隧道控制段圍巖為軟弱破碎的V級圍巖，因此本工程中應(yīng)以防止地層塌方為核心。上臺階的合理開挖高度是重要參數(shù)，控制段隨著開挖高度從3.5～5.5 m的增加洞周收斂和拱頂位移均呈增大趨勢，尤其洞周收斂較為明顯。適當控制臺階開挖高度有利于地層穩(wěn)定，但當臺階開挖高度過小時影響后續(xù)工序。

（2）通過對比錨桿長度的變化對底層影響是比較明顯的，隨錨桿長度的增加，沉降成折現(xiàn)形式變化，起初隨錨桿長度的增加變形圍巖變形減小。但是當長度超過3.5 m時，控制作用不明顯。錨桿長度為3.5 m時能打入巖體的穩(wěn)定區(qū)域此時最有有效控制圍巖變形，這時圍巖變形最小，有利于圍巖松動圈的控制。

（3）初期支護中網(wǎng)噴混凝土支護結(jié)構(gòu)在15～ 25 cm時對圍巖的沉降控制不明顯，隨著網(wǎng)噴混凝土的厚度的增加，圍巖的沉降也會減小，但是幅度較小。因此，可以通過適當?shù)臏p少初期支護中網(wǎng)噴混凝土的厚度，以達到降低成本，縮短工期的效果。采用15 cm的網(wǎng)噴混凝土厚度也能夠達到穩(wěn)定圍巖的目的。

（4）加強支護結(jié)構(gòu)施工對策可以采取：縮短隧道開挖進尺，加強初支結(jié)構(gòu)強度，采取超前預(yù)加固措施、特殊地段地表處理等施工方法。施工過程中超前地質(zhì)預(yù)報報告結(jié)果與設(shè)計要及時進行對比，及時調(diào)整臺階長度或施工方法，適時對初期支護參數(shù)和二次襯砌厚度進行調(diào)整。

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TU997

A

1009-7716（2016）04-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.043

2015-28-28

李文劍（1985-），男，廣東中山人，工程師，從事橋梁與隧道工程方面的研究工作。