淺埋連拱隧道的施工工序比選及優(yōu)化研究

彭 梁

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

淺埋連拱隧道的施工工序比選及優(yōu)化研究

彭 梁

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

針對(duì)省某淺埋偏壓公路連拱隧道，采用數(shù)值模擬的手段，研究對(duì)比在不同施工工序下，連拱隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力、隧道拱頂沉降以及圍巖最大壓力，從而比選出該隧道的最優(yōu)施工工序。研究表明：分臺(tái)階法要優(yōu)于全斷面法，其圍巖壓力、支護(hù)內(nèi)力等都較小，并且效率更高、造價(jià)更低；采用先開挖淺埋側(cè)隧道的施工順序跟采用先開挖深埋側(cè)的施工順序相比，前者的支護(hù)應(yīng)力及圍巖應(yīng)力都較后者小，先開挖淺埋側(cè)隧道更優(yōu)。采用比選出的最優(yōu)施工工序，隧道實(shí)際施工中無(wú)異常情況，施工效果較好。研究對(duì)于淺埋偏壓連拱隧道的施工工序比選及優(yōu)化具有參考作用。

連拱隧道； 淺埋； 偏壓; 施工工序； 有限元； 優(yōu)化

0 引言

近年來(lái)在我國(guó)連拱隧道發(fā)展迅速，連拱隧道具有占地面積較小、能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地形、保持公路斷面美觀、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及便于運(yùn)營(yíng)管理等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。在隧道工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載和圍巖應(yīng)力受施工工序的影響十分顯著，尤其是連拱隧道，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨度較大、地形復(fù)雜的特點(diǎn)，隧道施工方法及施工工序更多。因此，為了保障隧道施工安全，優(yōu)化連拱隧道施工工序具有十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在連拱隧道施工方法及施工工序的優(yōu)化方面已經(jīng)取得了一些研究成果，比如文獻(xiàn)[4]運(yùn)用數(shù)值模擬優(yōu)化了某連拱隧道的施工工序；在動(dòng)態(tài)施工應(yīng)力方面，文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了總結(jié)。由于不同的設(shè)計(jì)參數(shù)和地質(zhì)條件，連拱隧道也具有不同的最優(yōu)施工工序[6，7]，因此，雖然已有研究對(duì)連拱隧道的施工方法和施工工序進(jìn)行了優(yōu)化和發(fā)展，但是對(duì)于工程實(shí)際仍然存在不足。

本文針對(duì)湖南省某淺埋偏壓連拱隧道，為了比選出該隧道的最優(yōu)施工工序，進(jìn)行了8種不同的施工工序設(shè)計(jì)，研究對(duì)比連拱隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力、隧道拱頂沉降以及圍巖最大壓力，從而比選出該隧道的最優(yōu)施工工序。

1 工程背景

該連拱隧道地形地貌復(fù)雜，隧道偏壓情況較為嚴(yán)重。圍巖等級(jí)主要為Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)。連拱隧道結(jié)構(gòu)圍巖種類及斷面見(jiàn)表1和圖1。

表1 連拱隧道圍巖種類及結(jié)構(gòu)斷面圍巖種類跨度/m斷面形式施工方法襯砌支護(hù)單洞凈跨度總跨度總體中隔墻邊墻總體兩側(cè)主洞初期支護(hù)二次襯砌三疊系上統(tǒng)西康群株倭組11．624．5三心圓整體式區(qū)中墻曲線中導(dǎo)洞法上下臺(tái)階開挖法錨桿現(xiàn)澆混凝土炭質(zhì)板巖噴射混凝土砂質(zhì)板巖鋼筋網(wǎng)片新都橋組千枚巖鋼拱架支護(hù)變質(zhì)砂巖

圖1 連拱隧道結(jié)構(gòu)斷面(單位： cm)

2 連拱隧道動(dòng)態(tài)施工模擬

2.1 模型建立和參數(shù)選取

模型選用彈塑性模型進(jìn)行計(jì)算，使用ANSYS軟件選取一個(gè)代表性斷面進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，見(jiàn)圖2，圍巖材料根據(jù)相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則以及D-P屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。模型單元選擇、邊界條件見(jiàn)表2,計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 連拱隧道有限元模型

表2 模型單元選取及邊界條件模型結(jié)構(gòu)模型單元圍巖初期支護(hù)二次襯砌實(shí)體單元PLANF42邊界條件兩側(cè)底部頂部約束水平方向位移約束豎直方向位移自由

表3 計(jì)算參數(shù)材料密度/(kg·cm-3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)V級(jí)圍巖18001503720026圍巖加固圈1900203525027中隔墻24002701880056初期支護(hù)2500260280056二次襯砌2600300280056中墻頂部回填25002402340045

2.2 連拱隧道施工工序

為了比選出最優(yōu)連拱隧道施工工序，本文以中導(dǎo)洞法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)8種施工工序，如圖3所示，分為6種分臺(tái)階開挖方法和2種全斷面開挖方法，分別為工序①～⑥和工序⑦、⑧。圖3中數(shù)字所示施工步驟見(jiàn)表4。

圖3 連拱隧道施工步驟

表4 連拱隧道施工步驟數(shù)字代號(hào)施工步驟數(shù)字代號(hào)施工步驟1中導(dǎo)洞開挖8左洞上臺(tái)階開挖2中導(dǎo)洞錨噴支護(hù)9左洞上臺(tái)階錨噴支護(hù)3中墻修筑及墻頂回填10左洞下臺(tái)階開挖4右洞上臺(tái)階開挖11左洞下臺(tái)階錨噴支護(hù)5右洞上臺(tái)階錨噴支護(hù)12右洞仰拱開挖和二次襯砌澆筑6右洞下臺(tái)階開挖13左洞仰拱開挖和二次襯砌澆筑7右洞下臺(tái)階錨噴支護(hù)

以上1～13施工步驟經(jīng)過(guò)組合可以得到8種施工工序，見(jiàn)表5。其中右洞全斷面開挖用(4，6)來(lái)表示，錨噴支護(hù)用(5，7)來(lái)表示。

表5 連拱隧道施工工序施工工序施工步驟①1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13②1-2-3-8-9-10-11-4-5-6-7-13-12③1-2-3-4-5-6-7-12-8-9-10-11-13④1-2-3-8-9-10-11-13-4-5-6-7-12⑤1-2-3-4-5-8-9-6-7-10-11-12-13⑥1-2-3-8-9-4-5-10-11-6-7-13-12⑦1-2-3-(4，6)-(5，7)-(8，10)-(9，11)-12-13⑧1-2-3-(8，10)-(9，11)-(4，6)-(5，7)-13-12

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 拱頂沉降分析

在連拱隧道施工中，為了掌握圍巖穩(wěn)定性和圍巖位移情況，必須對(duì)拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量。對(duì)施工工序①進(jìn)行數(shù)值模擬可以得到當(dāng)施工步驟變化時(shí)的拱頂沉降變化曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 工序①的拱頂沉降隨施工步驟變化曲線

通過(guò)圖4可以得出以下結(jié)論：當(dāng)進(jìn)行施工步驟1～3時(shí)(中導(dǎo)洞開挖及支護(hù))，左洞右洞發(fā)生的拱頂沉降都只有最終沉降量的1/10左右，且沉降量幾乎一樣，因此由中導(dǎo)洞開挖引起的隧道拱頂沉降較小。當(dāng)進(jìn)行施工步驟4～7時(shí)(右洞開挖及支護(hù))，右洞拱頂沉降突然增加，而左洞變化不大，因此右洞開挖主要影響右洞拱頂沉降。當(dāng)進(jìn)行施工步驟8～11時(shí)(左洞開挖及支護(hù))，左洞拱頂沉降突然增加，而右洞變化不大，因此左洞開挖主要影響左洞拱頂沉降。進(jìn)行施工步驟12、13時(shí)(左右洞二次襯砌澆筑)，左右洞沉降穩(wěn)定，隧道安全。

比較各施工工序在全部施工中所產(chǎn)生的拱頂沉降(表6)，可以發(fā)現(xiàn)：

1) 左洞的拱頂下沉量與右洞相比更大，可能是由于左洞承擔(dān)的圍巖壓力更大。

2)采用分臺(tái)階開挖法施工要優(yōu)于采用全斷面法施工，采用分臺(tái)階開挖法施工產(chǎn)生的拱頂沉降量更小、更安全。

3) 采用先開挖左洞的施工方法會(huì)使拱頂?shù)某两盗扛螅啾戎虏捎孟乳_挖右洞的施工順序則會(huì)使沉降偏小。

表6 各施工工序的拱頂沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力及圍巖最大壓力施工工序拱頂沉降/mm支護(hù)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力/MPa圍巖最大壓應(yīng)力/MPa左洞拱頂沉降右洞拱頂沉降初期支護(hù)最大壓應(yīng)力二次襯砌最大壓應(yīng)力圍巖最大垂直壓應(yīng)力圍巖最大水平壓應(yīng)力①318218256064089051②324223277078126045③334231258062109048④336234282071035039⑤321220253062088048⑥323224274078121046⑦346232311080119064⑧354242322083142059

4) 工序①的拱頂沉降量更小，更安全。

2.3.2 圍巖內(nèi)力分析

按照①工序，圍巖在豎直方向產(chǎn)生的最大應(yīng)力和在水平方向產(chǎn)生的最大應(yīng)力，在整個(gè)施工過(guò)程中的變化趨勢(shì)相似，總體呈波浪狀，在隧道開挖完成之后最大壓應(yīng)力增加，支護(hù)完成之后反而減小。

如圖5所示，比較各施工工序在施工過(guò)程中分別在豎直和水平方向所產(chǎn)生的最大應(yīng)力，可以發(fā)現(xiàn)：①圍巖在豎直方向上產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力要大于在水平方向的最大壓應(yīng)力，這是由于地質(zhì)構(gòu)造力較小，圍巖自重相對(duì)較大；②采用分臺(tái)階開挖法施工優(yōu)于采用全斷面法施工，采用分階段開挖法施工對(duì)圍巖造成的最大應(yīng)力更小，對(duì)圍巖的擾動(dòng)也更??；③采用先開挖右洞的施工順序要優(yōu)于采用先開挖左洞的施工順序，兩種施工順序產(chǎn)生的最大水平壓應(yīng)力近似相同，而先開挖右洞會(huì)使最大垂直壓應(yīng)力更小，更偏于安全。

圖5 工序①的圍巖最大壓力隨施工步驟的變化曲線

2.3.3 支護(hù)內(nèi)力分析

按照①工序，支護(hù)產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力在整個(gè)施工過(guò)程中的變化趨勢(shì)與圍巖應(yīng)力的變化趨勢(shì)相似，都表現(xiàn)為在開挖完成之后最大壓應(yīng)力增加，支護(hù)完成之后反而減小(如圖6)。二襯完成之后，圍巖的一部分應(yīng)力由初支轉(zhuǎn)移到二襯，初支的應(yīng)力再次減小。

圖6 工序①的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大壓力隨施工步驟的變化曲線

如表6所示，比較采用不同施工工序時(shí)初支和二襯的最大應(yīng)力可以看出： ①初期支護(hù)承擔(dān)了隧道結(jié)構(gòu)的主要壓力，其承擔(dān)的壓應(yīng)力值達(dá)到了二襯的4倍； ②采用分臺(tái)階開挖法施工優(yōu)于采用全斷面法施工，采用分階段開挖法施工使支護(hù)產(chǎn)生的最大應(yīng)力更小，更安全； ③采用先開挖右洞的施工順序要優(yōu)于采用先開挖左洞的施工順序，采用先開挖右洞的施工順序會(huì)使支護(hù)產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力更小。

3 最優(yōu)施工工序效果分析

3.1 最優(yōu)工序選擇

分臺(tái)階法與全斷面法相比，施工的工作面較多、效率更高，圍巖壓力、拱頂沉降量以及支護(hù)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力都更小，因此不論從力學(xué)的角度還是從工期及成本的角度來(lái)看，分臺(tái)階法都要優(yōu)于全斷面法。另外根據(jù)計(jì)算，在施工過(guò)程中，采用先開挖淺埋側(cè)隧道的施工順序跟采用先開挖深埋側(cè)的施工順序相比，前者的支護(hù)應(yīng)力及圍巖應(yīng)力都較后者小，先開挖淺埋側(cè)隧道更優(yōu)。綜合以上，選擇的最優(yōu)施工工序?yàn)樯鲜鍪┕すば蛑械蘑俟ば颉?/p>

本工程采用①工序，使用新奧法，按照“短進(jìn)尺、弱爆破、勤量測(cè)、緊封閉”的原則進(jìn)行施工，以便更好地控制圍巖的變形和支護(hù)內(nèi)力的增長(zhǎng)。

3.2 監(jiān)控量測(cè)分析

在新奧法中，監(jiān)控量測(cè)具有重要地位，主要監(jiān)控內(nèi)容有地質(zhì)情況及支護(hù)工作情況觀察、圍巖位移、隧道拱頂?shù)南鲁良皟艨兆冃?、地面沉降等?xiàng)目，本文的分析對(duì)象選擇了支護(hù)內(nèi)力以及淺埋偏壓段截面的拱頂下沉量的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)。

圖7和圖8分別為不同工序下的拱頂下沉量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和支護(hù)最大壓應(yīng)力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。與圖4和圖6的數(shù)值模擬所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)相比較可以看出，量測(cè)結(jié)果所反映的沉降量和內(nèi)力值在整個(gè)施工階段的變化趨勢(shì)與采用數(shù)值模擬的變化趨勢(shì)極為接近，證明了數(shù)值模擬方法可以比較可靠地描繪真實(shí)工況。但也可看出，數(shù)值模擬的沉降值和最大內(nèi)力數(shù)值都要大于對(duì)應(yīng)的量測(cè)出的沉降值和最大內(nèi)力數(shù)值，前者是因?yàn)殚_挖時(shí)的瞬時(shí)應(yīng)力釋放導(dǎo)致一部分的位移值沒(méi)有被記錄，而后者可能是因?yàn)槭┕み^(guò)程中的超挖導(dǎo)致初期支護(hù)厚度過(guò)大，以及測(cè)量誤差等原因。

圖7 不同施工步驟拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線

圖8 不同施工步驟支護(hù)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線

實(shí)踐證明，本工程的整個(gè)施工過(guò)程都比較順利，所采用的施工方案取得了良好的效果，未出現(xiàn)任何較大的險(xiǎn)情。整個(gè)施工過(guò)程中圍巖的變形、支護(hù)應(yīng)力等重要指標(biāo)沒(méi)有超出設(shè)計(jì)值，都保持在安全范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

1) 隧道施工中，采用分臺(tái)階法施工要優(yōu)于采用全斷面法，因?yàn)椴捎梅峙_(tái)階法施工效率更高、節(jié)約成本，圍巖壓力、支護(hù)內(nèi)力等都更小從而更加安全。

2) 隧道施工中，采用先開挖較淺埋側(cè)隧道的施工順序要優(yōu)于采用先開挖較深埋側(cè)隧道的施工順序，因?yàn)椴捎孟乳_挖較淺埋側(cè)隧道的施工順序所產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力和支護(hù)內(nèi)力都要偏小。

3) 在8種工序中，①工序要優(yōu)于其他工序，具體表現(xiàn)為：較深埋側(cè)與較淺埋側(cè)相比，可以產(chǎn)生更大的拱頂沉降量；支護(hù)和圍巖的最大壓應(yīng)力在整個(gè)施工階段的變化趨勢(shì)相近，都是在隧道開挖之后最大壓應(yīng)力增大，在支護(hù)完成之后最大壓應(yīng)力減??；二襯完成之后，圍巖的一部分應(yīng)力由初支轉(zhuǎn)移到二襯，初支的應(yīng)力減小。

4) 本工程的整個(gè)施工過(guò)程都比較順利，所采用的施工方案取得了良好的效果。

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