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

趙原野

中交隧道局第四工程有限公司

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

趙原野

中交隧道局第四工程有限公司

為了淺埋軟弱圍巖大斷面隧道在施工的時(shí)候找到適合的施工方法，以某淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工為主要依托，采取數(shù)值模擬的方式，在其中建立淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工的力學(xué)模型，通過對(duì)隧道新的施工方法以及常用CRD、CD法、三臺(tái)階法等施工方式進(jìn)行深入比較，對(duì)動(dòng)態(tài)分部工法施工的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，并論證這種新的工法在工程施工中應(yīng)用的可行性。

數(shù)值模擬；淺埋軟弱；圍巖大斷面；隧道施工

近年來，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展迅速，隧道工程朝著大方向、長(zhǎng)方向發(fā)展，且長(zhǎng)隧道及大隧道建設(shè)本身就具有很大難度。尤其當(dāng)長(zhǎng)隧道和大隧道遇到淺埋大斷面或軟弱圍巖等情況時(shí)，使隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)大大加劇[1]?，F(xiàn)今，隧道施工使用的主要方法有CRD、CD法以及三臺(tái)階法。施工方法的科學(xué)與否直接關(guān)系到隧道施工的成敗，這也是隧道施工技術(shù)人員面臨的主要問題。

一、隧道常用的施工工法以及開挖工序

（一）CRD法

此法的主要施工工序有：對(duì)隧道左上1進(jìn)行開挖，并進(jìn)行支護(hù)；其次，對(duì)左中部2進(jìn)行開挖并進(jìn)行支護(hù)；再次，對(duì)左下部、右上部、右中部進(jìn)行開挖并進(jìn)行支部；最后對(duì)隧道右下部6進(jìn)行開挖，并對(duì)其中的臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行拆除，施作二次襯砌工作。

（二）CD法

該項(xiàng)工法的主要施工工序有：首先，對(duì)隧道左上部1進(jìn)行開挖并開展支護(hù)工作；其次，對(duì)隧道左中部2進(jìn)行開挖，并展開支護(hù)工作；第三，對(duì)左下部3開展開挖工作；第四，對(duì)隧道右上部4進(jìn)行開挖并展開支護(hù)工作；第五，對(duì)隧道右中部5開挖并進(jìn)行支部；第六，對(duì)隧道右下部6進(jìn)行開挖，并進(jìn)行支護(hù)；第七，對(duì)臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行拆除；第八，進(jìn)行仰拱施工后，進(jìn)行回填；最后，進(jìn)行二次襯砌工作。

（三）三臺(tái)階法

在利用這個(gè)方法時(shí)，其主要施工工序有：首先對(duì)隧道上臺(tái)階1進(jìn)行開挖并對(duì)其開展支護(hù)；其次，對(duì)隧道中臺(tái)階2進(jìn)行開挖并對(duì)其進(jìn)行支護(hù)；再次，對(duì)隧道下臺(tái)階3進(jìn)行開挖并開展支護(hù)；并對(duì)其實(shí)施仰拱施工，最后，開展二次襯砌施工[2]。

（四）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

主要的施工工序有：首先，對(duì)隧道左上導(dǎo)坑進(jìn)行開挖并進(jìn)行支護(hù)；其次，對(duì)左下導(dǎo)坑進(jìn)行開挖并進(jìn)行支護(hù)；再次，對(duì)隧道右上導(dǎo)坑、右下導(dǎo)坑進(jìn)行開挖并支護(hù)；最后對(duì)隧道中間上導(dǎo)坑、中間導(dǎo)坑中部以及中間導(dǎo)坑下部進(jìn)行開挖，拆除其中的臨時(shí)支護(hù)，并施作二次襯砌。而動(dòng)態(tài)分部開挖工法是將臺(tái)階法、CRD法進(jìn)行充分融合，并將隧道上臺(tái)階分為左右兩個(gè)部分，將中隔墻設(shè)置為直墻。其次，對(duì)隧道中臺(tái)階進(jìn)行開挖。最后，對(duì)隧道下臺(tái)階進(jìn)行開挖。

（五）動(dòng)態(tài)分部工法

隧道軟弱地層常用的施工方法除了CD法、CRD法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法之外，還有動(dòng)態(tài)分部工法。其核心內(nèi)容為：先將上臺(tái)階分成左、右兩個(gè)部分，并將中隔墻由以前的曲墻變?yōu)橹眽?，臨時(shí)仰拱及中臺(tái)階的中隔墻根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況適當(dāng)增設(shè)。該工法各工序間干擾少，操作簡(jiǎn)單、安全可靠，適合中、大型機(jī)械施工，實(shí)現(xiàn)了不均勻地層隧道施工工法的快速、便捷轉(zhuǎn)換，減少了臨時(shí)支護(hù)工程量，降低了投入經(jīng)濟(jì)成本，可極大降低工程造價(jià)。

二、數(shù)值計(jì)算分析

（一）計(jì)算模型與參數(shù)

在模型計(jì)算過程中，左右需分別取至隧道中線外40m，模型底部邊界應(yīng)取隧道底部30m范圍內(nèi)，上邊界可根據(jù)埋深的實(shí)際深度取到地表。模型左右邊界的實(shí)際設(shè)置水平都應(yīng)受到一定約束，下邊界則需要設(shè)置豎向約束，而上邊界不做要求。圍巖應(yīng)該采用平面單元進(jìn)行模擬，并對(duì)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行服從。在開展初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)、二次襯砌工作時(shí)，都應(yīng)利用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，并按照彈性材料進(jìn)行模擬。圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)參數(shù)都有具體要求。

（二）計(jì)算結(jié)果與分析

1.地表沉降

選用的施工工法不同，地表產(chǎn)生的最終沉降曲線規(guī)律也不同，其中最大沉降位置都是在隧道中線附近，在實(shí)際施工中需保持一致。施工工法不同，隧道開挖所引起的地表相同位置出現(xiàn)的沉降大小一般可滿足以下關(guān)系：三臺(tái)階施工法沉降最大，動(dòng)態(tài)分部施工工法產(chǎn)生的沉降最小，其余工法所產(chǎn)生的沉降在兩者之間。隧道中線具有相等距離時(shí)，施工工法不同所產(chǎn)生的地表沉降也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。一般來說，三臺(tái)階法在開展施工工作時(shí)，隧道兩側(cè)發(fā)生的地表沉降大致相等，兩側(cè)也呈現(xiàn)出基本對(duì)稱的特點(diǎn)。CD法以及CRD法在進(jìn)行施工的時(shí)候，隧道開挖側(cè)的沉降值相比較后開挖側(cè)的沉降值較小。而采用動(dòng)態(tài)分部工法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，所產(chǎn)生的沉降值剛好與CD法以及CRD法相反。因此，隧道開挖所導(dǎo)致地表出現(xiàn)沉降的規(guī)律與隧道施工的開挖時(shí)機(jī)以及施工工序有著顯著聯(lián)系。CD法、CRD法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法要想在施工的時(shí)候?qū)?yīng)力釋放進(jìn)行減小，需采用對(duì)隧道開挖跨度進(jìn)行縮小的方式來開展。而三臺(tái)階法主要是隧道縱深方向?qū)﹂_挖距離進(jìn)行縮小而使得應(yīng)力釋放得到減小。經(jīng)計(jì)算得出，對(duì)隧道開挖跨度進(jìn)行橫向縮小的工法所產(chǎn)生的地表沉降較小。這是因?yàn)榕R時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)自身具有一定剛度，其對(duì)圍巖產(chǎn)生的豎向變形進(jìn)行了約束，并對(duì)隧道圍巖變形發(fā)展產(chǎn)生了進(jìn)一步抑制?？偟膩碚f，就對(duì)地表沉降進(jìn)行控制的效果來看，動(dòng)態(tài)分部施工在這個(gè)過程中的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

2.洞內(nèi)位移

在工法不同的施工條件下，拱頂以及拱腰隨著隧道施工時(shí)所采用的工序沉降規(guī)律以及收斂規(guī)律都有一定差異。不同施工工法，隧道拱頂出現(xiàn)的沉降一般是三臺(tái)階法出現(xiàn)的沉降最大，而動(dòng)態(tài)分部施工時(shí)所產(chǎn)生的沉降最小，這與地表沉降發(fā)生的規(guī)律也是一致的。利用動(dòng)態(tài)分部工法進(jìn)行施工的時(shí)候，其產(chǎn)生的拱頂沉降值約達(dá)到隧道工法的一半左右，因此，動(dòng)態(tài)分部施工和對(duì)隧道橫向跨度進(jìn)行縮小可使隧道周邊發(fā)生的位移情況得到有效限制。

結(jié)語

從位移控制效果及其力學(xué)特點(diǎn)來看，在工程中實(shí)施動(dòng)態(tài)分部工法，可以使得地表變形以及隧道受力狀態(tài)被有效控制。在這種條件下，對(duì)于淺埋大斷面隧道來說，利用動(dòng)態(tài)分部工法進(jìn)行施工，所產(chǎn)生的可靠性更高，也可對(duì)隧道施工的實(shí)際安全進(jìn)行保證。

[1]陳秋南,王勤榮,謝小魚,李松.扁坦超大斷面小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性狀[J].公路交通科技,2012,09：89-94.

[2]田佳,劉軍,王改鵬.三臺(tái)階七步法在大斷面淺埋偏壓軟弱圍巖隧道中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2012,S1：85-89.