基于牛寨山大跨度隧道施工方法優(yōu)化分析

■程 怡 王 鳳 陳建飛 黃學(xué)漾

(1.陽光學(xué)院土木工程學(xué)院，福州 350015；2.福建省建筑科學(xué)研究院，福州 350025）

基于牛寨山大跨度隧道施工方法優(yōu)化分析

■程 怡1王 鳳1陳建飛1黃學(xué)漾2

(1.陽光學(xué)院土木工程學(xué)院，福州 350015；2.福建省建筑科學(xué)研究院，福州 350025）

本文以金井灣大道牛寨山隧道為工程背景，基于精細(xì)化有限元模型，模擬了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與上斷面導(dǎo)坑法兩種隧道開挖方法，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析，分析結(jié)果表明：兩種開挖方法臨時(shí)支承的內(nèi)力相差不大，承載能力均滿足要求；上斷面導(dǎo)坑法拱腳處彎矩較大承載力不滿足要求，而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然承載力滿足要求，但工期過長(zhǎng)；通過在左上導(dǎo)坑與右上導(dǎo)坑分別增加一道豎撐的優(yōu)化方法，可使上斷面導(dǎo)坑法承載力滿足要求；故可使用優(yōu)化后的上斷面導(dǎo)坑法進(jìn)行工程背景隧道開挖。本文所述的基于有限元分析的隧道開挖方法比選方式可為其他類似工程提供借鑒作用。

大跨度隧道 有限元模型 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法 上斷面導(dǎo)坑法 優(yōu)化分析

1 引言

近年來，我國(guó)公路建設(shè)快速發(fā)展,公路不斷向山區(qū)延伸，公路隧道建設(shè)工程急劇增多，隧道工程設(shè)計(jì)水平和施工方法也不斷完善，大跨度隧道不斷涌現(xiàn)[1]。在大跨度隧道修建中，如何選擇正確的施工方法，以保證工程的安全建設(shè)和經(jīng)濟(jì)效益是一個(gè)非常重要的課題[1]。隧道在復(fù)雜條件下的施工是一個(gè)在時(shí)間和空間上根據(jù)實(shí)際工程條件，應(yīng)用合理的開挖方式和施工方法、選取合理的支護(hù)參數(shù)和時(shí)機(jī)以保證洞室圍巖穩(wěn)定的過程。正確分析施工過程中圍巖的力學(xué)性態(tài)以及對(duì)隧道圍巖與支護(hù)體的相互作用進(jìn)行切合實(shí)際的研究，是保證復(fù)雜條件下隧道安全、快速、經(jīng)濟(jì)施工的首要前提和必要條件。

在大跨度隧道或者地下空間結(jié)構(gòu)開挖施工過程中，勢(shì)必會(huì)影響原有地形，改變結(jié)構(gòu)周圍土體的力學(xué)特性，導(dǎo)致地表發(fā)生沉降，嚴(yán)重影響周邊建筑物的安全。因此，合理的隧道開挖方法和輔助工法的選擇對(duì)維護(hù)地下工程中地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要作用[2-5]。上世紀(jì)70年代，Wittke[1]首先提出了地下隧道施工開挖步驟的概念；Dolezeloval[1]研究了施工順序?qū)Φ叵滤矶吹姆€(wěn)定性影響，指出不同的施工順序?qū)?dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果。近些年來三導(dǎo)洞法、臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等方法[1]被經(jīng)常用于大跨度隧道的開挖。在隧道開挖前需對(duì)不同的方法進(jìn)行方案比選，方可得到最佳的開挖方法。

基于此，以金井灣大跨度隧道為工程實(shí)例，通過數(shù)值模擬和對(duì)比分析，開展大跨度隧道施工開挖方法研究，對(duì)大跨度隧道在施工技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)突破與創(chuàng)新，為類似工程的方案比選提供借鑒作用。

2 工程概況

金井灣大道為平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū) “一環(huán)兩縱三橫”城市快速路及城市主干道系統(tǒng)中的東西向快速路。金井灣大道牛寨山隧道位于平潭城區(qū)西側(cè)，設(shè)計(jì)為分離式雙向八車道，單洞開挖寬度達(dá)21m。隧道進(jìn)口位于東壁村，出口位于紅山村。隧道北線(左線）總長(zhǎng)868m，南線(右線）總長(zhǎng)829m。建筑限界18×5m。隧道線平面位于直線及半徑2000m的圓曲線上，縱向均按雙向坡設(shè)計(jì)，坡度分別為+0.3%、-0.3%。進(jìn)出口洞門形式均為削竹式洞門。隧道采用燈光照明，機(jī)械通風(fēng)。隧道設(shè)車行橫洞一處，人行橫洞二處。

3 有限元數(shù)值模擬

在大跨度隧道開挖過程中通常采用分部開挖方法，如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、上斷面導(dǎo)坑法、臺(tái)階法等。采用分部開挖時(shí)，開挖方法的選擇會(huì)直接影響隧道圍巖的受力特性和變形。為分析不同的開挖方法對(duì)地表沉降、圍巖變形及圍巖塑性區(qū)的影響,通過有限元程序,結(jié)合工程實(shí)際針對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和上斷面導(dǎo)坑法進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.1 有限元模型

采用MIDASSOILWORS軟件進(jìn)行隧道開挖方法模擬，根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，選定的具體地層參數(shù)見表1。

表1 地層參數(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)按實(shí)際噴混凝土厚度取值，建立隧道總體模型，如圖1所示，細(xì)部模型如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)總體模型

圖2 隧道細(xì)部模型

3.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖為應(yīng)用較為廣泛的施工方法，施工技術(shù)成熟。其主要施工步序?yàn)椋涸鼗鶓?yīng)力分析→左上導(dǎo)坑→左下導(dǎo)坑→右上導(dǎo)坑→右下導(dǎo)坑→中上導(dǎo)坑→中下導(dǎo)坑→拆除中隔墻，每一導(dǎo)坑分別完成開挖、初噴、硬化三個(gè)工序，如圖3所示。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖示意圖

通過初步分析，如圖4、5、6所示，隧道永久初期支護(hù)內(nèi)力滿足要求。臨時(shí)初期支護(hù)主要針對(duì)彎矩產(chǎn)生的大偏心破壞，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在左下導(dǎo)坑硬化和中下導(dǎo)坑硬化兩個(gè)關(guān)鍵步序中，危險(xiǎn)截面內(nèi)力組合(彎矩，軸力）分別為 90.9kN·m，202.1kN 和 84kN·m，785kN。 上述內(nèi)力為每延米臨時(shí)初期支護(hù)截面，即1m寬，0.2m厚C25混凝土截面與兩根工16組合截面承受的內(nèi)力，通過型鋼組合截面計(jì)算，截面強(qiáng)度滿足要求，但V級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖施工工序較多，施工進(jìn)度較慢。

圖4 左下導(dǎo)坑硬化步序內(nèi)力圖(雙側(cè)壁導(dǎo)坑法）

圖5 中下導(dǎo)坑硬化步序內(nèi)力圖(雙側(cè)壁導(dǎo)坑法）

圖6 拆除中隔墻步序內(nèi)力圖(雙側(cè)壁導(dǎo)坑法）

3.3 上斷面導(dǎo)坑法

V級(jí)圍巖采用上斷面導(dǎo)坑法，施工步序?yàn)椋涸鼗鶓?yīng)力分析→左上導(dǎo)坑→右上導(dǎo)坑→中上導(dǎo)坑→左下導(dǎo)坑→右下導(dǎo)坑→中下導(dǎo)坑→拆除中隔墻，每一導(dǎo)坑分別完成開挖、初噴、硬化三個(gè)工序，如圖7所示。該工法施工進(jìn)度較快，但在四車道隧道中可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)較少。

圖7 上斷面導(dǎo)坑法開挖示意圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如圖8、9、10所示，在中下硬化步序和拆除內(nèi)撐步序中，內(nèi)力結(jié)果與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相差無幾，截面滿足強(qiáng)度要求。但在中上硬化步序中，危險(xiǎn)截面內(nèi)力組合(彎矩，軸力）為 171.6kN·m、23kN，已經(jīng)超過臨時(shí)初支型鋼組合截面能夠承受的內(nèi)力。因此該方法雖可大大縮短工期，但其承載能力不能滿足安全施工要求。

圖8 中上導(dǎo)坑硬化步序內(nèi)力圖(上斷面導(dǎo)坑法）

圖9 中下導(dǎo)坑硬化步序內(nèi)力圖(上斷面導(dǎo)坑法）

3.4 上斷面導(dǎo)坑法優(yōu)化

如圖8所示，上斷面導(dǎo)坑法在上部三個(gè)導(dǎo)洞開挖完成后，拱腳處出現(xiàn)的彎矩較大、軸力較小，承載力不滿足要求，其主要原因是由于拱的矢跨比太小，造成拱腳應(yīng)力過大。若采用上斷面導(dǎo)坑法需采取加強(qiáng)措施，即在左上導(dǎo)坑與右上導(dǎo)坑分別增加一道型鋼豎撐以消減拱腳處彎矩，保證施工安全，如圖11所示。

圖10 拆除中隔墻步序內(nèi)力圖(上斷面導(dǎo)坑法）

圖11 上斷面導(dǎo)坑法優(yōu)化方案

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如圖12、13、14所示，優(yōu)化后的上斷面導(dǎo)坑法在中下硬化步序、拆除中隔墻步序中，內(nèi)力結(jié)果均較小，截面滿足強(qiáng)度要求。在中上硬化步序，因左上導(dǎo)坑與右上導(dǎo)坑均增加了一道豎撐，危險(xiǎn)截面內(nèi)力組合(彎矩，軸力）由原上斷面導(dǎo)坑法的171.6kN·m，23kN優(yōu)化為106.4kN·m，147kN，彎矩降低，軸力增大，截面強(qiáng)度滿足要求。且其工期大大短于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，因此可采用優(yōu)化后的上斷面導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。

4 結(jié)論

通過計(jì)算分析，在V級(jí)圍巖大跨度隧道中采用導(dǎo)坑法施工時(shí)，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和上斷面導(dǎo)坑法中的永久支撐在拆除臨時(shí)支撐后彎矩均較小，承載力均滿足要求，六個(gè)導(dǎo)洞均開挖完后，兩種開挖方法臨時(shí)支撐的內(nèi)力相差不大，承載力均能滿足要求；

圖12 中上導(dǎo)坑硬化步序內(nèi)力圖(優(yōu)化后的上斷面導(dǎo)坑法）

圖13 中下導(dǎo)坑硬化步序內(nèi)力圖(優(yōu)化后的上斷面導(dǎo)坑法）

(2）上斷面導(dǎo)坑法在上部三個(gè)導(dǎo)洞開挖完成后，拱腳處的彎矩較大、軸力較小，承載力不滿足要求，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在開挖過程中避免了過小的拱矢跨比出現(xiàn)，因此拱腳彎矩較小，同時(shí)因雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時(shí)支撐的不利位置在于豎向支撐，而豎向支撐存在較大軸力，當(dāng)彎矩造成大偏心破壞情況時(shí)，軸力是有利的，然而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工進(jìn)度較慢，難以滿足工期要求；

圖14 拆除中隔墻步序內(nèi)力圖(優(yōu)化后的上斷面導(dǎo)坑法）

(3）考慮到工期要求，可采用優(yōu)化后的上斷面導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，即在左上導(dǎo)坑與右上導(dǎo)坑分別增加一道豎撐，以消減拱腳處彎矩，保證施工安全。

[1]鄧寄生,許人平,吳從師,丁祖德,王憲.大跨度隧道施工方法探討[J].公路與汽運(yùn),2007,(6）:140-143.

[2]王華寧,曹志遠(yuǎn).巖體施工過程損傷演化預(yù)測(cè)的時(shí)變力學(xué)分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2002,19(4）:134-139.

[3]喻渝,趙東平,曾滿元，等.客運(yùn)專線超大斷面隧道施工過程三維力學(xué)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2005,42(4）:20-24.

[4]張志強(qiáng),何川.連拱隧道中隔墻設(shè)計(jì)與施工力學(xué)行為研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(8）:1632-1638.

[5]丁文其,王曉形,李志剛，等.龍山淺埋大跨度連拱隧道施工方案優(yōu)化分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(22）:4042-4047.

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JAT160627）