施工工法對(duì)下穿公路隧道的影響探究

但路昭，王東英，陳 偉，郭瓊?cè)A

(1.云南大永高速公路建設(shè)指揮部， 云南 大理 671000;2.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100000)

對(duì)于下穿既有公路或其他建筑物的隧道工程，施工工法的選擇對(duì)保障工程的順利實(shí)施至關(guān)重要[1-3]。當(dāng)前絕大多數(shù)研究著重于通過(guò)數(shù)值手段、針對(duì)特定工程、分析特定施工工法下隧道圍巖變形以及塑性區(qū)分布情況[4-5]。而下穿公路隧道工程的突出特點(diǎn)為，隧道修建過(guò)程中產(chǎn)生的地表沉降可能會(huì)造成既有公路的不均勻沉降，從而干擾既有公路的正常運(yùn)營(yíng)[6-10]。然而在這方面，相關(guān)的研究還不充分。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文以在建的某下穿公路隧道工程為依托，基于ABAQUS有限元分析軟件，分別就上下臺(tái)階法、CD法和CRD法，對(duì)下穿公路隧道的開(kāi)挖修建過(guò)程進(jìn)行有效模擬，通過(guò)分析隧道洞頂、底部及兩側(cè)腰等關(guān)鍵位置處的位移以及洞周圍巖的應(yīng)力、塑性區(qū)分布情況，對(duì)不同工法下圍巖的穩(wěn)定情況進(jìn)行分析，并通過(guò)對(duì)不同工法下地表沉降數(shù)值及沉降規(guī)律的分析，總結(jié)出不同施工工法下隧道修建對(duì)既有公路的影響，最后依據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果給出了合理的工程施工建議。本文研究結(jié)論對(duì)同類工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

在建的某隧道位于大理至賓川段，靠近大理市區(qū)，其空間地理位置如圖1所示。該隧道為一座分離式隧道，累計(jì)總長(zhǎng)1 434.56 m。隧道凈寬17.34 m，左右幅隧道凈距在28.21 m～29.00 m之間。該隧道為雙向六車道設(shè)計(jì)，路基寬度33.5 m，設(shè)計(jì)速度100 km/h，屬于超大斷面隧道。

圖1空間地理位置示意

尚需說(shuō)明的是，該隧道與大西公路近垂直相交(如圖2所示)，右幅隧道交叉點(diǎn)埋深14 m，左幅隧道交叉點(diǎn)埋深10 m，屬于近距離交叉工程。

圖2隧道與公路位置關(guān)系示意(單位：m)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，隧道選址范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯構(gòu)造形跡，且無(wú)大型河流過(guò)境。隧址區(qū)地層以二疊系玄武巖系為主，上覆人工填土、黏土，覆蓋層總厚度僅為10 m～14 m。地質(zhì)鉆孔揭示的數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

表1 巖層信息統(tǒng)計(jì)

2 施工工法比選

2.1 計(jì)算方案

2.1.1 計(jì)算模型

隧道與公路交叉段屬于控制性工程，因此選取交叉段作為研究對(duì)象。由于計(jì)算模型范圍的選取，既要保證計(jì)算結(jié)果滿足所需的精度，又要考慮計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。因而，計(jì)算模型的選取原則應(yīng)在保證計(jì)算精度的前提下盡可能減小計(jì)算范圍。參考類似工程的研究成果[11-12]，將計(jì)算范圍確定為：水平向?qū)?97 m，豎向高為60 m～65 m，兩洞凈距28 m。依據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，該模型取值范圍基本能消除邊界效應(yīng)影響，模型尺寸見(jiàn)圖3。

圖3平面數(shù)值計(jì)算模型示意圖(單位：m)

對(duì)應(yīng)的二維數(shù)值模型如圖4所示，自上至下依次為人工填土、黏土、全風(fēng)化玄武巖和強(qiáng)風(fēng)化玄武巖。巖土體及初襯、二襯均采用三角形或四邊形平面應(yīng)變單元，錨桿采用Truss單元，共計(jì)14 611個(gè)單元，6 605個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算時(shí)邊界條件為：兩側(cè)采用法向約束，底邊界采用固定約束，上表面自由。分析時(shí)假定巖土體、初襯、二襯均符合彈塑性本構(gòu)，并服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。巖土體力學(xué)參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取，支護(hù)參數(shù)則依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)賦值，具體材料力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

圖4有限元模型圖

表2 工程區(qū)巖土材料力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.1.2 施工工法簡(jiǎn)介

上下臺(tái)階法[13]、CD法[14]以及CRD法[15]是隧道施工中經(jīng)常采用的三種方法。其中上下臺(tái)階法是將整個(gè)隧洞斷面大致分為上下兩部分(或上中下三部分，其中第三部分相對(duì)較小)，并自上而下開(kāi)挖支護(hù)的方法。CD法是將整個(gè)斷面分成左右兩部分，開(kāi)挖完左側(cè)斷面，及時(shí)施做初襯及中間豎向鋼支撐，而后再開(kāi)挖右側(cè)斷面的施工方法。該方法多適用于地層較差或?qū)Φ孛娉两涤幸蟮乃淼拦こ獭６鳦RD法又稱交叉中隔壁法，是在CD法的基礎(chǔ)上將斷面進(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)部分開(kāi)挖的施工方法，研究結(jié)果表明，CRD法控制地面沉降的能力比CD法還好。數(shù)值分析時(shí)，采用三種施工方法對(duì)隧道進(jìn)行開(kāi)挖的模擬過(guò)程詳述如下：

(1) 上下臺(tái)階法(見(jiàn)圖5(a))：首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，而后進(jìn)行左幅隧道的開(kāi)挖與支護(hù)，最后進(jìn)行右側(cè)隧道的開(kāi)挖與支護(hù)。隧洞開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程為：開(kāi)挖上臺(tái)階①→施作上半斷面初期支護(hù)II→開(kāi)挖中臺(tái)階③→施作下半斷面初期支護(hù)IV→開(kāi)挖下臺(tái)階⑤→施作下半斷面初期支護(hù)VI→施作二次襯砌⑦。右幅隧道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程與左幅隧道相同，在此不再贅述。

(2) CD法(見(jiàn)圖5(b))：同上下臺(tái)階法雷同，首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，而后分別進(jìn)行左右側(cè)隧道的開(kāi)挖與支護(hù)。開(kāi)挖和支護(hù)的具體過(guò)程可總結(jié)為：開(kāi)挖左側(cè)①→施作左側(cè)斷面初期支護(hù)和臨時(shí)支撐II→開(kāi)挖右側(cè)③→施作右側(cè)斷面初期支護(hù)IV→去除臨時(shí)支撐并施作二次襯砌⑤。右幅隧道施工順序與左幅隧道類似。

(3) CRD法(見(jiàn)圖5(c))：同前兩種方法，首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，而后分別進(jìn)行左右側(cè)隧道的開(kāi)挖與支護(hù)。隧道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程可概括為：開(kāi)挖左側(cè)①→施作左側(cè)斷面初期支護(hù)和臨時(shí)支撐II→開(kāi)挖右側(cè)上部③→施作右側(cè)上部斷面初期支護(hù)和橫支撐IV→開(kāi)挖右側(cè)下部⑤→施作右側(cè)下部斷面初期支護(hù)VI→去除支撐并施作二次襯砌⑤。

圖5三種工法施工工序圖

需要指出的是，計(jì)算過(guò)程中采用空間應(yīng)力翻轉(zhuǎn)法對(duì)隧道在開(kāi)挖中應(yīng)力的釋放過(guò)程進(jìn)行了有效模擬。且認(rèn)為巖體開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的應(yīng)力釋放率為50%，初襯施作過(guò)程中圍巖應(yīng)力釋放率為50%。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 關(guān)鍵點(diǎn)位移對(duì)比分析

為評(píng)價(jià)不同工法施工對(duì)圍巖位移的影響，選取隧洞頂點(diǎn)、右側(cè)腰和底部中點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)(分別見(jiàn)圖6中1、2、3)，結(jié)合整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)巖體的位移分布情況，對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的變位規(guī)律進(jìn)行綜合分析。

圖6 數(shù)值分析關(guān)鍵點(diǎn)示意圖

圖7左幅隧道周邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化

不同施工工法下，左、右幅隧道關(guān)鍵點(diǎn)位移隨開(kāi)挖過(guò)程變化曲線分別見(jiàn)圖7、圖8， 隧道周邊圍巖位移分布規(guī)律見(jiàn)圖9。結(jié)合關(guān)鍵點(diǎn)位移變化曲線及圍巖位移分布圖，可以看出：

(1) 不同施工工法下圍巖位移發(fā)展存在共性，洞內(nèi)圍巖最大沉降均在洞頂1位置處，最大隆起值均位于拱底3處，洞腰2處產(chǎn)生較小沉降，且右幅隧道施工對(duì)左幅隧洞位移發(fā)展基本沒(méi)影響。

(2) 不同施工工法下，隧道洞頂沉降、洞底隆起的數(shù)值有所差異，上下臺(tái)階法施工產(chǎn)生的洞頂沉降值最大，為7 cm；CD法次之，為5.9 cm；CRD法最小，為5.25 cm。同樣地，對(duì)于底部隆起值，CRD法仍為最小的，為6 cm，而CD法和上下臺(tái)階法施工造成的洞底隆起值相差不大，均在8 cm左右。因而，從位移沉降以及底部隆起控制這兩點(diǎn)來(lái)看，CRD法相較于其他兩種工法更有優(yōu)勢(shì)。

圖8右幅隧道周邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化

2.2.2 圍巖應(yīng)力分布對(duì)比分析

硐室開(kāi)挖會(huì)打破巖土體天然的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力不同程度的釋放，而不同的開(kāi)挖方法也會(huì)影響圍巖體應(yīng)力的釋放規(guī)律和程度，因而有必要對(duì)比分析采用上述三種施工工法對(duì)硐室進(jìn)行開(kāi)挖后，圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律的差異?，F(xiàn)將采用不同工法對(duì)應(yīng)的圍巖的最大、最小主應(yīng)力分布規(guī)律整理如圖10、圖11所示。

圖9 不同施工工法的隧道周邊巖體位移分布圖(單位：m)

圖10 圍巖最大主應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

圖11圍巖最小主應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

從圖10、圖11中可以看出：采用不同施工工法開(kāi)挖硐室時(shí)，洞周圍巖的應(yīng)力分布數(shù)值及分布規(guī)律均有明顯差異：上下臺(tái)階法施工時(shí)洞周拉應(yīng)力集中于洞頂兩側(cè)和洞底位置，壓應(yīng)力集中在兩拱腳一定位置處，分布范圍較廣，數(shù)值較小。而CD法和CRD法施工時(shí)，壓應(yīng)力集中于兩拱腳點(diǎn)處，數(shù)值較大，應(yīng)力較集中。應(yīng)力數(shù)值及分布說(shuō)明，上下臺(tái)階法施工產(chǎn)生的塑性流動(dòng)較大，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力部分釋放。

需要指出的是，由于隧道埋設(shè)較淺，隧道圍巖承受的壓應(yīng)力都比較小。但考慮到隧道圍巖強(qiáng)度參數(shù)較低，應(yīng)重視應(yīng)力集中部位的支護(hù)與加固，避免因局部損傷引起硐室整體垮塌。

2.2.3 圍巖塑性區(qū)對(duì)比分析

塑性區(qū)的發(fā)展及分布情況是衡量圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)之一。當(dāng)圍巖因應(yīng)力調(diào)整處于較大、較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，很可能達(dá)到屈服極限進(jìn)入塑性狀態(tài)，當(dāng)較大范圍的巖土體都屈服后很可能因較大的塑性變形引起硐室垮塌。施工工法不同，圍巖塑性區(qū)發(fā)展及分布規(guī)律一般也會(huì)有較大差異，因此有必要對(duì)不同施工工法下圍巖塑性狀態(tài)進(jìn)行分析，從圍巖穩(wěn)定性角度遴選較為合適的施工工法。

不同工法下圍巖塑性區(qū)分布情況整理見(jiàn)圖12。從圖12中可以看出：不同施工工法下，硐室圍巖塑性區(qū)分布存在明顯差異：采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，除洞頂部分區(qū)域，洞周圍巖全部進(jìn)入塑性，塑性區(qū)由洞壁向外光滑過(guò)渡。而CD法相應(yīng)的圍巖，除洞左側(cè)部分巖體尚未進(jìn)入塑性區(qū)，其余全部進(jìn)入塑性。支撐部分和巖體接觸部位出現(xiàn)了等效塑形應(yīng)變集中區(qū)，最大等效塑性應(yīng)變達(dá)到0.262。CRD法塑性區(qū)分布同CD法類似，在中隔壁、橫隔板和圍巖接觸部位也出現(xiàn)了等效塑形應(yīng)變集中區(qū)，最大值為0.176。從左右幅隧洞塑性區(qū)分布還可以看出，不同施工工法下，右幅隧洞施工對(duì)左幅隧洞影響也存在差異：上下臺(tái)階法對(duì)應(yīng)的左右幅塑性區(qū)分布基本一致；CD法右側(cè)塑性區(qū)范圍略小于左側(cè)塑性區(qū)范圍；而CRD法左右幅隧洞塑性區(qū)分布范圍差異較明顯。這一規(guī)律進(jìn)一步說(shuō)明施工工法不同，圍巖塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律及分布存在差異，圍巖穩(wěn)定性也不相同。就塑性區(qū)分布范圍而言，CRD法施工圍巖相對(duì)較穩(wěn)定。

圖12圍巖塑性區(qū)分布情況

2.2.4 路面沉降對(duì)比分析

為了反映隧道開(kāi)挖過(guò)程對(duì)路面沉降的影響，對(duì)不同施工工法下路面沉降情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，相應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖13。從路面沉降圖13可以看出隧道的開(kāi)挖僅對(duì)其正上方路面變形有明顯影響，對(duì)遠(yuǎn)離洞徑范圍內(nèi)的地表變形影響不大，硐室開(kāi)挖后，地表沉降成W型分布。上下臺(tái)階法施工產(chǎn)生的路面沉降值最大，左右幅隧道開(kāi)挖完成后，路面最大沉降5.8 cm；采用CD法開(kāi)挖時(shí)，路面最大沉降為2.7 cm，而CRD法對(duì)應(yīng)的最大路面沉降為2.65 cm，與CD法相近。從硐室開(kāi)挖對(duì)既有公路的影響方面考慮，CRD法產(chǎn)生的路面沉降最小，相對(duì)較優(yōu)。

圖13不同工法下路面沉降統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

本文采用有限元方法分析了不同工法對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性以及既有公路的影響問(wèn)題，得到以下結(jié)論。

(1) 硐室開(kāi)挖引起的圍巖變形以頂部沉降和底部回彈變形為主。采用上下臺(tái)階法施工時(shí)，洞頂最大沉降為7 cm，洞底隆起值為8 cm；相較于上下臺(tái)階法，CD法、CRD法對(duì)應(yīng)的最大沉降分別減小17%和29%，因此CRD法對(duì)圍巖的變形控制效果較好。

(2) 不同施工工法下，硐室圍巖的塑性區(qū)分布存在些許差異。就塑性區(qū)分布范圍而言，CRD法施工圍巖相對(duì)較穩(wěn)定。

(3) 硐室開(kāi)挖使上方既有公路產(chǎn)生不均勻沉降，沉降最大值位于交叉位置。采用CD法和CRD法施工時(shí)，路面沉降相較于上下臺(tái)階法分別減小53%和54%。從硐室開(kāi)挖對(duì)既有公路的影響方面考慮，CRD法產(chǎn)生的路面沉降最小，相對(duì)較優(yōu)。

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