公路隧道洞口段兩種工法的施工力學分析

商 翔

(廈門中平公路勘察設計院有限公司 福建廈門 361008)

0 引言

隨著我國社會主義市場經濟的發(fā)展，公路隧道建設規(guī)模也越來越大，原來的小斷面、短距離隧道已遠遠不能滿足日漸增長的通行需求，大斷面、長距離公路隧道越來越多。大斷面隧道在設計時，應根據具體條件進行方案比選，進行全面的技術、經濟比較。大斷面隧道施工工序往往比較復雜，隧道圍巖的穩(wěn)定性與施工開挖方法、開挖順序、支護方式和支護時間有著密切的關系。正確分析隧道施工過程中的圍巖穩(wěn)定性，以及隧道施工對周圍巖體的影響范圍和程度，是保證隧道安全、快速、經濟施工的首要前提和必要條件。大斷面公路隧道由于跨度大、進洞時埋深較淺，開挖時具有較大風險，常采用環(huán)形導坑法和上下臺階法施工。

大輪山隧道為雙洞分離式雙線公路隧道，單洞凈跨度13.86m，凈洞高9.68m，淺埋段最小埋深6m～7m左右，為預測不同開挖方式對周圍環(huán)境影響，本文對其進行了三維彈塑性數值模擬，并形成結論，希冀能為今后的設計和施工提供參考支持。

1 工程概況

大輪山隧道起于廈門市同安區(qū)東山村西側，向東北方穿過大輪山，止于廈門市新安村，作為白云大道的關鍵節(jié)點，建成后將成為同安區(qū)西外環(huán)一條重要的交通通道。

隧道沿線無重要建構筑物，所處地層主要為散體狀、碎裂狀強風化花崗巖。巖體為軟巖，破碎，主要呈鑲嵌狀碎裂結構，局部為碎裂狀松散結構。圍巖基本質量指標[BQ]=117。圍巖等級定為Ⅴ級。上覆土層為散體狀強風化花崗巖、殘積砂質粘性土和素填土。

隧道范圍地下水類型主要為基巖裂隙潛水。穩(wěn)定水位埋深約3.40m～13.20m。

線路參數如表1所示。

表1 線路參數表

洞口段的隧道地質情況如圖1所示。擬采用上下臺階法和環(huán)形導坑法施工。

圖1 洞口段地質橫斷面圖

上下臺階法開挖時，上臺階長度一般控制在1～1.5倍洞徑以內，但必須在地層失去自穩(wěn)能力之前盡快開挖下臺階，支護后形成封閉結構，若地層較差，為了穩(wěn)定工作面，也可以輔以小導管超前支護等措施，詳見圖2a。

環(huán)形導坑法開挖時，上臺階取1倍洞徑左右環(huán)形開挖，留核心土。用系統(tǒng)小導管超前支護、預注漿穩(wěn)定工作面；用鋼筋網鋼拱架做初支；拱腳、墻腳設置鎖腳錨桿。從斷面開挖到初期支護、仰拱封閉不能超過10d，以確保地面沉降在可控范圍內，詳見圖2b。

(a)上下臺階法

(B)環(huán)形導坑法圖2 開挖工序示意圖

隧道主要支護參數如表2所示。

表2 支護參數表

2 數值模擬

2.1 模型介紹

建模計算采用midas GTS NX通用巖土有限元分析軟件實現。建立三維空間模型能夠較為真實地模擬開挖和支護過程，體現出各工序在空間上的安排，分析在不同施工過程中，隧道圍巖與支護結構的應力應變變化規(guī)律。

(1)由于隧道主要位于弱透水層和不透水層中，因此在計算時忽略地下水滲流的影響，模擬時采用水土合算方式考慮總應力。

(2)巖土特性按Druker-Prager準則考慮。

(3)對相關分析單元采用以下方式建模：

①錨桿采用植入式桁架單元模擬；

②將鋼拱架的彈性模量等效折算到噴混凝土模量中，用實體單元近似模擬；

③隧道二次襯砌采用實體單元模擬；

④初支、二襯同時施做，不考慮施工時的時間效應影響；

⑤土體采用實體單元模擬，巖體初始應力場不考慮構造應力，僅考慮其自重應力；

⑥超前支護的作用效應通過提高地層的c、φ值近似模擬[1]。

計算主要是對兩種常用施工工法進行比較，因此僅選取單線隧道進行分析。根據巖土理論和工程經驗，選取分析范圍為60m×105m×70m(長×寬×高)，隧道左右側和下側各保留3倍最大開挖尺寸，隧道走向取60m。計算初始自重應力和開挖效應時，左右邊界為受水平向位移約束的邊界，底部邊界為受垂直向位移約束的邊界，上部邊界為自由變形邊界。計算模型如圖3所示。

圖3 模型網格劃分圖

2.2 土層參數

隧道開挖涉及土層主要有散體狀強風化花崗巖⑥1、碎裂狀強風化花崗巖⑥2、中風化花崗巖⑦以及超前加固土體。模型中將土層簡化為水平層狀分布的彈塑性材料。參考地勘資料和相關文獻資料對土層和加固土體的參數取值[2]，取各土層參數如表3所示。

表3 地層參數表

2.3 計算結果

隧道開挖造成地面沉降和開挖影響區(qū)內土體應力重分布，本節(jié)主要提取地表沉降、圍巖穩(wěn)定性和塑性區(qū)范圍等方面的數據進行分析[3]?？紤]到模型邊界對結果的影響，計算結果取邊界效應影響之外的單元數據。

(1)地面沉降

上下臺階法施工時，地面豎向沉降量為90.3mm；環(huán)形導坑法施工時，地面豎向沉降量為63mm，較上下臺階法減少30.2%，能夠較好地控制對周邊環(huán)境的影響，如圖4所示。

(a)上下臺階法 (b)環(huán)形導坑法圖4 地面沉降云圖

(2)圍巖穩(wěn)定性

上下臺階法施工時，拱頂豎向沉降量為102.5mm；環(huán)形導坑法施工時，拱頂豎向沉降量為74.5mm，較上下臺階法減少27.3%，對圍巖穩(wěn)定有明顯優(yōu)勢，如圖5所示。

(a)上下臺階法 (b)環(huán)形導坑法圖5 拱頂沉降云圖

(3)塑性區(qū)范圍

取開挖50m處斷面進行分析，環(huán)形導坑法施工時洞周的塑性區(qū)范圍比上下臺階法小，對圍巖的擾動較小，圍巖穩(wěn)定性更高，如圖6所示。

(a)上下臺階法 (b)環(huán)形導坑法圖6 塑性區(qū)范圍圖

根據上述數值分析結果，可知環(huán)形導坑法對變形的控制較好，主要原因為：①一次開挖面積較小，圍巖松弛區(qū)域較小，圍巖和周邊變形較小。②核心土對掌子面的反壓作用。

3 結論

(1)計算結果表明，對于隧道洞口段兩種常用的施工工法都能保證施工安全。

(2)上下臺階法的關鍵工序，是臺階的距離控制和斷面的及時閉合。為了控制變形，應縮短上下臺階距離，開挖完成后立即施工初支，將圍護結構盡快閉合成環(huán)。但臺階距離過短，又將增加施工工序，降低施工速度。

(3)環(huán)形導坑法的關鍵工序，即核心土的開挖時機。過早開挖核心土，圍巖還未穩(wěn)定，將導致過大變形。施工時應加強支護，及時測量圍巖變形情況，待圍巖變形趨于穩(wěn)定后再對核心土進行開挖施工。

(4)環(huán)形導坑法能夠較好地控制地面沉降，降低對周邊環(huán)境影響，有效控制圍巖變形，但開挖步序較多，對圍巖多次擾動，實際封閉斷面時間較長；上下臺階法施工工序簡單，步序少，斷面封閉較快，但對沉降控制不如環(huán)形導坑法。

(5)從縮短工期和經濟性角度看，上下臺階法具有一定優(yōu)勢，從安全性、對周邊環(huán)境影響方面看，環(huán)形導坑法更佳。施工時應根據圍巖情況，結合超前地質預報和現場監(jiān)測情況，選擇合適開挖方式。

參考文獻

[1] 吉小明,石明霞.淺埋暗挖隧道圍巖預加固機理及穩(wěn)定性分析[J].現代隧道技術,2008,238-243.

[2] 吳波,高波,駱建軍.地鐵區(qū)間隧道水平旋噴預加固效果數值模擬[J].西南交通大學學報,20004,39(5) ,605-608.

[3] 孔恒,王夢恕,姚海波,等.城市地鐵隧道工作面開挖的地層應力分布規(guī)律[J].巖石力學與工程學報,2005,24(3):485-489.