隧道穩(wěn)定性和施工優(yōu)化工藝

鄭燾宇

分析某公路工程隧道施工情況，選擇數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探討相向施工時(shí)針對(duì)隧道圍巖出現(xiàn)變形、塑性區(qū)圍巖擴(kuò)展情況，提出相應(yīng)的支護(hù)對(duì)策。結(jié)果發(fā)現(xiàn)減小兩側(cè)掌子面的間距，會(huì)降低圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)加強(qiáng)巖體的變形程度。如掌子面小于20M，要及時(shí)停止掌子面的施工，采取改超前小導(dǎo)管支護(hù)結(jié)合超前全斷面帷幕注漿的支護(hù)方法，從而保證隧道的穩(wěn)定性。

隨著我國(guó)公路工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道施工情況也逐漸出現(xiàn)各種巖體碎裂情況。為了保證工程施工進(jìn)度，隧道工程施工中普遍采取相向開挖的方式，但是在臨近貫通部分很容易出現(xiàn)擾動(dòng)疊加情況，從而擴(kuò)大巖體節(jié)理碎裂情況，造成掌子面出現(xiàn)拱頂塌落或是滑塌情況。而且目前關(guān)于隧道施工的穩(wěn)定性和施工的優(yōu)化都還存在很大問題，所以，本文將會(huì)針對(duì)某公路工程隧道施工采取相向施工情況，根據(jù)圍巖變形的情況和應(yīng)力分布特點(diǎn)，采取更加優(yōu)化的支護(hù)控制對(duì)策，為淺埋隧道復(fù)雜地址相向施工提供一定的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 工況概述

某公路工程項(xiàng)目，線路往東南方向布設(shè)，起訖粧號(hào)K53+900?K57+825，路線長(zhǎng)3.925km，其中特大橋721.2m/0.5座、大橋908.6m/2座、隧道1313.5m/3座、主線涵洞4道，設(shè)樞紐互通式立交1處（匝道橋7座、圓管涵1道），路基挖土石方941260m3、填筑土石方824713m3。工程于2012年7月20日開工、2014年7月19日竣工。

該項(xiàng)目隧道工程施工范圍節(jié)理圍巖裂隙發(fā)育，自身穩(wěn)定性很強(qiáng)，而且工期緊張、工程量比較大，該隧道是整個(gè)工程的全線貫通拉通架梁通道的重點(diǎn)，也是減少施工工程周期的重要部分。一般為了縮短工期，都是采取兩端相向的方式進(jìn)行施工，支護(hù)方案是臨近貫通和普通段支護(hù)兩種方式。

1.1 臨近貫通段支護(hù)方式

在臨近隧道相向貫通施工中，隨著施工的繼續(xù)，向量施工兩側(cè)掌子面距離會(huì)逐漸尖端，出現(xiàn)隧道擾動(dòng)疊加情況，這是產(chǎn)生的變形應(yīng)力也會(huì)變大，所以，需要加強(qiáng)該部分的支護(hù)強(qiáng)度，從而保證兩端掌子面土體的穩(wěn)定性，這里選擇拱頂超前小導(dǎo)管支護(hù)+全斷面超前注漿帷幕結(jié)合的方式，見圖1。

具體加固參數(shù)是：

（1）臨近貫通段選擇42超前小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5m，外插角是15，排距是2m，環(huán)距是0.4m，這樣可以加強(qiáng)上方拱頂土體的剛度；

（2）選擇掌子面超前全斷面帷幕注漿技術(shù)在臨近貫通部分，掌子面注漿范圍前方是8m范圍，掌子面施工主要是針對(duì)裂縫填充為主，這樣可以避免在開挖隧道中出現(xiàn)臨近貫通部分室溫滑移情況。

對(duì)該項(xiàng)目隧道施工采取兩邊相向隧道施工，一般在施工中兩端掌子面相距較遠(yuǎn)的情況下，采取普通段支護(hù)方式。如果是兩端臨近貫通掌子面疊加施工，會(huì)產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)，也會(huì)擴(kuò)大中間巖柱體原來的裂隙，隨著變形的掌子面不斷擴(kuò)大，選擇臨近貫通段方式進(jìn)行支護(hù)非常方便。為了明確相向施工隧道掌子面在什么距離可以采取臨近通斷支護(hù)方法，這里需要對(duì)不同掌子面距離進(jìn)行模擬，從而保證實(shí)際施工的穩(wěn)定性。

1.2 普通段支護(hù)方式

該項(xiàng)目隧道是單線單洞馬蹄斷面，高是6.7m，跨度是5.8m，這里選擇礦山法臺(tái)階法進(jìn)行施工，支護(hù)選擇錨噴、復(fù)合式結(jié)構(gòu)襯砌。因?yàn)樵摬糠炙淼儡娛鹿?jié)理發(fā)育，很容易出現(xiàn)碎裂情況，需要做好之后。根據(jù)該隧道的斷面情況和地質(zhì)特征可以明確選擇普通的支護(hù)方式：初期選擇錨噴網(wǎng)支護(hù)的方式，混凝土C25噴射土厚是250mm；全場(chǎng)選擇粘結(jié)性錨桿砂漿，布置成梅花形1.2m×l.2m，長(zhǎng)度是2.5m；選擇防水鋼筋C45混凝土進(jìn)行二次襯砌，對(duì)模板整體臺(tái)車進(jìn)行淺筑，厚度是300mm。支護(hù)方式如圖1（a）。

2 相向施工穩(wěn)定性控制數(shù)值分析

2.1 分析計(jì)算工況

進(jìn)行向量臨近隧道貫通施工，會(huì)隨著掌子面施工長(zhǎng)度的增加，兩端施工掌子面擾動(dòng)會(huì)出現(xiàn)疊加，這會(huì)給圍巖穩(wěn)定造成更大的威脅，所以，在兩端掌子面快要接近的位置，需要采取有效對(duì)策，改變普通的支護(hù)方式，選擇臨近貫通段支護(hù)，需要先停止一端開挖工作，對(duì)另外一端進(jìn)行開挖。在實(shí)際施工中，可以采取不同距離施工，分別是5m，10m，20m，30m，40m，關(guān)于施工情況見表1。

在達(dá)到一定距離的工況后，需要停止一端隧道的開挖，另一端選擇貫通段臨近支護(hù)方法進(jìn)行開挖，同時(shí)也要注意圍巖隧道不同的施工情況下地表沉降、移場(chǎng)、重要隧道位置應(yīng)力分布和塑性圍巖區(qū)域的發(fā)展情況，明確最有的工況。

2.2 建立計(jì)算模塑

為了更好解決相向隧道施工疊加擾動(dòng)情況，這里需要針對(duì)隧道建立長(zhǎng)型縱向數(shù)值模型，隧道埋深是23M，模型尺寸是70m×l00m×60m。邊界模型上邊界是自由面，地面是豎向約束的周圍是被水平約束的。

圍巖隧道模型通過Mohr-Coulomb建立彈塑性數(shù)據(jù)分析，對(duì)于支護(hù)建設(shè)和二次襯砌情況需要建立實(shí)體單元，超前注漿支護(hù)和帷幕都要根據(jù)加固圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬，并建立錨桿cable相關(guān)單元。計(jì)算三維建立的模型見圖2.關(guān)于物理底層力學(xué)參數(shù)見表2.

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 分析塑性圍巖區(qū)

（1）建立隧道塑性取，主要是針對(duì)拱肩和拱腳的分布，因?yàn)檫@兩個(gè)位置初支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較集中，承載力較大（圖3），在受到這些力的影響后圍巖會(huì)出現(xiàn)大面積剪切塑性破壞情況，對(duì)于該部分需要做好支護(hù)，同時(shí)加固注漿。

（2）隨著兩側(cè)施工的掌子面長(zhǎng)度增大，圍巖塑性面積會(huì)逐漸減少，在距離小于20m后，拱腳和拱肩也可能會(huì)出現(xiàn)塑性剪切，這表明圍巖破裂會(huì)受到施工的影響變小，也就是說相向施工疊加情況不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生作用。

2.3.2分析圍巖位移場(chǎng)關(guān)于工況3和4隧道圍巖開挖為移云圖見圖4，從圖中可以看出：

（1）工況2掌子面兩側(cè)相距10m左右沉降最大量是27.48mm，而且已經(jīng)基本貫通拱頂變形，中間巖柱體卻因?yàn)閯×业臄_動(dòng)出現(xiàn)的變形，這表明選擇原來普通段的支護(hù)措施，很容易造成開挖面出現(xiàn)拱頂坍塌和失穩(wěn)情況。

（2）在臨近貫通處相向開挖隧道圍巖最大的位移是拱頂部位，拱底也出現(xiàn)了低鼓情況。

（3）在工況4中，兩側(cè)掌子面距離是30m，沉降量最大是10.45mm，相比工況2明顯減少了62%，巖柱體中間圍巖沒有出現(xiàn)連續(xù)性變形，這說明相向施工在這段距離中會(huì)造成巖體裂隙沒有貫通，這時(shí)可以選擇普通的支護(hù)方式。

2.3.4 分析關(guān)鍵隧道主應(yīng)力位置在隨著初支結(jié)構(gòu)中比較容易出現(xiàn)應(yīng)力過度集中的是拱腳、拱肩、拱頂和拱底4個(gè)位置，所以，這里選擇主應(yīng)力集中的4個(gè)位置，進(jìn)行初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征分析，主應(yīng)力最大分布情況，見圖5。

（1）在初支5種工況下主要的4個(gè)重要位置結(jié)構(gòu)最小和最大主應(yīng)力是壓應(yīng)力，拱腳位置和拱肩位置的應(yīng)力過于集中，拱腳和拱肩最大應(yīng)力、位置最小比其他位置要大，這表明隧道中碎裂巖層施工時(shí)，很容易出現(xiàn)初支結(jié)構(gòu)被破壞情況。

（2）工況2和工況1最小和最大主應(yīng)力比其他工況要大，這是因?yàn)閮蓚?cè)掌子面工況下距離比較接近，因?yàn)榀B加施工產(chǎn)生較強(qiáng)的劇烈擾動(dòng)，從而增加了初支的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，加快了圍巖的變形。

（3）初支工況主應(yīng)力3，4，5結(jié)構(gòu)的比較分布一致，再相向開挖隧道掌子面兩側(cè)距離如果大于20m，那么主應(yīng)力初支結(jié)構(gòu)為比較穩(wěn)定，也說明該距離超過20m，選擇普通段支護(hù)方式也是可行的。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析

根據(jù)上述分析，在京臺(tái)線建麗至閩侯高速公路（南平段）建設(shè)中采取上述的支護(hù)和開挖方式，在靠近貫通面現(xiàn)場(chǎng)兩幫、拱頂、拱底位置進(jìn)行2個(gè)月監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖6.根據(jù)圖6得到：

（1）初支開挖隧道不斷變形會(huì)結(jié)構(gòu)增大，基本會(huì)保持在25d后平穩(wěn)，兩側(cè)隧道的收斂性比較大，而拱頂沉降會(huì)減小，主要因?yàn)檫M(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿是拱頂部位在加固中出現(xiàn)碎裂情況，給其自穩(wěn)能力造成影響。

（2）60d后拱頂斷面沉降量逐漸在9mm量穩(wěn)定，收斂量是12.3m.底鼓量是2.4mm，這和模擬數(shù)值結(jié)構(gòu)相吻合，表示本文計(jì)算數(shù)值具有可行性。

對(duì)于隧道較長(zhǎng)的施工情況，如果地址比較復(fù)雜，而且在一定的工期內(nèi)可以選擇關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，采取兩邊相向施工，可以有效縮短施工工期。隨著施工相向隧道掌子面距離減少，圍巖的文性和變形成都會(huì)增加，這是需要加強(qiáng)支護(hù)保證安全。