銑挖法隧道開挖步序路徑及其對(duì)圍巖擾動(dòng)響應(yīng)分析

白海峰,張博

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院， 遼寧 大連 116028)*

0 引言

銑挖法是隧道與地下工程掘進(jìn)工藝，該工藝的核心為采用銑挖掘進(jìn)機(jī)械進(jìn)行隧道掌子面的切削、鏟運(yùn)與出碴一體化作業(yè).與鉆爆法相比較，銑挖法對(duì)圍巖受力狀態(tài)更為合理，擾動(dòng)及變形響應(yīng)較小，該工藝具有使用靈活，掘進(jìn)效率較高并可與其他施工工藝結(jié)合運(yùn)用的特點(diǎn).

近年來，隨著銑挖法在國內(nèi)外隧道掘進(jìn)工程中的推廣應(yīng)用和工程實(shí)例的不斷積累，已經(jīng)在關(guān)鍵工藝和應(yīng)用條件等方面取得了相應(yīng)的技術(shù)成果.項(xiàng)志敏[1]等開發(fā)了懸臂掘進(jìn)機(jī)大斷面隧道銑挖施工工藝，提出銑挖法適用于抗壓強(qiáng)度小于10 MPa的節(jié)理發(fā)育圍巖，正面銑挖效率高于邊角銑挖效率.雷向峰[2]在分析掘進(jìn)效率和使用成本的基礎(chǔ)上，提出銑挖法適用于抗壓強(qiáng)度小于20 MPa的軟弱圍巖.董輝等[3]將鉆爆法和銑挖法相結(jié)合，既減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，又提高了掘進(jìn)效率.孫偉剛等[4]通過分析兩水隧道掘進(jìn)的安全、速度以及質(zhì)量控制等方面的問題，提出銑挖-鉆爆聯(lián)合掘進(jìn)工法為一種既經(jīng)濟(jì)又安全的施工方法.關(guān)則廉[5]結(jié)合廣州地鐵6號(hào)線東湖站戰(zhàn)前銑挖隧道的實(shí)際施工情況，提出銑挖隧道的質(zhì)量、安全優(yōu)于鉆爆法.漆泰岳[6]提出，影響懸臂式掘進(jìn)機(jī)銑挖效率的因素是圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度(σc)和裂隙間距(S)，并按照這兩項(xiàng)指標(biāo)將懸臂式掘進(jìn)機(jī)銑挖施工的適用性分為三級(jí).

目前，銑挖法隧道掘進(jìn)的工程實(shí)例較多，但對(duì)銑挖的步序路徑對(duì)圍堰擾動(dòng)效應(yīng)分析并不多見.本文在借鑒國內(nèi)外常用銑挖步序路徑的基礎(chǔ)上，結(jié)合大連濱海大道同香山莊段隧道銑挖掘進(jìn)實(shí)踐，利用有限差分軟件FLAC3D模擬，分析不同步序路徑條件下隧道圍巖的變形數(shù)據(jù)及其云圖，研究銑挖步序路徑對(duì)圍巖的擾動(dòng)響應(yīng)特征，確定適用于同香山莊隧道的最佳銑挖步序路徑，并為同類銑挖法隧道工程掘進(jìn)提供工藝參考.

1 銑挖步序路徑設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

大連濱海大道同香山莊段隧道為東端橋隧工程主線隧道中的一部分， 具體里程范圍為：WK2+180-WK2+380，共計(jì)200 m，為單向兩車道的城市公路隧道.該路段隧道工程地質(zhì)特征為：地表向下依次為素填土、全風(fēng)化板巖及強(qiáng)風(fēng)化板巖.隧道所處地層圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，采取銑挖法施工.

1.2 銑挖步序路徑設(shè)計(jì)

銑挖法是按一定順序漸次切削小范圍巖體(或圍巖)的掘進(jìn)方式，即銑挖作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)截割頭只能以切削方式作用于巖體，以旋轉(zhuǎn)截割實(shí)現(xiàn)掌子面局部開挖，隧道全斷面(或分部開挖斷面)掘進(jìn)應(yīng)按切削斷面不同部位巖體塊的先后順序和循環(huán)路徑實(shí)現(xiàn).這種銑挖掘進(jìn)過程可稱為銑挖步序路徑.銑挖作業(yè)的起始位置不同，銑挖方向不同，則銑挖步序路徑不同.理論上存在無數(shù)種銑挖步序路徑，在實(shí)際施工作業(yè)時(shí)也沒有明確規(guī)定，銑挖步序路徑多憑銑挖機(jī)司機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)而定.

參照國內(nèi)已有銑挖法施工的隧道案例，以同香山莊隧道為模型，將各案例銑挖步序路徑代入，總結(jié)為5種工況.開挖時(shí)，總體為先左后右，先上后下.不同工況，銑挖起始點(diǎn)位置有差異，懸臂式掘進(jìn)機(jī)銑挖的方向不同，進(jìn)尺空間的跨徑也不盡相同，圍巖受力必然不同.工況詳情如圖1所示.

(a)工況一(水平向右)(b)工況二(水平循環(huán))

(c)工況三(豎直向下) (d)工況四(環(huán)形)

(e))工況五(中槽)

2 數(shù)值模擬

2.1 銑挖作業(yè)模擬方法

考慮銑挖法獨(dú)特作業(yè)方式，采用梯度荷載釋放法來模擬銑挖施工.在數(shù)值模擬中，掘進(jìn)隧道相當(dāng)于“殺死”掘進(jìn)部分模擬巖體的單元.所謂梯度荷載釋放法，即根據(jù)隧道的實(shí)際施工方法，考慮掘進(jìn)機(jī)械的實(shí)際情況，分析隧道開挖進(jìn)尺深度，確定模型開挖時(shí)一次需要“殺死”的單元數(shù)量，并將此數(shù)量的單元視為一組，再將整個(gè)開挖部劃分為若干個(gè)組.每“殺死”一組單元就立即進(jìn)行荷載釋放模擬計(jì)算，計(jì)算到預(yù)定的收斂程度后才開始下一個(gè)循環(huán)，直至完成隧道開挖.

采用梯度荷載釋放法，可將原本一次性完全釋放的圍巖應(yīng)力，分步釋放出來，與銑挖工藝的掘進(jìn)過程相契合，提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度.而且通過此方法，可實(shí)現(xiàn)隧道開挖時(shí)不同銑挖步序路徑的模擬.如圖2所示，以常規(guī)模擬方式開挖，拱頂沉降5.598 cm，仰拱隆起5.454 cm，采取梯度荷載釋放法模擬，拱頂沉降減小2.67 cm，減少了將近一半，仰拱隆起減小1.31 cm，降低了約1/4.

(a)未采用梯度荷載釋

(b)采用梯度荷載釋

在同香山莊銑挖隧道工程中，施工采用的EBZ230型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，截割頭尺寸為976 mm×1 056 mm，接近1 m3，可以將模型開挖部全部切割為1 m3的小塊，每挖掉一小塊后即進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，釋放圍巖荷載.

2.2 計(jì)算模型與參數(shù)

為使模擬結(jié)果更加接近實(shí)際情況，提高模擬準(zhǔn)確度，本文采用同香山莊段隧道實(shí)際斷面.隧道為非規(guī)則圓形洞室，鑒于FLAC3D前處理能力較弱，利用CAD與ANSYS替代FLAC3D進(jìn)行模型的前處理工作.導(dǎo)出隧道斷面圖，先在CAD中將斷面分為1 m2的區(qū)域，逐個(gè)創(chuàng)建面域，再將其導(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按面域創(chuàng)建面，給每一個(gè)面附加相互不同的屬性，用以分組，利用ANSYS較為合理的單元?jiǎng)澐止δ軐?duì)模型進(jìn)行劃分單元，拉伸為體，最后導(dǎo)入到FLAC3D中，初步完成模型的建立，如圖3所示.

圖3 模型隧道前處理及分組

為減小模型邊界效應(yīng)，隧道兩側(cè)邊界取5倍洞徑，上邊界(計(jì)算模型中的+Z方向)為到地表距離，下邊界取(-Z方向)取5倍洞徑.隧道最大凈空高度10.2 m，最大跨度12.5 m，埋深41.25 m，模型總尺寸為120 m×97.5 m×20 m，隧道銑挖部劃分為118×20塊.模型如圖4所示：

圖4 計(jì)算模型

在本次模擬計(jì)算中，巖體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，襯砌采用shell單元模擬.計(jì)算參數(shù)如表1所示.

表1 巖體和材料的力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值分析

在隧道的拱頂，仰拱，左右邊墻位置布置變形觀察點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測.模擬隧道掘進(jìn)，完成貫通后導(dǎo)出數(shù)據(jù)，匯總整理5種步序路徑的變形數(shù)據(jù)，畫出變形曲線圖.在各圖中，縱軸為變形量，單位為mm，橫軸為隧道進(jìn)尺深度，單位為m.

3.1 各步序路徑豎直變形比較

隧道的拱頂沉降情況如圖5(a)所示，隧道拱頂沉降總體表現(xiàn)為隧道的兩個(gè)端口沉降量大，中間沉降小，入口位置處擾動(dòng)最大.各種工況的起始位置不相同，導(dǎo)致初始變形量互不相同，其中，豎直向下和中槽這兩種步序路徑銑挖起始點(diǎn)位置相對(duì)遠(yuǎn)離拱頂，起始沉降較低.豎直向下步序路徑和環(huán)形步序路徑拱頂沉降量相對(duì)較大.隧道的仰拱隆起情況如圖5(b)所示，隧道入口處仰拱隆起量最大，隨掘進(jìn)深度加深逐漸降低，在隧道近出口端變形加大.其中，環(huán)形步序路徑隆起最大，豎直向下步序路徑最小，中槽步序路徑與水平循環(huán)接近，較水平向右步序路徑變形小.

(a)拱頂沉降曲線

(b)仰拱隆起曲線

綜合分析隧道拱頂沉降曲線與仰拱隆起曲線，環(huán)形步序路徑對(duì)圍巖的豎向擾動(dòng)最大，豎直向下步序路徑沉降偏大，水平循環(huán)和水平向右步序路徑相近，中槽步序路徑擾動(dòng)最小.

3.2 各步序路徑水平變形比較

隧道的左邊墻水平偏移曲線如圖6(a)，在隧道入口處變形最大，隨進(jìn)尺加深逐漸減小.由于豎直向下步序路徑最先挖空左側(cè)，所以左邊墻偏移最大.環(huán)形偏移偏大，水平循環(huán)起始與水平向右步序路徑接近，偏移量相差逐漸增大，水平循環(huán)對(duì)圍巖的擾動(dòng)小于水平向右，中槽步序路徑偏移量處于兩者之間.隧道的右邊墻水平偏移曲線如圖6(b)所示，在隧道入口處變形最大，隨進(jìn)尺逐漸減小.其中，環(huán)形步序路徑偏移最大，豎直偏移最小，水平循環(huán)類似左邊墻，水平向右的變形量變小，兩者相差量減小，中槽步序路徑優(yōu)于前兩種步序路徑.

(a)左邊墻

(b)右邊墻

隧道的水平收斂曲線如圖7所示，總體表現(xiàn)為，在隧道進(jìn)口處變形最大，隨進(jìn)尺逐漸減小.其中環(huán)形步序路徑收斂值最大，水平循環(huán)與中槽收斂值最小.說明環(huán)形步序路徑對(duì)隧道圍巖的水平擾動(dòng)最大，水平循環(huán)與中槽步序路徑擾動(dòng)較小，其余居中.

圖7 凈空收斂曲線

拱頂?shù)乃狡魄闆r如圖8所示，從圖中可以看出，豎直向下步序路徑與環(huán)形步序路徑發(fā)生明顯偏移，這是由于受力不均衡造成的，其余三種受力較為均衡，拱頂水平偏移不明顯.由水平偏移曲線圖顯示可見，不同銑挖步序路徑導(dǎo)致隧道的水平變形差異較大.豎直向下銑挖步序路徑受力不平衡，隧道的水平變形，左邊墻偏移明顯偏大，右邊墻偏移明顯偏小，左右邊墻偏移不對(duì)稱，導(dǎo)致隧道中線偏移1.5 mm，但在允許范圍內(nèi)，環(huán)形步序路徑也會(huì)導(dǎo)致偏移，偏移量較豎直略小.環(huán)形開挖的凈空收斂最大，說明其水平擾動(dòng)最大.剩余三種步序路徑水平受力較為平衡，其中，水平循環(huán)與中槽步序路徑接近，比水平向右步序路徑小.

圖8 拱頂水平偏移曲線

5 結(jié)論

(1)銑挖法可有效減小隧道施工對(duì)圍巖擾動(dòng)，改善隧道挖掘的受力狀況，降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)，適用于對(duì)隧道沉降、變形有嚴(yán)格控制要求的低圍巖強(qiáng)度隧道；

(2)豎直方向，豎直向下步序路徑的沉降偏大，但可抑制仰拱隆起，可以用于改善仰拱隆起；水平方向，豎直向下步序路徑受力最不均衡，中線偏移，左右循環(huán)步序路徑和中槽步序路徑受力均衡，環(huán)形步序路徑的凈空收斂值最大；

(3)中槽和水平循環(huán)銑挖步序路徑的隧道各變形數(shù)據(jù)曲線中都較為優(yōu)秀，但由于中槽步序路徑施工過程較為復(fù)雜.本項(xiàng)目適合采用左右循環(huán)步序路徑.