軟巖地區(qū)大斷面隧道開挖方式比選分析

■劉 剛

(山西路橋集團晉南項目管理有限公司，太原 030000)

0 引言

隧道建設(shè)過程中，不可避免的要穿越軟巖地區(qū)，這對于隧道施工增加了挑戰(zhàn)，尤其對于大斷面隧道開挖，合理的施工方法意義重大[1-2]。目前來說，隧道開挖的方法有很多種，其中三臺階預(yù)留核心土法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法作為常用的公路隧道的施工方式，應(yīng)用非常廣泛[3-5]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對不同施工方法下隧道開挖穩(wěn)定作了大量研究，例如，李云剛[6]運用FLAC3D有限差分軟件,對淺埋暗挖隧道施工工法比選進行數(shù)值分析，得到了各方案的施工特點；王偉鋒等人[7]對全斷面法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行模擬，分析了各工法下地表沉降和塑性區(qū)的變化特點，得出一些有意義的結(jié)論。本文主要以某隧道為例，從位移和受力方面對三臺階預(yù)留核心土法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種方法進行了比較，以期為施工方案選取提供參考。

1 工程概況

某隧道為分離式隧道，設(shè)計南線NK0+138～NK1+070，長度 932m；北線 BK0+140～BK1+085，長度 945m，平均長度為938.5m。隧道南線縱坡大多為2.48%的單向上坡，隧道右洞縱坡大多為2.42%的單向上坡，橫坡均為1.5%，南線隧道平曲線半徑為610m，北線隧道平曲線半徑為603m，進出口洞門形式均為端墻式。隧道設(shè)計行車速度60km/h。如圖1所示，為隧道斷面尺寸及支護結(jié)構(gòu)圖，其中隧道開挖尺寸最寬為12.86m，最高為10.24m。

圖1 隧道斷面尺寸及支護結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

1.1 地形地貌

擬建隧道工程地面標(biāo)高最大值204.53m，最小值77.3m。場地所處地貌類型為丘陵。隧道區(qū)域內(nèi)的巖石風(fēng)化深度不大，主要是在中風(fēng)化-未風(fēng)化云母片巖巖體內(nèi)通過，在工作西部及東部沿溝谷分布，主要以粉質(zhì)粘土、素填土為主。含水層有第四系松散巖類孔隙潛水含水層、基巖風(fēng)化裂隙水含水層、構(gòu)造裂隙水含水層。

1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

隧道圍巖有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，其中Ⅲ、Ⅳ級圍巖占47.04%，Ⅴ級圍巖占52.96%。

表1 隧道圍巖類別及分布

1.3 施工方法

在南線NK0+289～NK0+339段圍巖等級為Ⅴ級，擬采用施工方法包括有兩種，即三臺階預(yù)留核心土法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，為了驗證兩種方法的優(yōu)越性，下文對兩種開挖方法分別建模進行分析。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立及材料參數(shù)

如圖2(a)所示，為隧道數(shù)值模型圖，考慮到隧道模型開挖影響范圍，建立模型時x軸(水平方向)取100m，y軸(隧道軸線方向)取 50m，z軸(豎直方向)取 60m，且隧道中心距離模型左邊界為50m，隧道頂部埋深為25m。如圖2(b)和2(c)所示，為三臺階預(yù)留核心土法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種開挖方式，具體開挖步驟分別為①～⑤和①～⑨。隧道采用錨桿、鋼筋網(wǎng)和工字鋼和噴射混凝土襯砌支護，鋼筋網(wǎng)和工字鋼支撐折合到混凝土襯砌支護上面。此外圍巖采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，襯砌采用shell結(jié)構(gòu)單元，錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元，襯砌厚度為250mm，錨桿采用全長注漿錨桿，長度為3.0m，具體布置方式見圖1。如表2和表3所示，為圍巖的力學(xué)參數(shù)和噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)。

圖2 隧道斷面及支護結(jié)構(gòu)圖

表2 巖體的物理力學(xué)指標(biāo)

表3 噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

如圖2所示，網(wǎng)格單元數(shù)目為56426個，為了考慮分步開挖，在建模過程中進行開挖步分組。此外，隧道周圍網(wǎng)格較為密集，遠離隧道時網(wǎng)格較為疏松，以此提高精度。除上邊界外，模型其它邊界均設(shè)有法向約束。模型開始計算時，需要先進行初始平衡，之后將初始位移和初始速度清零，然后進行分步開挖并設(shè)置監(jiān)測點，主要對南線NK0+292斷面進行監(jiān)測分析。如圖3所示，分別對6個點進行監(jiān)測，從上至下依次為拱頂、墻身、拱腳和拱底。

圖3 監(jiān)測點布置圖

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測點位移分析

隧道位移是反映隧道穩(wěn)定與否最為關(guān)鍵的因素，本節(jié)主要對拱頂沉降、拱底隆起、墻身收斂和拱腳收斂值進行分析。如圖4所示，為兩種開挖方式下拱頂沉降與開挖步關(guān)系圖，由圖可知，在20步之前，二者拱頂位移均變化較小，20步之后采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂開始沉降加速，最終在100步左右趨于平衡，拱頂沉降最大值為29.8mm；而對于三臺階預(yù)留核心土法，其在40步左右沉降開始增速，也在100步左右趨于穩(wěn)定，其拱頂沉降最大值為48.6mm。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法要比三臺階預(yù)留核心土法拱頂沉降減小38.7%，即前者控制位移效果更好。

圖4 兩種開挖方式下拱頂沉降與開挖步關(guān)系圖

如圖5所示，為兩種開挖方式下拱底隆起與開挖步關(guān)系圖，由圖可知，在20步之前，二者拱底位移均變化基本為零，20步之后采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂開始沉降加速，最終也在100步左右趨于平衡，拱底隆起最大值為9.1mm；而對于三臺階預(yù)留核心土法，其同樣在20步左右隆起開始增速，且增速較前者更快，在100步左右趨于穩(wěn)定，其拱底隆起最大值為14.3mm，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法要比三臺階預(yù)留核心土法拱底隆起減小36.4%，從位移控制角度來講，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法效果較好。

圖5 兩種開挖方式下拱底隆起與開挖步關(guān)系圖

如圖6所示，為兩種開挖方式下墻身收斂與開挖步關(guān)系圖，由圖可知，在60步之前，二者墻身收斂位移變化一致，60步之后采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法墻身收斂開始減緩，最終在100步左右趨于穩(wěn)定，最大值為35.2mm；而對于三臺階預(yù)留核心土法，其在60步之后增速仍不減，直至在80步左右趨于穩(wěn)定，其墻身收斂最大值為43.3mm，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法要比三臺階預(yù)留核心土法墻身收斂減小18.7%。

圖6 兩種開挖方式下墻身收斂與開挖步關(guān)系圖

如圖7所示，為兩種開挖方式下拱腳收斂與開挖步關(guān)系圖，由圖可知，在40步之前，二者拱腳收斂位移變化微小，40步之后采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱腳收斂開始增加，并在60步左右開始減速，最終在120步左右趨于穩(wěn)定，最大值為45.6mm；而對于三臺階預(yù)留核心土法，其在40步之后拱腳收斂開始增加，直至在100步左右趨于穩(wěn)定，其拱腳收斂最大值為41.2mm，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法要比三臺階預(yù)留核心土法拱腳收斂大9.7%。

圖7 兩種開挖方式下拱腳收斂與開挖步關(guān)系圖

如圖8所示，為兩種開挖方式下沿水平方向地表沉降，由圖可知，在研究截面上，開挖影響范圍主要集中在-40m～+40m，且呈現(xiàn)高斯曲線形狀，滿足Peck公式。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能有效減小地表位移，尤其在-20m～+20m范圍內(nèi)。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時地表最大沉降為7.8mm，而采用三臺階預(yù)留核心土法時地表最大沉降為17.2mm，即采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法要比三臺階預(yù)留核心土法地表最大沉降減小54.7%。

綜上所述，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，對于控制地表沉降、拱頂沉降和拱頂隆起發(fā)揮著明顯的作用，尤其對于大斷面隧道而言，控制地表沉降對于工程意義重大。而對于墻身收斂和拱腳收斂，兩者差別不大，均在20%之內(nèi)。對于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其相比于三臺階預(yù)留核心土法更占優(yōu)勢的原因是其盡可能借助于輔助施工方法或措施來化大為小、先拱后墻或先墻后拱，有效縮短了開挖面暴露時間，同時其由于是分步開挖，臨空面要小得多，因此開挖擾動較小，并且中隔壁作為臨時支撐，對于減小變形意義重大。

圖8 兩種開挖方式下沿水平方向地表沉降

3.2 支護結(jié)構(gòu)受力分析

圖9 兩種開挖方式下支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

分析支護結(jié)構(gòu)的受力狀況，能有效查明支護結(jié)構(gòu)的性能發(fā)揮，如圖9所示，為兩種開挖方式下支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖，對于二者來說，拱頂周圍均受受拉，在拱腳和拱底部位均受壓，對于三臺階預(yù)留核心土法，其最大拉應(yīng)力發(fā)生在拱頂，最大值為1200kPa；對于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其最大拉應(yīng)力發(fā)生在拱肩，最大值為800kPa，且其拉應(yīng)力分布范圍較前者較寬。出現(xiàn)上述的原因是，對于三臺階預(yù)留核心土法，其預(yù)留核心土的開挖面積要比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法預(yù)留核心土的開挖面積大，此外，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是采用分部開挖，開挖后又及時施作了中隔壁支護，中隔壁承擔(dān)了部分初期壓應(yīng)力，所以最大拉應(yīng)力相對來說比較小，且分布較不集中，也說明采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法會使結(jié)構(gòu)受力比較合理。

4 結(jié)論

本文以某隧道為例，從位移和受力方面對三臺階預(yù)留核心土法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種方法進行了比較，得到以下結(jié)論：

(1)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法要比三臺階預(yù)留核心土法拱頂沉降、拱底隆起、地表沉降分別減小了38.7%、36.4%和54.7%，即前者控制位移效果更好。

(2)對于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其相比于三臺階預(yù)留核心土法更占優(yōu)勢的原因是其盡可能借助于輔助施工方法或措施來化大為小、先拱后墻或先墻后拱，有效縮短了開挖面暴露時間，同時其由于是分步開挖，臨空面要小得多，因此開挖擾動較小，并且中隔壁作為臨時支撐，對于減小變形意義重大。

(3)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是采用分部開挖，且中隔壁承擔(dān)了部分初期壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力相對來說比較小，且分布較不集中，也說明采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法會使結(jié)構(gòu)受力比較合理。