淺埋大跨小凈距公路隧道施工方法比選及變形控制研究

鄭廣順，崔帥帥，陳魯川

(1.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司建設(shè)管理分公司, 山東 濟(jì)南 250102; 2.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061; 3.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250102)

隨著社會(huì)的發(fā)展，交通體系亦呈現(xiàn)出了空前的發(fā)展，隨著高速公路運(yùn)輸能力的大幅度增加，我國(guó)正大力興建低山重丘公路隧道工程，隧道建設(shè)進(jìn)入到了 “大斷面化”時(shí)代[1-5]。在公路隧道的建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)了許許多多的問(wèn)題，大跨小凈距隧道施工便是其中一種具有代表性的問(wèn)題[6-9]。雖然隧道建設(shè)的形式多種多樣，但在一些地區(qū)，由于受地質(zhì)地形條件和施工條件限制，往往采用擴(kuò)大隧道凈空斷面的形式來(lái)增加行車(chē)車(chē)道，滿足交通客流量增加的行車(chē)需求[10-13]，從而出現(xiàn)了越來(lái)越多的淺埋大跨小凈距公路隧道。

目前針對(duì)淺埋大跨小凈距隧道施工問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者做了大量的研究。川田等[14]結(jié)合田真新鎮(zhèn)公路上的尾山大理隧道對(duì)小凈距隧道設(shè)計(jì)、開(kāi)挖方式進(jìn)行了系統(tǒng)研究。褚衍玉等[15]依托廣東省江羅高速大石嶺隧道工程項(xiàng)目，針對(duì)雙洞隧道在淺埋偏壓地形的施工條件下，模擬施工過(guò)程中后行動(dòng)與先行洞之間不同掌子面縱向間距對(duì)隧洞周?chē)鷰r體的應(yīng)力分布規(guī)律，得到了雙洞隧道施工中掌子面的合理縱向間距。曹成勇等[16]依托深圳市紅棉路隧道下穿高速公路施工，通過(guò)數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，對(duì)開(kāi)挖力學(xué)行為進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)加固措施。

本文依托濱萊高速公路淄博西至萊蕪段改擴(kuò)建工程中的樵嶺前隧道工程，基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)上下臺(tái)階法、CD法(中隔墻法)施工隧道變形及受力特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用情況，對(duì)比分析兩種工法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而提出了有效的變形控制措施。

1 工程概況

以山東省濱萊高速公路隧道改擴(kuò)建工程中的樵嶺前隧道為例，該隧道為雙向八車(chē)道分離式隧道，隧道凈距為20 m～30 m，左右線隧道斷面寬度均為20 m，隧道左線長(zhǎng)740 m，隧道右線長(zhǎng)695 m。在YK107+640—YK107+720段為淺埋段，最大埋深為25 m，最小埋深為10 m，大部分區(qū)域基巖埋深較淺，隧址區(qū)部分頂部基巖直接出露，風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，隧址區(qū)主要巖性為碎石土、灰?guī)r和弱風(fēng)化碎裂花崗巖，巖體破碎，頂板巖石厚度薄且破碎，層間結(jié)合較差。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和實(shí)際工程情況，本次數(shù)值模擬采用三維計(jì)算模型，隧道開(kāi)挖斷面寬度B=20 m，洞高H=13.4 m，隧道凈距L=25 m，隧道最大埋深h=30.0 m，隧道最小埋深h=11 m，并考慮到相關(guān)的尺寸效應(yīng)，模型的最終尺寸分別為：長(zhǎng)度為55 m，寬度為180 m，最大高度103 m，最小高度85 m，最終的數(shù)值模型與地質(zhì)分層情況如圖1所示。經(jīng)過(guò)有限元網(wǎng)絡(luò)劃分108 260個(gè)單元和114 784個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型自上而下的土層分別為：碎石土、灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

具體數(shù)值計(jì)算分析方法如下：

(1) 邊界條件：模型左右邊界、前后邊界法向方向位移約束，圍巖體頂部為自由面，底部邊界豎直方向位移約束。

(2) 開(kāi)挖方法：分別采用上下臺(tái)階法和CD法進(jìn)行開(kāi)挖，單次開(kāi)挖進(jìn)尺均為2.5 m。上下臺(tái)階法施工步驟如下：① 開(kāi)挖上臺(tái)階；② 施作上臺(tái)階初期支護(hù)；③ 開(kāi)挖下臺(tái)階；④ 施作下臺(tái)階初期支護(hù)；⑤ 整體澆筑二次襯砌。如圖2所示。

CD法施工步驟如下：① 開(kāi)挖左導(dǎo)坑上臺(tái)階；② 施作左導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)、臨時(shí)鋼拱架；③ 開(kāi)挖左導(dǎo)坑下臺(tái)階；④ 施作左導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)；⑤ 開(kāi)挖右導(dǎo)坑上臺(tái)階；⑥ 施作右導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)；⑦ 開(kāi)挖右導(dǎo)坑下臺(tái)階；⑧ 施作右導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)；⑨ 拆除臨時(shí)支護(hù)，整體澆筑二次襯砌。如圖3所示。

(3) 重力荷載均采用重力的方式施加，自重應(yīng)力的計(jì)算采用摩爾-庫(kù)侖模型。

(4) 隧道開(kāi)挖計(jì)算摩爾-庫(kù)侖模型，隧道支護(hù)計(jì)算采用彈性模型，采用C30混凝土支護(hù)，初期支護(hù)厚度25 cm。

2.3 材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告以及相應(yīng)數(shù)值模擬的經(jīng)驗(yàn)，巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)選取情況如表1所示。

表1 材料參數(shù)取值

2.4 數(shù)值計(jì)算可靠性分析

將數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比論證，左線里程號(hào)為ZK107+640、ZK107+660的拱頂沉降隨施工步的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬變化曲線分別如圖4、圖5所示，其中數(shù)值模擬中的施工步與實(shí)際工程開(kāi)挖時(shí)間嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。從圖4、圖5中可以看出數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相近，均是在開(kāi)挖進(jìn)行到埋設(shè)里程附近時(shí)，隧道拱頂沉降變化曲線驟降，隨著隧道開(kāi)挖掌子面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面，沉降曲線逐漸趨于平緩直至穩(wěn)定，且最大值在控制范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工安全產(chǎn)生影響，本文采用的數(shù)值計(jì)算方法接近實(shí)際工程，最大誤差為13.7%，在數(shù)值計(jì)算的誤差允許范圍內(nèi)，由此可知，其數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。

3 結(jié)果分析

3.1 施工比選

3.1.1 地表沉降

在里程號(hào)ZK107+680和YK107+680(即最淺埋深處)的地表設(shè)置特征點(diǎn)分析施工過(guò)程中的沉降，沿兩隧道中點(diǎn)向兩側(cè)等距設(shè)置10個(gè)地表觀測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)在不同工況下的地表下沉變形趨勢(shì)分別如圖6(a)、圖6(b)所示。從圖6中可以看出，兩種工況下的地表沉降趨勢(shì)相似，均是右洞地表下沉值平均大于左洞，同時(shí)后行右洞開(kāi)挖擾動(dòng)使得先行左洞地表下沉繼續(xù)增大，且隨著右線開(kāi)挖掌子面與觀測(cè)點(diǎn)的接近，曲線逐漸呈現(xiàn)出“W”形。上下臺(tái)階法施工下的地表最大沉降為6.1 mm，CD法施工下的地表最大沉降為4.5 mm，均發(fā)生在后行右洞中心線的正上方地表，且均為超過(guò)規(guī)范規(guī)定的限值，滿足施工要求。CD法施工產(chǎn)生的地表沉降最大值小于上下臺(tái)階法，其值為上下臺(tái)階法的74%，可見(jiàn)CD法施工對(duì)地表的擾動(dòng)影響比上下臺(tái)階法小。

3.1.2 拱頂沉降

在里程號(hào)ZK107+680(即最淺埋深處)設(shè)置特征點(diǎn)分析拱頂沉降，拱頂測(cè)點(diǎn)在不同工況下的沉降變形趨勢(shì)如圖7所示。從圖7中可以看出，上下臺(tái)階法開(kāi)挖與CD法開(kāi)挖效果相似，均是在開(kāi)挖進(jìn)行到埋設(shè)里程附近時(shí)，隧道拱頂沉降變化曲線驟降，隨著隧道開(kāi)挖掌子面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面，沉降曲線逐漸趨于平緩直至穩(wěn)定，且最大值在控制范圍內(nèi)，采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖至穩(wěn)定后，拱頂沉降為13.15 mm，CD法開(kāi)挖下最大位移為10.90 mm，其值為上下臺(tái)階法的84%，由此可見(jiàn)，在巖石深部的高應(yīng)力狀況下，采用CD法施工，可節(jié)約斷面封閉時(shí)間，有效地對(duì)控制圍巖變形。

3.1.3 圍巖應(yīng)力

選取分析特征部位的應(yīng)力值，如表2所示。由表可知，由于開(kāi)挖造成的應(yīng)力釋放效應(yīng)，左右線隧道拱頂處的豎向應(yīng)力會(huì)大幅度下降，左右線隧道拱腰處的豎向應(yīng)力會(huì)大幅度增加，從而造成中間圍巖處豎向應(yīng)力增大，開(kāi)挖完成后，會(huì)在左右線拱腰附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在施工中應(yīng)注意對(duì)相關(guān)部位的監(jiān)測(cè)，必要時(shí)對(duì)拱腰附近圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩種工法均能保證施工過(guò)程中圍巖自穩(wěn)，但CD法開(kāi)挖下的圍巖應(yīng)力比上下臺(tái)階法開(kāi)挖下的圍巖應(yīng)力要小，較上下臺(tái)階法能更好地控制圍巖變形和應(yīng)力釋放。

表2 特征部位的豎向應(yīng)力 位：MPa

3.1.4 塑性區(qū)

兩種施工方法開(kāi)挖后至隧道圍巖穩(wěn)定后，特征斷面隧道圍巖塑性區(qū)分布情況如下：上下臺(tái)階法開(kāi)挖隧道四周的巖層均存在塑性區(qū)域，CD法施工下的拱頂處塑性區(qū)域顯著減小，采用CD法拱頂與仰拱處較上下臺(tái)階法穩(wěn)定。同時(shí)可以看出，由于右線隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的二次應(yīng)力，右線塑性區(qū)范圍較左線有所增大，所以在施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)隧道拱腰和拱腳附近圍巖的監(jiān)測(cè)，并對(duì)兩側(cè)圍巖和中夾巖柱采取加固措施，如適當(dāng)加厚襯砌、在拱腰和拱腳部位打錨桿。

3.1.5 施工方法比選

根據(jù)上下臺(tái)階法與CD法數(shù)值計(jì)算結(jié)果，將兩種施工方法的適用性特點(diǎn)列于表3，得到：

(1) 在控制隧道圍巖變形方面，CD法相對(duì)上下臺(tái)階法的控制效果最佳，CD法的初期支護(hù)與臨時(shí)支撐較好的控制了圍巖的變形。在控制圍巖塑性區(qū)方面，CD法較好地克服了上下臺(tái)階法開(kāi)挖拱頂處塑性區(qū)的發(fā)展，隧道拱頂處圍巖穩(wěn)定性得到了控制。

(2) 在隧道施工適用性方面，CD法能夠很好的控制圍巖變形，但施工工序比較復(fù)雜，臨時(shí)鋼支撐拆除比較困難，不利于對(duì)隧道施工工期與成本的控制。上下臺(tái)階法具有充足的施工空間與較快的施工進(jìn)度，增大了機(jī)械施工的效率且相對(duì)CD法降低了施工成本，但在淺埋隧道工程中，易產(chǎn)生隧道圍巖變形過(guò)大等問(wèn)題，而采用CD法可較好控制圍巖穩(wěn)定性。

表3 兩種工法的適用性特點(diǎn)

3.2 變形控制

隧道加固目的是提高隧道圍巖自穩(wěn)能力和增強(qiáng)隧道襯砌強(qiáng)度，目前主要加固措施有圍巖注漿、打設(shè)管棚法、錨桿錨固、邊墻加固、局部表面補(bǔ)強(qiáng)(如噴混凝土)等。隧道注漿通常有兩種：一種是超前注漿，即先注漿再開(kāi)挖；另一種是隧道襯砌產(chǎn)生變形再注漿。隧道圍巖注漿，一般采用水泥漿或砂漿，對(duì)一定范圍內(nèi)的隧道圍巖進(jìn)行注漿，使?jié){液充填在破碎、松散巖土體中，從而將破碎松散的巖土體固結(jié)起來(lái)，以提高圍巖的整體穩(wěn)定性。

本文研究了注漿工藝的各類參數(shù)在實(shí)際施工中對(duì)沉降控制效果。把實(shí)際工況作為基準(zhǔn)組，針對(duì)加固后圍巖強(qiáng)度、徑向預(yù)注漿范圍、注漿預(yù)留段長(zhǎng)度和軸向預(yù)注漿范圍四個(gè)方面，分別設(shè)置了4組對(duì)照進(jìn)行研究，對(duì)照組具體到的參數(shù)如表4所示。

以表4中所列參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以里程號(hào)ZK107+640、YK107+640所在斷面為例，將各工況地表沉降情況進(jìn)行匯總，如表5所示。

表4 對(duì)照組注漿參數(shù)

由表5可知，相比實(shí)際工況(對(duì)照組1)，對(duì)照組2、3、4中的變形均有所降低：(1) 其中通過(guò)增強(qiáng)注漿效果，對(duì)照組2(使加固后圍巖剛度為實(shí)際工況1.5倍)在模擬中表現(xiàn)出最好的加固效果，斷面地表沉降最大值為3.84 mm，相比于實(shí)際工況降低了42.8%，加固效果顯著提升；(2) 增加注漿預(yù)留段以及徑向注漿長(zhǎng)度對(duì)照組加固的效果相近，地表沉降最大值分別為5.43 mm、5.72 mm，相比實(shí)際工況降低了19.1%、14.8%，有效地提升了注漿加固效果?？傮w而言，增加徑向注漿長(zhǎng)度和增加預(yù)留段長(zhǎng)度等措施在實(shí)際工程中具有很高的操作性，同時(shí)加固效果也較好，尤其是增加注漿預(yù)留段長(zhǎng)度的措施，在實(shí)際施工中具有設(shè)計(jì)靈活、易于完成、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，適用于圍巖較差以及對(duì)變形控制要求較高的工程。

表5 不同注漿工況變形統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

依托樵嶺前隧道工程，基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)上下臺(tái)階法、CD法(中隔墻法)施工隧道變形及受力特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用情況，對(duì)比分析兩種工法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而提出了有效的變形控制措施，主要結(jié)論如下：

(1) CD法施工在控制地面沉降及圍巖變形方面優(yōu)于上下臺(tái)階法，且產(chǎn)生的圍巖塑性區(qū)較小，但兩種工法施工均能滿足圍巖及支護(hù)穩(wěn)定性的要求。

(2) 上下臺(tái)階法具有足夠的施工空間與較快的施工速度，增加了機(jī)械施工效率且相對(duì)CD法施工成本降低，但在淺埋隧道工程中易造成隧道圍巖變形過(guò)大等問(wèn)題，更多的是采用CD法。

(3) 注漿加固可以有效地提高圍巖的自穩(wěn)性，改變注漿壓力、延長(zhǎng)注漿時(shí)間等是提升注漿加固效果的最佳措施，但增加徑向注漿長(zhǎng)度以及預(yù)留段長(zhǎng)度等措施在實(shí)際工程中則具有較高的可操作性，同時(shí)也有較好的加固效果。