高速公路隧道開挖施工技術(shù)及控制策略分析

周順

摘要：文章以某高速公路隧道1#段開挖施工工程為例，利用有限元數(shù)值軟件MIDAS-GTS NX建立二維數(shù)值模型，分析采用上下臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法等施工技術(shù)開挖時(shí)，隧道淺埋段埋深1O m處圍巖襯砌的應(yīng)力變化、位移及塑性區(qū)分布情況，確定了三臺(tái)階預(yù)留核心土法為該工程較合理的開挖方式，為類似高速公路隧道淺開挖工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：高速公路;隧道開挖;淺埋暗挖;施工方法;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.024

文章編號(hào)：1673-4874（2019）07-0076-04

0引言

淺埋隧道的地質(zhì)條件較差，圍巖結(jié)構(gòu)松散且易受地下水影響，周邊圍巖無法有效地形成天然拱形，隧道洞室受周圍環(huán)境的影響極易產(chǎn)生變形。淺埋暗挖法是針對(duì)淺埋隧道地質(zhì)條件差、覆土層薄、承載力小、容易坍塌等特點(diǎn)提出的通過圍巖預(yù)加固并及時(shí)支護(hù)控制地面沉降，保證施工安全的施工方法。本文以某高速公路隧道為依托，通過二維數(shù)值模擬，分析采用上下臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法等施工技術(shù)開挖時(shí)隧道淺埋段埋深10m處圍巖襯砌的應(yīng)力變化、位移及塑性區(qū)分布，確定合理的開挖控制手段，為類似高速公路隧道淺開挖工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1工程概況

在某高速公路隧道的左側(cè)標(biāo)段ZK30+875～ZK35+900是明洞隧道段，ZK35+900～930是淺埋地下段。埋地深度最大為28m，最小埋深只有6m。隧道口靠近稻田，地形相對(duì)平坦，自然坡度為10°～15°。煙道分布在東門附近約100m處，設(shè)計(jì)高程有點(diǎn)低。洞室覆蓋層厚度小，強(qiáng)烈風(fēng)化的基巖部分裸露，巖體破碎。邊坡開挖后，表層容易開裂、塌陷和下降。左段隧道口軸線大致與等高線正交。天然坡度約為30°，隧道口附近的覆蓋層厚度較小。

2基于MIDAS-GTSNx的數(shù)值模擬

2.1建立二維數(shù)值模型

結(jié)合現(xiàn)場的施工地質(zhì)情況，該高速公路隧道1#段淺埋暗挖以三臺(tái)階預(yù)留核心土法等施工技術(shù)開挖，同時(shí)對(duì)土體實(shí)行快速注漿工藝進(jìn)行加固，并輔助錨桿、工形鋼拱搭建聯(lián)合支護(hù)措施。而后利用有限元數(shù)值軟件MIDAS—GTSNX建立二維數(shù)值模型，對(duì)隧道施工和開挖階段進(jìn)行了仿真。隧道出口屬于淺埋隱蔽開挖段，圍巖本身承載力差，層間結(jié)合力差，充填淤泥。采用了保留三臺(tái)階預(yù)留核心土法工藝。隧道體圍巖主要為中風(fēng)化砂頁巖和強(qiáng)風(fēng)化砂頁巖，出口段地形相對(duì)平坦，沒有偏差壓力。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范所推薦的三中心圓形曲線側(cè)墻的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)算原理，隧道洞室開挖后的應(yīng)力和應(yīng)變只在開挖過程中受到影響。數(shù)值模型的寬度在左右向取約30m，在垂直方向和地面上取30m。數(shù)值模型如圖1所示。

2.2模型參數(shù)選擇（見表1）

根據(jù)高速公路隧道地質(zhì)調(diào)查報(bào)告和高速公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，選擇圍巖的物理力學(xué)參數(shù)。在隧道開挖過程中，圍巖開挖后立即進(jìn)行初始支護(hù)。首先，建立預(yù)制鋼制拱架和鋼網(wǎng)，然后采用空心灌漿螺栓，最后采用注射硅進(jìn)行密封。在上述施工過程中產(chǎn)生的剛度矩陣對(duì)總剛度矩陣的影響較小。在數(shù)值模擬中沒有必要進(jìn)行分布建模。在初始階段，襯砌可以根據(jù)如下的等效原理轉(zhuǎn)換：

Eo×A=Ec×Ac+Es×As

式中：Eo——等效最初的支持的彈性模數(shù);

A——初期支護(hù)的面積;

Ec、Es——商品混凝土和鋼筋的彈性模量;

AcAs——硅和鋼筋的面積。

3數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

3.1圍巖位移

由圖2可知：（1）采用上下臺(tái)階法、三臺(tái)階法和三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖洞室后，最大穹頂沉降值分別為12.66mm、12.50mm和12.26mm，并且最大周邊收斂分別為11.33mm、11.27mm、11.22mm，洞室沉降均超過設(shè)計(jì)要求的預(yù)警值，與現(xiàn)場實(shí)際施工情況相符。（2）在淺開挖深為10m以下時(shí)，以上三種工藝開挖引起的圍巖變形差異不大。三臺(tái)階法和三臺(tái)階預(yù)留核心土法的變形一過程曲線變形溫和，圍巖變形不存在突變現(xiàn)象，更符合安全建設(shè)要求。（3）3種開挖方式下，左右墻周圍的收斂變形趨勢(shì)一般相似，這是因?yàn)樗淼赖刭|(zhì)中沒有偏倚現(xiàn)象，左右側(cè)墻襯砌結(jié)構(gòu)的變形一般是對(duì)稱的。

綜上，隧道開挖后，洞室拱頂沉降和周邊收斂均超過預(yù)警值，匯聚變形趨向在左右側(cè)面墻附近是相似的;采用3種施工方法開挖洞室，埋深10m處圍巖的位移相差不大。

3.2圍巖最大主應(yīng)力

采用不同施工方法開挖時(shí)隧道圍巖最大主應(yīng)力見圖3，拉應(yīng)力為+、壓應(yīng)力為-。

由圖3可知：（1）采用上下臺(tái)階開挖時(shí)，拱頂最大主應(yīng)力為-75.99kPa，左右基臺(tái)最大主應(yīng)力分別為-82.15kP和-82.51kPa，左、右拱腰處最大主應(yīng)力分別為-183.80kPa和-181.51kPa，其巖體左右壓強(qiáng)差不大;而上下部則出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力過渡集中現(xiàn)象，如底層襯砌不牢固時(shí)會(huì)產(chǎn)生開裂，與現(xiàn)場出現(xiàn)的缺陷一樣。（2）采用三臺(tái)階開挖法，拱形最大主應(yīng)力為80.82kPa，左、右圍巖的最大主應(yīng)力分別為-87.91kPa、-87.76kPa，左右?guī)r腰最大主應(yīng)力分別為-175.51kPa和-175.62kPa，與上下臺(tái)階法相比，由于開挖步驟的三個(gè)步驟細(xì)分和減少了圍巖開挖的程度，圍巖的最大主應(yīng)力減少：左右拱腳的最大主應(yīng)力分別為-118.60kPa和-106.7kPa，并出現(xiàn)壓縮和拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，容易發(fā)生剪切破壞。（3）采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖方法時(shí)，拱頂最大主應(yīng)力為-81.02kpa，左右拱肩最大主應(yīng)力分別為-89.51kPa和-87.31kPa。比較了三種開挖方法可知，圍巖的最大主應(yīng)力與開挖步驟成反比，與細(xì)化程度成反比，在各個(gè)階段都能避免圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，保護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的完整性;左拱腳和右拱腳的最大主應(yīng)力分別為-15.16kPa和-151.67kPa，易出現(xiàn)變形。

綜上可知，隧道開挖后，洞室拱頂與腰巖及至腳巖受壓應(yīng)力相關(guān)不大;采用3種施工方法開挖洞室，埋深10m處圍巖的最大應(yīng)力等值相關(guān)不大。

3.3襯砌結(jié)構(gòu)軸應(yīng)力

（1）不同施工方法下襯砌結(jié)構(gòu)軸應(yīng)力均左右大致對(duì)稱且均為壓應(yīng)力，表明襯砌結(jié)構(gòu)不存在偏壓現(xiàn)象。（2）采用上下臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖洞室后，襯砌最大軸向應(yīng)力的襯層結(jié)構(gòu)分別是一1718.93kPa、-1771.7kpa和-1802.2kPa。最大軸向應(yīng)力的襯砌結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)在兩側(cè)的拱肩下。當(dāng)使用上下臺(tái)階法時(shí)，上下臺(tái)階交界處的軸向應(yīng)力發(fā)生顯著突變，從-131.12kpa臺(tái)階變?yōu)?795.19kPa。這說明施工中上下臺(tái)階連接處的襯砌結(jié)構(gòu)承受著很大的壓力，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。（3）開挖步驟的細(xì)分有利于襯砌軸向應(yīng)力的合理分布，從而大大降低襯砌拱腳的軸向力。如果在圍巖拱體開挖后采用三臺(tái)階法，襯砌軸的應(yīng)力變化相對(duì)溫和，中間臺(tái)階與上臺(tái)階交界處的最大襯砌軸應(yīng)從-1213.81kPa變?yōu)?961.59kPa，中間步驟和上一步下臺(tái)階交界處的最大襯砌軸應(yīng)力從-1129.76kPa變?yōu)?877.50kPa。

如上所述，襯砌結(jié)構(gòu)軸應(yīng)力當(dāng)采用三臺(tái)階法開挖時(shí)襯砌軸應(yīng)力增大，與隧道埋深增加成正比;3種施工技術(shù)劃分越細(xì)，臺(tái)階連接處的軸應(yīng)力突變?cè)叫　?/p>

4結(jié)論

（1）該高速公路1#段淺埋暗挖段圍巖自穩(wěn)能力差，結(jié)構(gòu)較松散，采用上下臺(tái)階法開挖時(shí)，由淺埋挖掘期間得知其周圍的巖石不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)惡劣，巖層強(qiáng)度寬松。采用上下開挖的步法，由于埋深淺，高臺(tái)階細(xì)分法的施工會(huì)引起隧道內(nèi)拱頂下降，引發(fā)塌陷現(xiàn)象。開挖步驟少，不僅可以減少圍巖的干擾，還能快速完成支護(hù)結(jié)構(gòu)，最大限度地控制圍巖的變形，確保隧道洞室的施工安全。

（2）采用三臺(tái)階法挖掘隧道時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的連接是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。襯砌在這部分的軸向應(yīng)力變化極大，塑性區(qū)集中，易產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，所以變形程度也尤其突出，需要加大支護(hù)措施。

（3）當(dāng)隧道埋深約10m的深度時(shí)，三臺(tái)階預(yù)留核心土法作為施工技術(shù)，可以合理地分配隧道襯砌的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，使圍巖的壓力釋放得到控制，有效地控制圍巖變形，保證最大程度的施工安全。