散巖堆積體中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法合理開挖順序研究

彭雪峰 張航 錢志豪 王宗學(xué)

摘要：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法常用于散巖堆積體隧道的施工中。為研究雙側(cè)壁導(dǎo)坑法合理開挖順序，文章以火鳳山隧道（雙線隧道）為工程背景，采用拉格朗日有限差分軟件FLAC3D建立土體三維計(jì)算模型，對(duì)兩種不同開挖順序進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同施工順序下圍巖位移、圍巖應(yīng)力及初期支護(hù)應(yīng)力情況，最終得出合理的開挖順序。

關(guān)鍵詞：散巖堆積體;公路隧道;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法;數(shù)值模擬

0 引言

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法又稱為“眼鏡法”，該開挖技術(shù)對(duì)圍巖初期支護(hù)采用鋼拱架、混凝土柔性支護(hù)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將大斷面隧道分為幾個(gè)小斷面進(jìn)行施工，能夠充分發(fā)揮圍巖的自承作用，在大斷面隧道施工中，有極大優(yōu)勢(shì)[1]。但由于其施工復(fù)雜，成本較高[2]，且有時(shí)需在洞外采用相應(yīng)加固措施[3]，故只在圍巖條件較差的情況下使用。目前學(xué)者也對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行了很多研究。

安寧[4]對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在V級(jí)圍巖的運(yùn)用進(jìn)行了介紹，包括施工工藝流程和初期支護(hù)施工步驟。郭洪濤[5]以西安地鐵六號(hào)線為例，對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法修建的淺埋暗挖大斷面隧道二襯的施工方案進(jìn)行優(yōu)化，為解決雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時(shí)支撐體系受力復(fù)雜等問題提供了參考。李進(jìn)[6]以廣州地鐵暗挖隧道施工作為案例，為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在地鐵工程施工中的運(yùn)用提供了參考。曾帥[7]以某地鐵項(xiàng)目為例，通過建模分析，結(jié)合工程特點(diǎn)，對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序進(jìn)行了優(yōu)化，以達(dá)到更加安全施工的目標(biāo)。史智超[8]以九峰隧道為例，分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在大跨距隧道中的施工要點(diǎn)，為類似隧道施工提供了參考。王振學(xué)[9]指出了雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工程中勞動(dòng)力、機(jī)械設(shè)備的配置，使雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工細(xì)節(jié)不斷完善。

通過大量學(xué)者的研究，可以看出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有很好的利用前景，但目前對(duì)于雙層壁導(dǎo)坑法的研究大多為施工要點(diǎn)，如檢測(cè)項(xiàng)目、二次襯砌的施工等，而對(duì)于其施工順序的研究，國(guó)內(nèi)還較少。同時(shí)在大斷面隧道開挖計(jì)算中，需要對(duì)實(shí)際的開挖方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。為減小計(jì)算量，并減小誤差，合適的計(jì)算軟件可以對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效施工[10]。故本文基于重慶曾家?guī)r火鳳山隧道（因其具有小凈距、超淺埋、偏壓等特性，且圍巖級(jí)別較差，適宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法），運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行建模計(jì)算，分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法合理施工順序。

1 工程概述

本項(xiàng)目所依托工程火鳳山隧道場(chǎng)地內(nèi)地形地貌較復(fù)雜，水文地質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單。區(qū)內(nèi)上覆第四系松散堆積層塊石，厚5～20 m，松散至中密，現(xiàn)狀穩(wěn)定。場(chǎng)地地震烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.30 g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地殼抬升明顯，屬抗震不利地段，有地震引起巖堆局部失穩(wěn)或表層松動(dòng)可能，同時(shí)對(duì)危巖的穩(wěn)定性也存在不利影響。隧道進(jìn)口大面積覆蓋第四系崩坡積層塊石，厚度變化大，自然坡度約為38°～45°，坡面植被較發(fā)育，多為灌木和雜草組成，石質(zhì)成分為花崗巖，局部粉粘粒和砂土富集，大多呈松散至稍密狀，骨架多具架空現(xiàn)象。坡面總體向喇嘛嘴溝溝體方向傾斜，傾向約348°～355°，該巖堆目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在變形破壞跡象。但該區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，地震活動(dòng)頻繁，隧道開挖后，拱部圍巖自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時(shí)間短，無支護(hù)或支護(hù)不到位時(shí)，易產(chǎn)生掉塊或較大的坍塌等，局部段易冒頂，且易造成巖堆失穩(wěn)。在實(shí)際工程中ZK2+500.000～ZK2+590.000段、YK1+930～YK2+343段、ZK2+967.000～ZK3+095.876段及YK2+520～YK2+660段因地質(zhì)條件較差，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，為了施工順利進(jìn)行，有必要對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法正確施工順序進(jìn)行研究。

2 模型建立

本文針對(duì)火鳳山隧道，提出采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖，有兩種不同的開挖順序方案，兩種雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖順序如圖1所示。

方案一開挖順序：異側(cè)導(dǎo)坑開挖支護(hù)，先開挖上臺(tái)階，再開挖下臺(tái)階，最后開挖中導(dǎo)坑臺(tái)階仰拱模筑混凝土。

方案二開挖順序：先開挖同側(cè)導(dǎo)坑上下臺(tái)階，最后開挖中部導(dǎo)坑。

以采用兩種不同開挖順序的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道開挖，研究隧道圍巖和初期支護(hù)的受力及位移特征，分析兩個(gè)開挖階段下隧道洞口段圍巖應(yīng)力特征以及各開挖階段圍巖與初期支護(hù)的受力特點(diǎn)，并討論進(jìn)洞30 m、60 m兩個(gè)斷面拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底的位移變化情況。

本文根據(jù)火鳳山隧道縱斷面地質(zhì)資料，利用FLAC3D軟件建立三維網(wǎng)格模型，山體范圍沿隧道縱向取60 m，橫向?qū)挾葹樗淼乐行木€向邊側(cè)取70 m，底部取到隧道底部以下35 m處，頂部至自然坡面。隧道圍巖特性按彈塑性材料考慮，采用Mohr—Coulomb準(zhǔn)則，圍巖采用實(shí)體單元，錨桿使用cable單元，噴射混凝土層和鋼筋網(wǎng)根據(jù)抗壓強(qiáng)度等效準(zhǔn)則合并使用shell單元，鋼拱架使用beam單元。計(jì)算模型如圖2所示。

隧道圍巖按照彈塑性體考慮，地層設(shè)計(jì)參數(shù)參考火鳳山隧道地層資料。對(duì)于設(shè)計(jì)中的超前加固手段，如管棚法及小導(dǎo)管錨桿，擬對(duì)加固區(qū)采用提高圍巖材料參數(shù)的方法來進(jìn)行模擬。具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 圍巖位移分析

按照不同開挖順序方案，運(yùn)用有限元軟件對(duì)該隧道開挖與支護(hù)進(jìn)行模擬計(jì)算，主要研究隧道圍巖的受力及位移特征，以得到各種工法位移場(chǎng)的相關(guān)模擬結(jié)果，并討論了進(jìn)洞60 m的目標(biāo)斷面位移變化情況。選取各工法在監(jiān)測(cè)斷面60 m處的隧道各點(diǎn)的豎向位移（見圖3～4），在FLAC3D軟件中位移的正值代表向右、向上的變形，位移的負(fù)值代表向左、向下的變形。運(yùn)用Origin軟件，對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制拱頂豎向位移變形曲線圖，并且在隧道開挖時(shí)對(duì)掌子面周圍處圍巖的變形特征以及周圍圍巖的受力特征進(jìn)行了分析。

從圖3～4可知，隨著圍巖的不斷開挖，隧道埋深逐漸增大，隧道各特征點(diǎn)的最大位移值也不斷增大。在掌子面前方一定范圍內(nèi)，即開挖斷面還未達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面的部分區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生了一定的變形，但是變形較小。當(dāng)開挖斷面推進(jìn)到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，隨著開挖面的推進(jìn)，拱頂下沉不斷增大。其特點(diǎn)是初期下沉速率很大，后期速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。方案一與方案二趨勢(shì)類似。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑方案一，從隧道豎向位移來看：隧道沉降最大位移位于拱頂，隆起最大位移位于隧道拱底。左線隧道30 m、60 m斷面拱頂沉降最大值分別達(dá)到7.07 cm和14.41 cm;30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達(dá)到7.07 cm和11.51 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移，30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達(dá)到5.11 cm和10.25 cm，不同斷面拱腰沉降最大值分別達(dá)到2.78 cm和5.73 cm。右線隧道30 m和60 m斷面拱頂沉降最大值分別達(dá)到4.74 cm和12.26 cm;30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達(dá)到5.19 cm和6.26 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移，30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達(dá)到4.90 cm和12.62 cm，不同斷面拱腰沉降最大值分別達(dá)到3.46 cm和9.68 cm。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑方案二，從隧道豎向位移來看：隧道沉降最大位移位于拱頂，隆起最大位移位于隧道拱底。左線隧道30 m、60 m斷面拱頂沉降最大值分別達(dá)到4.37 cm和11.85 cm; 30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達(dá)到7.47 cm和10.42 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移，30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達(dá)到2.83 cm和8.44 cm，不同斷面拱腰沉降最大值分別達(dá)到0.86 cm和4.43 cm。右線隧道30 m和60 m斷面拱頂沉降最大值分別達(dá)到4.20 cm和10.05 cm;30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達(dá)到5.52 cm和5.82 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移，30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達(dá)到4.41 cm和10.63 cm，不同斷面拱腰沉降最大值分別達(dá)到2.91 cm和7.91 cm。

為了結(jié)果更直觀，選取隧道左右線60 m斷面在不同工況下的幾處特征位移如表2～3所示。

3.2 圍巖的應(yīng)力特征

圍巖應(yīng)力的分析選取開挖完成30 m、60 m時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行研究。由于隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力狀態(tài)以受壓為主，故只選取圍巖第三主應(yīng)力進(jìn)行分析。

（1）方案一

左線隧道：對(duì)于已經(jīng)開挖完成的部分，圍巖應(yīng)力分布為底部應(yīng)力最大，其次為拱肩至墻腳應(yīng)力，頂部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同，最大值出現(xiàn)在底部位置。開挖完成30 m時(shí)，對(duì)于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護(hù)周圍的圍巖應(yīng)力，拱肩處為0.73 MPa，墻腳處為0.78 MPa，拱頂為0.65 MPa，底部為1.12 MPa。在開挖完成60 m時(shí)，圍巖應(yīng)力的最大值為2.58 MPa。這說明該工法開挖對(duì)已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。

右線隧道：對(duì)于已經(jīng)開挖完成的部分，為底部應(yīng)力最大，其次為拱肩至墻腳應(yīng)力，頂部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同，最大值出現(xiàn)在底部位置。開挖完成30 m時(shí)，對(duì)于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護(hù)周圍的圍巖應(yīng)力，拱肩處為0.66 MPa，墻腳處為0.73 MPa，拱頂為0.50 MPa，底部為1.16 MPa。在開挖完成60 m時(shí)，圍巖應(yīng)力的最大值為2.54 MPa。這說明該工法開挖對(duì)已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。

（2）方案二

左線隧道：對(duì)于已經(jīng)開挖完成的部分，圍巖應(yīng)力分布為拱肩至墻腳應(yīng)力最大，其次為拱頂，底部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同，最大值出現(xiàn)在墻腳位置。開挖完成30 m時(shí)，對(duì)于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護(hù)周圍的圍巖應(yīng)力，拱肩處為1.20 MPa，墻腳處為0.34 MPa，拱頂為1.30 MPa，底部為0.30 MPa。在開挖完成60 m時(shí)，圍巖應(yīng)力的最大值為2.04 MPa。這說明該工法開挖對(duì)已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。

右線隧道：對(duì)于已經(jīng)開挖完成的部分，圍巖應(yīng)力分布為拱肩至墻腳應(yīng)力最大，其次為拱頂，底部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同，最大值出現(xiàn)在墻腳位置。開挖完成30 m時(shí)，對(duì)于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護(hù)周圍的圍巖應(yīng)力，拱肩處為0.93 MPa，墻腳處為0.58 MPa，拱頂為1.13 MPa，底部為0.50 MPa。在開挖完成60 m時(shí)，圍巖應(yīng)力的最大值為2.51 MPa。這說明該工法開挖對(duì)已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。

隧道各特征點(diǎn)圍巖應(yīng)力狀態(tài)如表4～5所示。

3.3 初期支護(hù)的受力特征

初期支護(hù)的受力分析選取了開挖完成30 m、60 m的狀態(tài)下，對(duì)兩種開挖順序下的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力進(jìn)行分析（見表6）。

初期支護(hù)分為兩層，綜合來看，兩種方案隨著開挖進(jìn)度的增加，隧道埋深也不斷增加，初期支護(hù)受力也相應(yīng)地增加，且第一層初期支護(hù)最大主應(yīng)力明顯小于第二層最大主應(yīng)力隧道各個(gè)位置所受的拉應(yīng)力，故選用第二層初期支護(hù)應(yīng)力。方案一當(dāng)開挖進(jìn)度為60 m時(shí)，初期支護(hù)第一主應(yīng)力，即拉應(yīng)力，左線最大可達(dá)7.44 MPa，右線隧道可達(dá)5.42 MPa。隧道出現(xiàn)的拉應(yīng)力分布情況應(yīng)為隧道襯砌縱向發(fā)生不均勻位移導(dǎo)致的初期支護(hù)翹曲而產(chǎn)生的，計(jì)算值已超過混凝土的抗拉強(qiáng)度。在實(shí)際施工中隧道拱頂少數(shù)位置可能會(huì)產(chǎn)生環(huán)向裂縫。第一層初期支護(hù)最大主應(yīng)力明顯小于第二層最大主應(yīng)力隧道各個(gè)位置所受的壓應(yīng)力，當(dāng)開挖進(jìn)度為60 m時(shí)，第二層初期支護(hù)第二主應(yīng)力，即壓應(yīng)力，左線可達(dá)11.40 MPa，右線隧道可達(dá)10.44 MPa。

方案二當(dāng)開挖進(jìn)度為60 m時(shí)，第一主應(yīng)力，左線可達(dá)2.27 MPa，右線隧道可達(dá)6.71 MPa。第二主應(yīng)力，左線可達(dá)13.11 MPa，右線隧道可達(dá)11.22 MPa。根據(jù)最大切應(yīng)力理論：σ=σ1-σ3，方案一左線最大剪應(yīng)力為18.84 MPa，右線最大剪應(yīng)力為15.38 MPa;方案二左線最大剪應(yīng)力為18.36 MPa，右線最大剪應(yīng)力為16.62 MPa。