散巖堆積體中特大斷面公路隧道洞口段合理施工工法研究

戴武　錢志豪　王宗學(xué)　張航

摘要：為研究散巖堆積體中隧道洞口段最適宜的開挖方式，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建立土體三維計算模型，對施工期隧道洞口段分別采用三臺階、三臺階預(yù)留核心土、三臺階七步法、CD法和CRD法共五種工法進(jìn)行數(shù)值模擬開挖，分析不同施工工法下圍巖應(yīng)力分布及變形規(guī)律，提出適用于散巖堆積體地層條件下的隧道洞口段施工工法。研究結(jié)果表明：從隧道豎向位移分析得出，五種工法對應(yīng)的最大位移分別為28.18 cm、25.90 cm、21.43 cm、18.58 cm、14.13 cm;從圍巖應(yīng)力來看，五種工法圍巖應(yīng)力分布規(guī)律上并未出現(xiàn)明顯區(qū)別，只是在量值上有一定差異;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)測斷面時，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，而后隨離開掌子面的距離變大，其速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定，圍巖收斂先快速增長后逐漸平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：散巖堆積體;公路隧道;雙線隧道;數(shù)值模擬

中國分類號：U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

近幾年，隨著國家加大對基礎(chǔ)交通建設(shè)的投入，工程地質(zhì)環(huán)境也越來越復(fù)雜，因此對隧道施工技術(shù)也有更高的要求。大變形和塌方現(xiàn)象是在松散堆積體地層施工中經(jīng)常遇見的安全事故，甚至難以避免，為此有必要針對在散巖堆積體地層條件下的隧道施工技術(shù)開展進(jìn)一步的深入研究，從而為高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。

作為一個不可回避的工程和科研問題，堆積體的穩(wěn)定性問題已經(jīng)得到了許多工程師和學(xué)者的關(guān)注和廣泛研究。高俊宏[1]等在現(xiàn)場充分調(diào)繪及地質(zhì)鉆探的基礎(chǔ)上，對某工程沿線的堆積體進(jìn)行成因、病害、物質(zhì)成分和分布特征的分析;申玉生[2]等為研究覆有厚層松散堆積體且穿越軟硬交界面的隧道洞口段動力響應(yīng)特點(diǎn)和抗減震措施，以飛仙關(guān)隧道洞口段為研究對象，采用有限差分軟件分別建立隧道圍巖漸進(jìn)式注漿、設(shè)置減震縫和全環(huán)注漿3種工況，并和無措施情況下隧道襯砌的應(yīng)力、變形對比，得出最佳抗減震措施;謝亦朋[3]等依托云南省羅打拉隧道，基于Monte-Carlo隨機(jī)原理，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，建立了考慮接觸面單元及抗拉強(qiáng)度的堆積體地層隧道開挖細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，并探討了隧道開挖引起的堆積體圍巖變形、破壞過程以及失穩(wěn)機(jī)制，并在現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

以上研究都是國內(nèi)學(xué)者從地質(zhì)特點(diǎn)和力學(xué)狀態(tài)等方面對散巖堆積體的形成機(jī)制和失穩(wěn)模式進(jìn)行了大量且深入的研究與總結(jié)。王星星[4]以廈門北站連接線工程為依托，通過現(xiàn)場分析及結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，提出卸載部分松散體+仰坡淺層注漿+洞內(nèi)雙層大管棚預(yù)支護(hù)為主體的進(jìn)洞方案，并針對小凈距隧道穿越松散地層提出了針對性的措施;謝貴明[5]根據(jù)省道303線南華特長隧道洞口段復(fù)雜地質(zhì)條件，介紹洞口坡面防護(hù)、抗滑樁樁基擋墻、套拱加長、開挖工法、超前預(yù)支護(hù)及初期支護(hù)加強(qiáng)等施工關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)生變形后的加固處治措施;針對塌方量大、塌腔位置未知、塌方體松散的實(shí)際情況，郭鵬[6]采用塌方堆積體固結(jié)、長管棚超前支護(hù)、小導(dǎo)管超前預(yù)注漿、開挖采用超前小鋼管的施工方法，使隧洞塌方的處理得以順利解決;王騰華[7]結(jié)合西康鐵路二線東坪隧道淺埋偏壓堆積體段，論述了采取大管棚、洞頂回填等措施確保了施工安全的技術(shù)措施;何玉龍[8]基于大圓子隧道，結(jié)合地層狀況及現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，采用了雙層自進(jìn)式錨桿安全穿越洞口破碎堆積體的施工方法;唐輝湘[9]等結(jié)合工程實(shí)際，對松散破碎圍巖區(qū)隧道施工過程的力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究。

由于針對散巖堆積體中隧道施工中究竟采用何種工法最適宜洞口段的開挖方式有很少的研究，鑒于此，本人在前人研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬結(jié)合依托工程的實(shí)際工程地質(zhì)條件，對常用隧道洞口施工工法進(jìn)行對比分析，初步提出火鳳山隧道散巖堆積體洞口段的適宜性施工工法，提出合理的施工方案，以提高施工效率和安全性。

1 隧道施工過程

1.1 數(shù)值模型的建立

本文本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，利用有限差分軟件 FLAC3D 進(jìn)行三維數(shù)值分析。在模型建立時，考慮隧道開挖對于周邊圍巖的擾動，因此，建模時山體范圍沿隧道縱向取150 m。鑒于圍巖影響范圍，模型寬度為隧道中軸線向邊側(cè)取50 m，模型頂部為自然表面，模型下邊界從隧道底部延伸至以下35 m處。

模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，模型上邊界為自由面（z軸向上為正），而底面為豎向約束，隧道開挖方向?yàn)閥軸正方向，模型的四周圍巖外邊界面為垂直圍巖面的法向約束。

1.2 材料參數(shù)的選取

按照彈塑性理論來考慮隧道圍巖情況，巖體的物理參數(shù)主要是依靠土工試驗(yàn)來進(jìn)行確定，實(shí)際工程中常用管棚法及小導(dǎo)管錨桿進(jìn)行超前加固，而在數(shù)值模擬過程中為模擬加固區(qū)，通常采用的方法是提高圍巖材料參數(shù)，參數(shù)的取值有時還得根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)資料或者依靠經(jīng)驗(yàn)類比的方法來進(jìn)行確定。具體計算參數(shù)如表1所示。

2 計算結(jié)果及分析

按照各工法的開挖方案和支護(hù)方案，運(yùn)用有限元軟件對該隧道開挖與支護(hù)進(jìn)行模擬計算。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的相關(guān)模擬結(jié)果，并討論了進(jìn)洞90 m的目標(biāo)斷面的位移變化情況，選取各工法在監(jiān)測斷面90 m處的隧道各點(diǎn)的豎向位移，如下頁圖2所示。在FLAC3D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，整理所采集到的數(shù)據(jù)，繪制拱頂豎向位移變形曲線圖，并且在隧道開挖時還對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。

2.1 隧道周邊圍巖位移特征

由圖2曲線變化規(guī)律可知：隨著圍巖的不斷開挖，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)測斷面時，隨著開挖面的推進(jìn)，拱頂下沉不斷增大，其特征為初期沉降速率很快，而后隨距開挖面的距離愈遠(yuǎn)，其速率愈漸平緩，并趨于穩(wěn)定。

將不同特征點(diǎn)的最大位移值制成表2、表3。從表2、表3可知，隧道沉降最大位移位于拱頂，隆起最大位移位于隧道拱底，拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移。三臺階法、三臺階預(yù)留核心土法與三臺階七步法開挖引起的圍巖位移較大，不適宜于隧道的開挖。而由于CD法及CRD法有中隔墻的支撐作用，有利于控制地層變形，對隧道開挖所造成的隧道變形較小，因此火鳳山隧道散巖堆積體隧道洞口段宜采用CD法或CRD法進(jìn)行開挖施工。

2.2 圍巖應(yīng)力特征

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（最小主應(yīng)力）進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：圍巖總體處于受壓狀態(tài)，掌子面應(yīng)力主要集中在與洞周圍巖接觸的部位。掌子面圍巖應(yīng)力大致主要集中在隧道兩側(cè)拱肩至拱腳處，拱頂壓應(yīng)力最小，其次是拱底。這是因?yàn)樗淼篱_挖后，在圍巖重分布的過程中，頂板開始沉陷，并出現(xiàn)拉裂紋，頂板中部的裂紋發(fā)展并張開，逐漸變松動，石塊開始掉落，石塊與圍巖母體分離，其界面多為拱形，此時垂直壓力穩(wěn)定在一定的數(shù)值內(nèi)，但側(cè)向壓力增加，即地層原存在應(yīng)力沿兩側(cè)傳遞，頂板停止塌落，垂直壓力和側(cè)向壓力都趨于穩(wěn)定。這表明：隧道在開挖的過程中，相比于其他位置，隧道頂部更容易出現(xiàn)拉性破壞，而巖石的抗拉性能要比抗壓性能要小很多，這就要求隧道在開挖過程中需要多加注意隧道頂部出現(xiàn)的巖體塌落現(xiàn)象，需要及時施加初期支護(hù)。隨著開挖的不斷進(jìn)行，洞室圍巖應(yīng)力逐漸增大，掌子面后方巖體的應(yīng)力也隨開挖增大。這說明各工法開挖對已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。

從圍巖應(yīng)力來看，五種工法在圍巖應(yīng)力分布規(guī)律上并未出現(xiàn)明顯區(qū)別，只是在量值上有一定差異。由于散巖堆積體自承載能力有限，為保持圍巖穩(wěn)定，所以在隧道開挖過程中要及早對隧道進(jìn)行支護(hù)，且開挖對已完成的部分圍巖應(yīng)力狀態(tài)仍有影響，掌子面附近一定范圍內(nèi)已完成部分的支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)也應(yīng)留意觀察。

2.3 工法比選分析

圍巖的自承載能力均不高是散巖堆積體主要的物理力學(xué)特性。本文基于火鳳山隧道工程，分析了這五種工法施工時隧道圍巖的位移和受力特性。要使得隧道在開挖過程中限制住圍巖的變形，主要的承載結(jié)構(gòu)勢必要由支護(hù)結(jié)構(gòu)來承擔(dān)。從圍巖應(yīng)力來看，五種工法在圍巖應(yīng)力分布規(guī)律上并未出現(xiàn)明顯區(qū)別，只是在量值上有一定差異;從圍巖變形規(guī)律來看，五種工法的變形規(guī)律也類似，只是掌子面劃分區(qū)域較多的工法（三臺階法，三臺階預(yù)留核心土法、三臺階七步法）開挖對隧道掌子面前方圍巖的影響范圍較大，即在掘進(jìn)過程中所引起的圍巖變形普遍要大，而隧道豎向位移值上，由CRD法和CD法開挖引起的沉降較小。

由于隨著隧道開挖距離的增加，隧道的埋深也在增大，因此隧道的變形量也隨之持續(xù)增大。通過分析數(shù)值模擬所計算得到的各施工工法下隧道各特征點(diǎn)圍巖位移值及掌子面周圍圍巖受力特征，可以得出以下結(jié)論：（1）從隧道豎向位移分析得出，三臺階法開挖造成的最大位移為28.18 cm;三臺階預(yù)留核心土開挖造成的最大位移為25.90 cm;三臺階七步法開挖造成的最大位移為21.43 cm;CD法開挖造成的最大位移為18.58 cm;CRD法開挖造成的最大位移為14.13 cm，由此可以看出，采用CRD工法時要比采用三臺階法產(chǎn)生的拱頂最大豎向位移將近減少50%。（2）從圍巖應(yīng)力來看，五種工法圍巖應(yīng)力分布規(guī)律上并未出現(xiàn)明顯區(qū)別，只是在量值上有一定差異。從以上數(shù)值可以看出，隧道在掘進(jìn)過程中引起的圍巖變形較大的施工工法分別為三臺階法、三臺階預(yù)留核心土法與三臺階七步法，得出此三種工法不適宜于散巖堆積體山體中進(jìn)行隧道開挖的結(jié)論。而CD法及CRD法有中隔墻的支撐作用，有利于控制地層變形，對隧道開挖所造成的隧道變形較小，因此火鳳山隧道散巖堆積體隧道洞口段宜采用CD法或CRD法進(jìn)行開挖施工。

3 結(jié)語

本文通過數(shù)值分析的方法，模擬五種不同的開挖工法，計算和分析了在散巖堆積體中施工時隧道圍巖的位移、受力特性，得到了如下結(jié)論：

（1）隨著巖體的不斷開挖，隧道埋深逐漸增大，在隧道各特征點(diǎn)處的最大位移值也隨之持續(xù)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)測斷面時，隨著開挖面的推進(jìn)，拱頂下沉不斷增大，表現(xiàn)特征為圍巖位移變形收斂先快速增長后逐漸平穩(wěn)，即初期時圍巖變形速率很快，而后隨距開挖面的距離越遠(yuǎn)，其速率愈漸變緩，并趨于穩(wěn)定。

（2）各方法開挖進(jìn)度下，圍巖總體處于受壓狀態(tài)，比較各個開挖進(jìn)程的主應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)掌子面應(yīng)力主要集中在與洞周圍巖接觸的部位。掌子面圍巖應(yīng)力主要集中在隧道兩側(cè)拱肩至拱腳范圍處。隨著開挖的不斷進(jìn)行，洞室圍巖應(yīng)力逐漸增大，掌子面后方巖體的應(yīng)力也隨開挖增大。對于已經(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。這說明各工法開挖對已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。

（3）由于CD法及CRD法有中隔墻的支撐作用，對于控制地層變形有著有利的影響，因此對隧道開挖所造成的隧道變形較小。從圍巖應(yīng)力來看，五種工法圍巖應(yīng)力分布規(guī)律上并未出現(xiàn)明顯區(qū)別，只是在量值上有一定差異，而且差異較小。由此基于火鳳山隧道（雙線隧道）為工程背景，得出在軟巖堆積體中適于隧道洞口段開挖的施工工法為CD法或CRD工法，采用此種工法產(chǎn)生的拱頂最大豎向位移將近要減少50%。采用優(yōu)選工法施工時進(jìn)行小循環(huán)進(jìn)尺掘進(jìn)，洞室的圍巖位移將能夠得到有效的限制，并且洞室附近圍巖的第一、第三主應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力都會有明顯的減少。原因是：雖然散巖堆積體的自穩(wěn)能力較差，但較小的開挖進(jìn)尺更容易使圍巖發(fā)揮出其有限的自承載能力，從而改善初期支護(hù)的受力情況，而數(shù)值模擬的結(jié)果也表明對于圍巖壓應(yīng)力，較小的循環(huán)進(jìn)尺對于初期支護(hù)和二者的承載情況有很好的改善作用。

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