淺埋軟巖公路隧道開挖方法優(yōu)化

張 楚

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國交通公路的社會(huì)需求量越來越高，修建公路隧道成為跨山越嶺時(shí)的重要方案。山嶺隧道受到地形地質(zhì)條件的影響，地質(zhì)應(yīng)力分布多變，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形以及圍巖穩(wěn)定情況也變得極為復(fù)雜[1]。因此，對(duì)施工方法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于隧道的安全性尤為重要[2]。

1 工程背景

重慶市某高速公路隧道為分離式雙向四車道隧道，單洞設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山貌區(qū)，隧道縱向基本垂直構(gòu)造線，產(chǎn)狀較穩(wěn)定，未見次級(jí)褶曲和斷層，構(gòu)造簡單，山體內(nèi)地下水含量低。隧道淺埋段圍巖主要為頁巖，巖質(zhì)多軟弱，以軟巖為主，裂隙較發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化帶較厚，平均埋深約25m。

隧道凈寬12.62m，凈高10.32m；根據(jù)同類工程的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素考慮，開挖方法擬采用三臺(tái)階法和CD法中的一種。通過對(duì)兩種方法進(jìn)行數(shù)值仿真分析，對(duì)比兩種方法開挖引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移大小和圍巖穩(wěn)定性，選取更優(yōu)的施工方法。

2 FLAC3D數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

本次模擬的隧道出口Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段平均埋深約為25m，模型建立時(shí)，拱頂以上建立25m地層；隧道的左右圍巖及隧道底部以下的地層建立25m。隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)僅以二次襯砌的參數(shù)進(jìn)行建模計(jì)算，并將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)簡化為均質(zhì)等厚的環(huán)形結(jié)構(gòu)，厚度為0.5m。隧道模擬開挖長度為10.5m，計(jì)算長度從最終開挖掌子面向后延伸14.5m，模型總長度為25m。

對(duì)于圍巖的數(shù)值模擬，通常采用摩爾-庫倫模型[3]。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)材料具有較大的彈性模量，通常采用彈性模型進(jìn)行模擬[4]。在橫斷面網(wǎng)格劃分為放射狀網(wǎng)格，橫斷面網(wǎng)格劃分為約700個(gè)，隧道縱向25m均分為25個(gè)網(wǎng)格，計(jì)算單元總數(shù)約為17 500個(gè)(圖1)。

(a)三臺(tái)階法

2.2 模擬方法

本次施工模擬時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)僅以二次襯砌的參數(shù)進(jìn)行建模計(jì)算。開挖引起的圍巖變形主要考慮拱頂及仰拱支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，在模型每一開挖進(jìn)尺支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱頂及仰拱中心設(shè)置位移監(jiān)控點(diǎn)[5]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模擬計(jì)算結(jié)果

三臺(tái)階法和CD法模擬開挖完成時(shí)，各監(jiān)控點(diǎn)的豎向位移分別見表1、表2。

從表1和表2可以看出，三臺(tái)階法和CD法開挖完成后最大的拱頂沉降均發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，分別為15.60mm、10.40mm；最大的仰拱隆起均發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)8，分別為18.30mm、12.90mm。

表1 三臺(tái)階法開挖監(jiān)控點(diǎn)豎向位移 mm

表2 CD法開挖監(jiān)控點(diǎn)豎向位移 mm

三臺(tái)階法和CD法開挖完成后過監(jiān)控點(diǎn)1和監(jiān)控點(diǎn)8橫斷面的位移云圖分別見圖2、圖3。

圖2 三臺(tái)階法開挖后過監(jiān)控點(diǎn)1和監(jiān)控點(diǎn)8橫斷面位移云圖

3.2 結(jié)果分析及施工方案的確定

(1)無論是三臺(tái)階法還是CD法開挖，同一個(gè)橫斷面上，開挖引起的仰拱隆起值都大于拱頂沉降值，這符合軟巖淺埋隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

(2)CD法施工時(shí)，先開挖區(qū)段支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和新挖區(qū)段的位移差別較小；而三臺(tái)階法施工時(shí)先開挖區(qū)段支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移比新挖區(qū)段位移有較大差值；這表明CD法開挖后圍巖比較穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)的后期變形發(fā)展小。

圖3 CD法開挖后過監(jiān)控點(diǎn)1和監(jiān)控點(diǎn)8橫斷面位移云圖

(3)通過位移云圖的比較可以發(fā)現(xiàn)，CD法施工后圍巖的豎向位移從洞周向圍巖深處的衰減較快，而三臺(tái)階法的圍巖位移衰減較慢；這表明CD法開挖后圍巖的穩(wěn)定性更好。

(4)不管是拱頂還是仰拱，在同一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，CD法引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移小于三臺(tái)階法，這表明CD法開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)更小，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力更小，開挖更安全。

(5)綜上所述，CD法開挖在支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性和圍巖穩(wěn)定性方面均優(yōu)于三臺(tái)階法，選擇CD法作為此高速公路淺埋軟巖隧道的開挖方法。

4 結(jié)論

通過進(jìn)行數(shù)值模擬，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于淺埋的軟巖隧道，相較于三臺(tái)階法，CD法開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)更小，施工完成后支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力更較安全，變形更小且支護(hù)變形的后期發(fā)展較??；CD法施工完成后，圍巖的穩(wěn)定性更好，發(fā)生較大位移的圍巖范圍更小。

綜合開挖的安全性和圍巖后期的穩(wěn)定可以得出結(jié)論：CD法比三臺(tái)階法更適于淺埋軟巖公路隧道的施工。