淺埋偏壓隧道CD法施工圍巖變形規(guī)律研究

趙春鵬 朱軍

摘 要：在淺埋偏壓隧道施工過程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，地應(yīng)力分布不均勻，使得施工過程中極容易發(fā)生重大災(zāi)害問題。本文以廣東省某隧道淺埋偏壓段為例，采用數(shù)值模擬的方法分析了CD法開挖過程中各階段圍巖變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：（1）淺埋偏壓隧道施工過程中圍巖的變形在大小和方向上呈現(xiàn)出明顯的非對稱性，在先行導(dǎo)洞開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移均在左拱腰處。（2）上臺階施工對于圍巖的位移影響大于下臺階施工，后行導(dǎo)洞施工對于地表位移的影響大于先行導(dǎo)洞施工。

關(guān)鍵詞：淺埋偏壓隧道;CD法;施工工藝

中圖分類號：U451.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著交通強(qiáng)國重大戰(zhàn)略決策的實(shí)施，我國正逐漸從交通大國向交通強(qiáng)國邁進(jìn)，對于基礎(chǔ)交通尤其是橋梁、隧道等重要結(jié)構(gòu)物的要求也在逐漸的提高。隧道工程作為高速公路施工的關(guān)鍵性控制工程，保障其施工過程中圍巖的穩(wěn)定和安全是重中之重[1-2]。在淺埋偏壓地段，隧道的受力和變形就變得尤為復(fù)雜，現(xiàn)場工作人員往往因?yàn)閷τ趪鷰r的變形規(guī)律不熟悉，因此不能準(zhǔn)確的判斷圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。

本文以廣東省某隧道為例，利用FLAC3d軟件分析在淺埋偏壓路段采用CD法施工時各個階段圍巖的變形規(guī)律，并對各個階段需要關(guān)注的施工重點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)

擬建隧道位于溝谷斜坡-丘陵地貌區(qū)，進(jìn)口段山坡坡度10°～30°，中部一般30°～50°，出口段山坡坡度較陡，一般20°～40°。地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，以斷裂構(gòu)造為主，褶皺構(gòu)造與斷裂相伴而生。

1.2 研究段落內(nèi)支護(hù)參數(shù)

以隧道左線ZK63+400為例，該段落隧道埋深約為10 m，設(shè)計(jì)為Ⅴ級圍巖。超前支護(hù)采用Φ42超前小導(dǎo)管支護(hù)，長度為4.5 m，環(huán)向間距40 cm。初支支護(hù)采用I18鋼拱架，縱向間距75 cm，系統(tǒng)錨桿為Φ25中空注漿錨桿，長3.5 m，間距100×75 cm。

2 隧道施工建模

采用FLAC3d軟件模擬該隧道ZK63+400斷面，埋深為10 m，坡面與水平面的夾角為30°，縱向長度為2 m，隧道兩邊及底部各取30 m。初期支護(hù)采用shell單元模擬，同時將初期支護(hù)的工字鋼采用等效剛度的原則計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)。開挖步驟為：先行導(dǎo)洞上臺階→先行導(dǎo)洞下臺階→后行導(dǎo)洞上臺階→后行導(dǎo)洞下臺階。計(jì)算模型參數(shù)根據(jù)地勘成果及相關(guān)規(guī)范確定。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖水平位移分析

隧道CD法開挖各個階段水平位移如圖1所示。從圖中可以看出在淺埋偏壓條件下隧道的水平變形與非偏壓條件下隧道的水平變形有著較大的區(qū)別。首先，圍巖的水平位移在方向和大小上均表現(xiàn)出明顯的非對稱性，以先行導(dǎo)洞上臺階開挖為例，圍巖的最大正水平位移為3.8 mm，位于左拱腰處，方向與邊坡坡面大致呈正交，最大負(fù)水平位移為6.5 mm，處于臨時支撐中部，且其位移量明顯大于最大正水平位移。這是由于對于淺埋偏壓隧道而言，初始最小主應(yīng)力往往沿著坡面方向，最大主應(yīng)力則與坡面近似垂直，這就使得隧道開挖后圍巖位移方向往往沿著最大主應(yīng)力方向。另外，初期支護(hù)的半徑小于臨時支護(hù)的半徑，使得初期支護(hù)能更好的發(fā)揮拱結(jié)構(gòu)的承載特性，因此其位移相對較小，約為臨時支護(hù)最大位移的58%。

其次，各個施工階段最大水平位移的變化量并不相同，分別為6.5 mm，7.6 mm，18.9 mm，20 mm，說明上臺階開挖對圍巖水平位移的影響較下臺階明顯更大。這是因?yàn)橐环矫嫔吓_階開挖過程中圍巖壓力得到了一定的釋放，使得作用在支護(hù)上的力顯著增大;另一方面下臺階的開挖使得支護(hù)體系封閉呈環(huán)，極大的提高了支護(hù)體系的承載能力。

3.2 圍巖豎直位移分析

隧道CD法開挖各個階段豎直位移如圖2所示。圍巖豎直位移與水平位移有著相似的變形規(guī)律。首先，拱頂與隧底位移的大小和方向并不對稱，拱頂?shù)某两滴灰茷?1.4 mm，位于左拱腰，與最大水平正位移處于相同的位置，但其數(shù)值遠(yuǎn)大于水平位移值3.8 mm。說明先導(dǎo)坑上臺階開挖過程中初期支護(hù)的位移主要以沉降為主。各個施工階段中拱頂位移值分別為11.4 mm、12.4 mm、34.7 mm、36.6 mm，同樣表現(xiàn)出上臺階開挖圍巖位移的變化量大于下臺階。先行導(dǎo)坑下臺階施工圍巖拱頂豎向位移增加1 mm，后行導(dǎo)洞下臺階施工圍巖拱頂豎向位移增加1.9 mm，總體位移變化量差距不大，后行導(dǎo)洞下臺階施工對圍巖位移的影響略大于先行導(dǎo)洞。以隧道拱頂上方地表的沉降為例，各個施工階段中地表沉降量分別為0.6 mm、0.7 mm、2.7 mm、2.9 mm，這說明先行導(dǎo)洞施工由于開挖面積不大，因此對于地表的沉降影響相對較小，而后行導(dǎo)洞的施工使得臨空面變大，使得地表沉降陡然增加。因此在施工過程中應(yīng)著重關(guān)注后行導(dǎo)洞施工對地表沉降的影響。

4 結(jié)論

本文以廣東省某隧道為例，通過FLAC3d軟件進(jìn)行建模分析，得出了如下主要結(jié)論。

（1）淺埋偏壓隧道施工過程中圍巖的變形在大小和方向上呈現(xiàn)出明顯的非對稱性，在先行導(dǎo)洞開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移均在左拱腰處，臨時支撐的水平位移大于支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。

（2）上臺階施工對于圍巖的位移影響大于下臺階施工，后行導(dǎo)洞施工對于地表位移的影響大于先行導(dǎo)洞施工，因此應(yīng)根據(jù)施工過程中圍巖變形的特點(diǎn)進(jìn)行有針對性的監(jiān)測與預(yù)警，保障隧道的施工安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓立志.淺埋偏壓隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖數(shù)值模擬研究[J].公路，2020，65（05）：324-328.

[2]李文韜，張擁軍，劉思佳，等.山嶺隧道淺埋偏壓段塌方冒頂分析及工法優(yōu)化[J].公路，2020，65（01）：309-314.