超大斷面隧道工法轉(zhuǎn)換段支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性分析及安全性評(píng)價(jià)

龐萬(wàn)李， 許 芃

(1. 中鐵二局第六工程有限公司，四川成都610031; 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

球狀風(fēng)化火成巖地層大斷面隧道鉆爆法施工時(shí)，采用單一的開(kāi)挖方法很難滿足隧道安全、快速、經(jīng)濟(jì)施工，隨著工程地質(zhì)及周邊環(huán)境的變化，不同開(kāi)挖工法的適應(yīng)性各不相同，所采取的開(kāi)挖方法也要隨著轉(zhuǎn)化。

本文使用FLAC3D有限差分軟件建立雙側(cè)壁導(dǎo)坑法向三臺(tái)階七步開(kāi)挖法模型，模擬兩種工法開(kāi)挖及工法之間轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)施工全過(guò)程。通過(guò)分析兩種工法及轉(zhuǎn)換段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、安全系數(shù)等評(píng)判指標(biāo)，進(jìn)一步分析兩種工法開(kāi)挖特征以及施工工法的轉(zhuǎn)換對(duì)圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的影響，從而判斷能否安全實(shí)現(xiàn)兩種工法的轉(zhuǎn)換，以期為超大斷面隧道施工提供相關(guān)借鑒價(jià)值和科學(xué)依據(jù)。

1 工程簡(jiǎn)介

廣東汕湛高速公路橫山隧道位于汕頭市潮陽(yáng)區(qū)河溪鎮(zhèn)華陽(yáng)上坑村附近。該隧道為一座分離式雙洞長(zhǎng)隧道，分左、右線呈直線型展布，總體軸線方向?yàn)槟蠔|約105 °。橫山左線隧道起訖樁號(hào)為L(zhǎng)K17+957～LK19+418，長(zhǎng)度為1 461 m；橫山右線隧道起訖樁號(hào)為K17+959～K19+409，長(zhǎng)度為1 450 m。隧道地面最大高程約為226 m，最大埋深約為140 m。公路等級(jí)為高速公路六車道，單洞三車道，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，界限寬度15.25 m，開(kāi)挖斷面面積為131.74～170.93 m2。

橫山隧道洞口段圍巖極破碎，遇水易軟化，巖石主要成分為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部見(jiàn)中風(fēng)化花崗巖，圍巖級(jí)別V級(jí)。為確保進(jìn)洞施工安全，防止開(kāi)挖暴露面積過(guò)大引起掌子面坍塌，進(jìn)洞口采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。當(dāng)隧道進(jìn)入淺埋段，需要在保證施工質(zhì)量的同時(shí)加快施工進(jìn)度，此時(shí)開(kāi)挖工法轉(zhuǎn)換為三臺(tái)階七步開(kāi)挖法。

2 工法轉(zhuǎn)換段施工開(kāi)挖

在開(kāi)挖模擬計(jì)算過(guò)程中，為方便模型計(jì)算，前半段擬采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模擬開(kāi)挖，以2 m為一個(gè)開(kāi)挖步，后半段的三臺(tái)階七步開(kāi)挖法考慮2 m的開(kāi)挖進(jìn)尺為一個(gè)開(kāi)挖步。按照對(duì)應(yīng)工法的工序開(kāi)挖、支護(hù)交替，這樣不斷地循環(huán)來(lái)模擬整個(gè)隧道的開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程。擬在垂直于隧道軸線、y=40 m處的開(kāi)挖截面附近進(jìn)行兩種工法之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換前后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七步法開(kāi)挖工序分別如圖1、圖2所示。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖工序示意

圖2 三臺(tái)階七步法開(kāi)挖工序示意

在未進(jìn)入三臺(tái)階預(yù)留核心土法前，支護(hù)全部按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖法支護(hù)參數(shù)實(shí)施，進(jìn)入三臺(tái)階預(yù)留核心土法后支護(hù)則按三臺(tái)階預(yù)留核心土法支護(hù)參數(shù)施工。

(1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖法每步臺(tái)階距離保持2 m，三臺(tái)階預(yù)留核心土法每步臺(tái)階距離為2～3 m。

(2)在施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)決定是否采用臨時(shí)橫撐及臨時(shí)豎撐，并在施工前準(zhǔn)備好應(yīng)急的豎撐材料。

(3)工法轉(zhuǎn)換期間，雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖法和三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工中，每次進(jìn)尺一榀鋼拱架。

(4)在開(kāi)挖過(guò)程中，加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，及時(shí)掌握掌子面前方地質(zhì)情況。

(5)盡早拆除雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖法的臨時(shí)鋼拱架，及時(shí)施作仰拱及二襯。

3 模型建立與參數(shù)選取

3.1 模型建立

計(jì)算模型大小及邊界條件設(shè)置如下：水平方向自隧道中心線至模型兩邊取50 m，模型沿隧道縱向取80 m，埋深為40 m。兩側(cè)施加水平方向的位移約束，與隧道軸線垂直的前后兩側(cè)施加沿軸向的位移約束，底部邊界施加垂直方向的位移約束；由于隧道埋深為90 m，為方便計(jì)算，采用頂部施加覆土50 m高度均勻土層的自重荷載來(lái)簡(jiǎn)化模型，故模型埋深為40 m，不進(jìn)行位移約束。模型建立如圖3～圖5所示。

圖3 三維整體計(jì)算模型

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道斷面及支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖5 三臺(tái)階預(yù)留核心土法隧道斷面及支護(hù)結(jié)構(gòu)

3.2 參數(shù)選取

初期支護(hù)為厚28 cm的噴射混凝土，二襯厚度為60 cm；計(jì)算中圍巖、二襯采用實(shí)體單元，為摩爾庫(kù)倫模型，初期支護(hù)采用Liner單元，臨時(shí)鋼支撐采用Shell單元進(jìn)行模擬，鋼拱架的作用采用等效剛度的方法考慮到初期支護(hù)中，初期支護(hù)和臨時(shí)鋼支撐采用線彈性模型。計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形及安全性分析

4.1 初期支護(hù)變形與受力分析

隧道模擬開(kāi)挖結(jié)束后，初期支護(hù)受力及變形如圖6～圖8所示。

圖6 初期支護(hù)第一主應(yīng)力

圖7 初期支護(hù)第三主應(yīng)力

圖8 初期支護(hù)豎向位移

由圖6～圖8可得，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖時(shí)拱頂和仰拱處初期支護(hù)受力小于兩側(cè)拱腰處受力，拱頂豎向位移為-13.52 mm，仰拱豎向位移為19.98 mm；三臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖時(shí)拱頂處初期支護(hù)受力要比仰拱處受力大得多，拱頂豎向位移為-17.37 mm，仰拱豎向位移為2.11 mm。究其原因是在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖過(guò)程中，先開(kāi)挖左右兩側(cè)，初期支護(hù)受力相對(duì)較早；在三臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖過(guò)程中，先開(kāi)挖拱頂，最后開(kāi)挖仰拱，預(yù)留核心土充分發(fā)揮了作用，圍巖應(yīng)力釋放更多，故初期支護(hù)受力較拱頂處要小得多。兩種工法相比較，工法轉(zhuǎn)換后初期支護(hù)受力相對(duì)變小，拱頂位移變形相差不大，仰拱位移變形要小得多，說(shuō)明了工法轉(zhuǎn)換安全施工的可行性。

4.2 二次襯砌變形與受力分析

提取三個(gè)目標(biāo)斷面(z=20 m、40 m、60 m)處二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)比工法轉(zhuǎn)換斷面與前后兩種工法施作斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力沿截面分布情況，得出工法轉(zhuǎn)換對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，如圖9～圖14所示。

圖9 y=20 m處斷面二次襯砌彎矩(單位:kN·m)

圖10 y=40 m處斷面二次襯砌彎矩(單位:kN·m)

圖11 y=60 m處斷面二次襯砌彎矩(單位:kN·m)

圖12 y=20 m處斷面二次襯砌軸力(單位:kN)

圖13 y=40 m處斷面二次襯砌軸力(單位:kN)

圖14 y=60 m處斷面二次襯砌軸力(單位:kN)

根據(jù)圖9～圖11可知，z=20 m、40 m、60 m三個(gè)斷面二次襯砌彎矩分布規(guī)律基本相似，從拱頂往拱腳呈增大趨勢(shì)，拱頂部位彎矩明顯小于其余部位；但在z=20 m、z=40 m處雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖支護(hù)完成后，在拆撐部位出現(xiàn)反彎點(diǎn)，在z=60 m處三臺(tái)階七步法開(kāi)挖支護(hù)后，拱肩、仰拱部位彎矩連續(xù)變化，未出現(xiàn)突變；從數(shù)值上來(lái)看，在右拱腰處彎矩值較小，分別為5.3 kN·m、3.8 kN·m、2.9 kN·m，左墻腳處較大，分別為315.9 kN·m、178.2 kN·m、100.1 kN·m，仰拱部位彎矩值也較大，分別為138.9 kN·m、96.3 kN·m、53.0 kN·m；根據(jù)圖12～圖14可知，z=20 m、40 m、60 m三個(gè)斷面初支軸力分布規(guī)律基本相似，斷面左右兩側(cè)、拱頂和仰拱處軸力值較大，軸力分布左右側(cè)在數(shù)值上稍有差別，這是因?yàn)閿嗝孀笥议_(kāi)挖步驟不同導(dǎo)致；從數(shù)值上來(lái)看，三個(gè)斷面在拱頂處軸力值分別為2 149.6 kN、822.3 kN、490.3 kN，仰拱處分別為2 324.2 kN、1 428.9 kN、1 340.0 kN；可以看出工法轉(zhuǎn)換對(duì)結(jié)構(gòu)軸力有一定的影響。

4.3 安全性分析

由圖15～圖17可知，從全截面上來(lái)看，三臺(tái)階七步法初支安全系數(shù)大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，兩種工法施作結(jié)構(gòu)各截面均能滿足規(guī)范要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)是安全的；兩種不同開(kāi)挖工況下，安全系數(shù)均在墻腳仰拱附近處最小，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為7.9，三臺(tái)階七步法為37.1，工法轉(zhuǎn)換段為24.9。從結(jié)構(gòu)安全角度來(lái)說(shuō)，能安全實(shí)行雙側(cè)壁導(dǎo)坑與三臺(tái)階七步法的轉(zhuǎn)換。在施工中，對(duì)于采用不同的工法時(shí)，著重監(jiān)測(cè)安全系數(shù)最小的部位，尤其要注意加強(qiáng)對(duì)工法轉(zhuǎn)換段的監(jiān)測(cè)工作。

圖15 y=20 m處斷面安全系數(shù)

圖16 y=40 m處斷面安全系數(shù)

圖17 y=60 m處斷面安全系數(shù)

5 結(jié)論

本文針對(duì)橫山隧道中采用的兩種工法及工法轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與三臺(tái)階七步開(kāi)挖法工法轉(zhuǎn)換前后的施工過(guò)程進(jìn)行了模擬，對(duì)比分析了轉(zhuǎn)換段與前后工法段支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的力學(xué)響應(yīng)，研究?jī)煞N工法的適應(yīng)性及轉(zhuǎn)換技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)轉(zhuǎn)換段初支結(jié)構(gòu)所受內(nèi)力分布規(guī)律和數(shù)值大小與轉(zhuǎn)換前后段只有細(xì)微變化，工法轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較小，從全截面上來(lái)看，轉(zhuǎn)換段初支結(jié)構(gòu)安全系數(shù)略小于轉(zhuǎn)換前后，但兩種工法及工法轉(zhuǎn)換段施作結(jié)構(gòu)各截面均能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。在施工中，對(duì)于采用不同的工法時(shí)，著重監(jiān)測(cè)安全系數(shù)最小的部位，尤其要注意加強(qiáng)對(duì)工法轉(zhuǎn)換段的監(jiān)測(cè)工作。

(2)綜上所述，根據(jù)橫山隧道實(shí)際地質(zhì)條件，可考慮在洞口淺埋段采用雙側(cè)壁法施工，通過(guò)洞口破碎段之后可考慮轉(zhuǎn)換為三臺(tái)階七步法施工。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換段的圍巖應(yīng)力場(chǎng)、初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)和洞周位移分析，發(fā)現(xiàn)通過(guò)工法轉(zhuǎn)換段時(shí)雖對(duì)圍巖有著一定的擾動(dòng)，但與前后工法斷面各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比，均顯示能夠安全穩(wěn)定通過(guò)工法轉(zhuǎn)換段。需要注意的是，通過(guò)工法轉(zhuǎn)換段時(shí)，必須嚴(yán)格按照轉(zhuǎn)換段施工過(guò)渡步驟，快速通過(guò)，規(guī)范施工。