淺埋段軟巖隧道施工工法優(yōu)化模擬應(yīng)用分析

李忠， 王偉,2*， 林玉剛,3， 沈?qū)W軍，3， 翟世鴻,4， 李赤謀，5， 毛永強，5

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司, 湖北 武漢 430040; 2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司; 3.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心;4.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室; 5.中交文山高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司)

近幾十年來隨著交通建設(shè)的發(fā)展，中國鐵路和公路隧道工程建設(shè)取得了令世人矚目的成就，無論是建設(shè)規(guī)模、建設(shè)速度，還是已經(jīng)投入運營的工程數(shù)量皆為世界第一。目前，不同長度、不同類型的山嶺隧道大量涌現(xiàn)，難免會遇到地質(zhì)條件復(fù)雜及穿越不良地質(zhì)帶的情況。其中隧道進口淺埋段軟巖大變形災(zāi)害較為常見，嚴重影響施工安全與進度，也增加工程經(jīng)濟負擔。而有關(guān)軟巖隧道大變形控制技術(shù)的研究頗受關(guān)注，也取得了一定研究成果。汪波等依托杜家山公路隧道從圍巖變形能釋放及優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)受力等方面提出了讓壓支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，改善了軟巖隧道支護結(jié)構(gòu)受力特性；譚杰依托三亞隧道對穿越全風化石英富水軟弱地層段施工技術(shù)進行研究，提出了水平旋噴預(yù)加固處治方案；趙志剛等依托大變形隧道事故案例，結(jié)合地質(zhì)及圍巖特點研究了軟巖隧道變形及破壞特征和原因，提出了合理有效的變形控制技術(shù)及施工工藝；戴永浩等依托大梁隧道工程對開挖后的圍巖變形進行監(jiān)測分析，提出“拱架+錨桿+鋼筋網(wǎng)”協(xié)同聯(lián)合支護方案，成功解決軟弱圍巖支護難題；張龍生等依托蓮花山隧道穿越富水軟巖塌方過程中的圍巖及支護應(yīng)力、位移及滲流場進行分析，提出塌方綜合治理措施；趙偉等通過理論和數(shù)值模擬計算研究了讓壓預(yù)應(yīng)力錨索在隧道大變形中的應(yīng)用，解決了高地應(yīng)力、高流變性軟巖大變形控制難題；李賢等依托某中和村隧道對大變形軟巖隧道的變形規(guī)律進行研究，得出了隧道二襯最佳支護時機。

綜上所述，軟巖大變形是國內(nèi)外隧道施工中面臨的共同核心難題，但由于隧道工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，大變形問題在理論和實踐方面的研究還不夠，設(shè)計和施工企業(yè)也沒有形成行之有效的變形控制技術(shù)方案?；诖?，該文依托在建大法郎隧道工程，對軟巖隧道洞口淺埋段變形特征及原因進行分析，并進行不同施工工法下的數(shù)值模擬研究，提出適合于該隧道的施工工法。

1 依托工程概況

在建大法郎隧道位于云南省西疇縣蓮花塘鄉(xiāng)，為分離式單洞兩車道隧道，左線隧道總長3 390 m，右線隧道總長3 375 m，屬于特長公路隧道，隧道最大埋深約206.5 m。隧道進口段受不良地質(zhì)影響，總體進度緩慢，單洞平均進尺為11.5 m/月，隧道初支侵限與掌子面溜塌事故頻發(fā)，施工安全風險極高。根據(jù)地質(zhì)補勘揭露顯示，隧道進口位于一松散堆積體內(nèi)，堆積體厚為3～50 m，坡體物質(zhì)以板巖、炭質(zhì)頁巖風化殘留形成的粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、碎石、塊石為主，土中粗顆粒成分含量約為55%。該隧道進口段圍巖松散破碎，受地表水及持續(xù)性的降雨影響，進洞段圍巖滲水嚴重，圍巖遇水軟化成泥，強度降低，基本喪失自穩(wěn)能力，嚴重影響圍巖穩(wěn)定性和初支支護效果。

2 現(xiàn)場大變形特征及原因

隧道施工過程中掌子面經(jīng)常出現(xiàn)溜塌、掉塊及地表塌陷等破壞現(xiàn)象。初支大變形特征主要表現(xiàn)為以下幾點：

(1) 圍巖變形量大、變形速率快

YK42+495～YK42+515圍巖段累計拱頂沉降量較大，達612～631 mm，累計周邊收斂為225～397 mm，因此該圍巖段初期支護侵限。其中典型斷面YK42+460最大沉降速率為96.0 mm/d，現(xiàn)場及時采取補強措施后，變形速率衰減較快，但由于局部收斂變形過大，導(dǎo)致拱腰塑形擠出現(xiàn)象。

(2) 掌子面擠出變形、拱架扭曲

通過縱向擠出位移對比分析得出：掌子面縱向擠出位移普遍較大，最大達到134.6 mm，掌子面出現(xiàn)鼓出。右拱肩至拱腰位置測點縱向擠出位移明顯大于左拱肩至拱腰位置測點，邊墻位置次之，拱頂位置測點最小，所以導(dǎo)致在拱腰偏下位置型鋼扭曲嚴重。

(3) 變形易受開挖擾動

典型斷面YK42+400變形速率波動性較大，表明圍巖變形受施工開挖擾動影響顯著，尤其是上臺階、中臺階開挖引起的變形最大，占總變形量的80.41%，仰拱施作占5.10%，主要是由于采用環(huán)形臺階預(yù)留核心土法，上、中、下臺階左右側(cè)均需錯開施工，工序銜接不當導(dǎo)致開挖步距較長，初支閉合所需時間長，因此，該工法不利于軟弱圍巖隧道變形控制。而根據(jù)各施工階段圍巖變形分析可知，上、中臺階開挖是圍巖變形控制的關(guān)鍵工序，選擇合理的施工工法縮短上中臺階長度，及時初支閉合成環(huán)，將有利于控制圍巖整體變形，因此提出對現(xiàn)場施工工法進行優(yōu)化。

3 工法優(yōu)化數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

考慮隧道開挖的影響范圍，在減少“邊界效應(yīng)”的前提下，模型建立時選取3～5倍洞徑(3D～5D)的計算范圍，整個模型尺寸為80 m(長)×24 m(寬)×85 m(高)。其中，上邊界取至地表，隧道埋深約為35 m，隧道周邊圍巖為均質(zhì)，模型單元全部采用三維Solid單元，初期支護采用Shell單元，錨桿采用Liner單元。假設(shè)沿隧道開挖軸線方向為Y方向，豎直向上為Z方向，隧道掘進方向右側(cè)為X方向，整個模型上部地表為自由邊界，其余邊界均施加法向約束。為了保證計算精度和速度，將開挖區(qū)域的單元網(wǎng)格進行加密，遠離開挖區(qū)域的網(wǎng)格相對稀疏。模型自上而下依次為：粉質(zhì)黏土、含礫石粉質(zhì)黏土、全風化頁巖、強風化頁巖。

3.2 計算參數(shù)選取

應(yīng)用數(shù)值計算軟件反演分析確定符合現(xiàn)有變形特征及支護參數(shù)下的地層參數(shù)(圖1)，進而開展4種不同工況下的數(shù)值模擬分析，以確定合理的施工工法。參照隧道設(shè)計支護參數(shù)及規(guī)范，鋼拱架的支護作用采用等效剛度的方法計算，即將鋼拱架的彈性模量折算到初支混凝土中。具體計算方法為：

(1)

式中：Ec為折算后混凝土彈性模量(MPa)；E0為原混凝土彈性模量(MPa)；As為鋼拱架截面面積(cm2)；Es為鋼材彈性模量(MPa)；Ac為混凝土截面面積(cm2)。模型計算參數(shù)如表1所示。

圖1 地層參數(shù)反演分析流程

表1 計算模型參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬工況

開展4種不同開挖工況下的數(shù)值模擬研究，分別為：工況1為三臺階預(yù)留核心土法(模擬現(xiàn)場實際工法)、工況2為三臺階臨時仰拱法、工況3為CD法、工況4為CRD法，如圖2所示。其中，環(huán)形臺階預(yù)留核心土法施工過程模擬為上臺階開挖進尺為0.6 m，上臺階高度為3.5 m，長度為5 m，核心土高2 m，寬4 m；中臺階和下臺階開挖進尺為1.2 m，中臺階高度為3.5 m，長度為6 m，中臺階左右側(cè)間隔3 m；下臺階高度為3.5 m，長度為6 m，下臺階左右側(cè)間隔3 m，仰拱一次進尺開挖長度為3 m，相應(yīng)初期支護及時封閉成環(huán)。其他工況模擬均參照工況1進行調(diào)整，開挖進尺均為0.6 m，相應(yīng)各臺階步距與之相對應(yīng)。

圖2 4種模擬工況示意

3.4 計算結(jié)果分析

3.4.1 地表沉降分析

圖3為不同施工工況下的地表沉降曲線。

圖3 地表沉降曲線

由圖3可得：隧道開挖施工引起的地表沉降呈現(xiàn)典型的“凹”形沉降槽，沉降量變化趨勢較一致，且沉降槽寬度較大，地表中心線處沉降量最大，向兩側(cè)逐漸減小，減小速率較慢。工況1采用環(huán)形臺階預(yù)留核心土法施工時，地表最大沉降為323.07 mm，而工況2、3、4地表最大沉降值相比較小，分別為工況1的51.54%、36.17%及31.36%，說明工況2、3、4控制地表沉降效果均比工況1好。

3.4.2 洞內(nèi)周邊位移分析

(1) 豎向位移和水平位移

圖4為4種工況下隧道開挖完成后圍巖豎向位移和水平位移(左圖為豎向位移，右圖為水平位移)。

從圖4可以看出：隧道開挖引起的圍巖變形整體表現(xiàn)為拱頂沉降較為明顯，下部仰拱產(chǎn)生地層隆起，圍巖變形基本上關(guān)于隧道中心線呈對稱分布狀態(tài)，沉降量由兩邊向中間逐漸增大。而水平位移最大值主要出現(xiàn)在隧道兩側(cè)拱腰及拱腳位置，呈現(xiàn)“X”形分布。

圖4 4種不同工況下豎向位移和水平位移(單位：m)

圖5、6分別為不同工況下豎向位移和水平位移隨施工步變化曲線及占比。

從圖5、6可以看出：隧道洞內(nèi)變形隨施工步呈“廠”字形分布。并且水平位移隨施工步的變化規(guī)律與豎向位移規(guī)律相似，但先期水平位移普遍比豎向位移大，說明松散軟巖隧道開挖初期圍巖應(yīng)力釋放時，前方圍巖水平初始地應(yīng)力較大，但總體上還是豎向位移大于水平位移，也體現(xiàn)出了松散軟弱圍巖隧道最大位移與最大主應(yīng)力方向正交的規(guī)律。另外，與CRD法相比，三臺階臨時仰拱法在上臺階開挖時位移占比較大，而在下臺階、中臺階及仰拱施作時均比CRD法小，表明采用三臺階臨時仰拱法，上臺階開挖后增加臨時仰拱，及時封閉初期支護后變形增長速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，也進一步表明初支及時封閉對圍巖變形控制具有重要作用。而CRD法工序繁多、圍巖擾動頻繁，初支閉合時間長，初支封閉臺階長度長，所以各施工階段圍巖變形減小緩慢，但總體變形較小。

圖5 不同工況下圍巖位移隨施工步變化曲線

圖6 不同工況下圍巖變形占比

(2) 掌子面擠出位移

圖7為不同工況下掌子面擠出位移云圖。

從圖7可以看出：不同工況下掌子面擠出變形主要集中在掌子面臨空面，其中各工況上臺階斷面擠出位移最大，由斷面中心向四周逐漸減小，而下臺階掌子面擠出位移量總體小于上臺階，但分布規(guī)律類似，主要由于上臺階開挖時相當于圍巖超前應(yīng)力釋放，所以導(dǎo)致下臺階上部圍巖應(yīng)力減小，故下部分擠出位移相比較小。此外，工況4掌子面擠出位移最小，工況1掌子面擠出位移最大，而工況2比工況1減小了8.49%，因此，在控制掌子面擠出位移方面，三臺階臨時仰拱法由于臨時仰拱改善了支護結(jié)構(gòu)受力，掌子面擠出變形也相應(yīng)較小。

圖7 不同工況下掌子面擠出位移(單位：m)

3.4.3 對比分析

表2為各工況豎向位移與水平位移對比。

從表2可知：不同工況下的豎向位移大小關(guān)系為：工況1>工況2>工況3>工況4；不同工況下的水平位移大小關(guān)系為：工況1>工況3>工況2>工況4；不同工況下的掌子面擠出位移大小關(guān)系為：工況1>工況2>工況3>工況4；因此，工況4-CRD法在圍巖變形控制方面有著良好的優(yōu)勢，而三臺階臨時仰拱法在控制變形方面亦有較好的優(yōu)勢，綜合考慮工期、施工工序及技術(shù)經(jīng)濟效益等方面，在允許圍巖產(chǎn)生一定變形的情況下，優(yōu)先考慮選擇三臺階臨時仰拱法。為了進一步保證優(yōu)化開挖工法對圍巖大變形的控制，同時也采取了相應(yīng)支護參數(shù)加強措施。

表2 各工況位移及優(yōu)缺點對比

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用措施

三臺階臨時仰拱法具體施工工藝流程為：① 上導(dǎo)洞開挖與支護；② 上斷面核心土開挖，并施作上臺階臨時仰拱，不得少于4榀；③ 根據(jù)監(jiān)控測量數(shù)據(jù)，拆除上臺階后兩榀臨時仰拱，中導(dǎo)坑左右側(cè)開挖與支護；④ 施作中臺階臨時仰拱，不得少于4榀；⑤ 根據(jù)監(jiān)控測量數(shù)據(jù)，拆除中臺階后兩榀臨時仰拱，下導(dǎo)坑開挖與支護；⑥ 仰拱開挖與支護(按3m每循環(huán)開挖支護)；⑦ 施作仰拱；⑧ 仰拱填充；⑨ 二次襯砌澆筑。

現(xiàn)場施工控制技術(shù)要點主要包括3個方面，分別為：設(shè)計方面要求施作臨時仰拱時需設(shè)置合理矢拱高，提高支護抗變形能力；施作時機方面要求臨時仰拱應(yīng)及時、逐榀跟進，逐榀拆除，有效仰拱不少于4榀，施作靈活，可根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)確定施作位置(可上臺階、可中臺階)；現(xiàn)場施工要求清理臺階下虛渣及雜物，各節(jié)臨時仰拱在全環(huán)封閉之前置于穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，并保證足夠的承載力，臨時仰拱連接位置采用預(yù)留鋼板螺栓連接牢固，并保證縱向連接的穩(wěn)定性。

同時現(xiàn)場也根據(jù)圍巖預(yù)留變形量及不同施工階段采取了補強加固措施，如圖8所示。在上臺階施工完成后增加上臺階臨時套拱和斜撐(與原初支拱架同型號)，臨時斜撐角度為45°～60°；在中臺階施工時預(yù)留套管，當中臺階變形過大，可增加φ76 mm長度為6～8 m的中管棚進行圍巖深部注漿補強，從而起到主動加固圍巖，控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展等作用，有效控制了圍巖大變形；在上、下臺階施工時采用每榀拱架兩側(cè)增加2根長度5.0 m的φ42 mm鎖腳錨管進行加固，以防止拱腳落空下沉。此外，拱架連接板位置采用22號槽鋼作為縱向連接，其他位置采用10號槽鋼，形成一個受力整體抵抗圍巖縱向變形，防止拱架扭曲變形。

圖8 現(xiàn)場支護加強措施

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

圖9為拱頂沉降曲線對比分析圖。

從圖9可以看出：典型斷面YK42+470大變形段，最大累計沉降為661.9 mm，隧道開挖前期圍巖變形速率較大，最大達到59.8 mm/d，遠大于規(guī)范5 mm/d的要求；而采取優(yōu)化工法及加強施工措施后典型斷面YK42+528最大累計沉降為296.6 mm，最大沉降速率明顯減小，圍巖變形很快趨于穩(wěn)定，最終累計變形量小于預(yù)留變形量值，初支局部擠出現(xiàn)象明顯改善，初支圓順光滑，可避免出現(xiàn)初支侵限現(xiàn)象。

圖9 拱頂沉降曲線對比分析

5 結(jié)論

(1) 洞口淺埋段軟巖隧道受地層巖性及地表水等因素影響，總體表現(xiàn)出圍巖變形量大、變形速率快，掌子面擠出、拱架扭曲變形，變形易受開挖擾動等特點；而初支變形破壞過程主要為：圍巖變形量增加→初支出現(xiàn)裂縫、掉塊→拱架發(fā)生扭曲→初支開裂、掉塊加劇→溜塌或冒頂塌方。受施工工法影響及工序銜接不緊密，初期支護封閉不及時，導(dǎo)致上、中臺階開挖引起的圍巖變形較大，因此，上、中臺階施工是圍巖變形控制的關(guān)鍵階段。

(2) 對隧道施工工法優(yōu)化數(shù)值模擬分析結(jié)果表明：采用三臺階臨時仰拱法施工，上臺階開挖后增加臨時仰拱，及時封閉初期支護使變形增長速率明顯減小并趨于穩(wěn)定，總體變形控制較CRD法存在劣勢，但綜合考慮工期、施工銜接及技術(shù)經(jīng)濟效益，優(yōu)先考慮選擇三臺階臨時仰拱法。采用三臺階臨時仰拱法施工時，為更好發(fā)揮臨時仰拱的作用，同時從設(shè)計、施作時機及施工等3個方面提出了相應(yīng)的控制要點。

(3) 將三臺階臨時仰拱法應(yīng)用于現(xiàn)場實踐中，可在上臺階、中臺階或上中臺階施作臨時仰拱，施作位置較靈活，并根據(jù)圍巖變形情況，合理選擇不同支護加強措施，圍巖變形速率及累計變形量明顯減小，圍巖變形很快趨于穩(wěn)定狀態(tài)，防止了隧道初支侵限的發(fā)生。