超淺埋過江隧道機械微擾動開挖工法研究*

郭弘宇，張承富

(中建五局土木工程有限公司,湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著城市化進程的加快，市區(qū)跨越河流的交通矛盾越來越突出，已經(jīng)嚴重制約了依托兩岸拓展城市的發(fā)展空間。相比于與其他跨越江河湖海的工程方法，水下隧道具有其獨特的優(yōu)勢，近些年來在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展[1-3]。

城市水下隧道常用的修建方法有：礦山法、盾構(gòu)法、沉管法等。這些修建方法各有優(yōu)缺點，有其適用的范圍。與沉管法相比，礦山法具有不干擾航運的優(yōu)勢；與盾構(gòu)法相比，礦山法具有機動靈活的優(yōu)勢，且對于中短長度過江隧道的施工又具有造價較低、工期較短的優(yōu)勢。同時，城市過江隧道因河道寬度有限、又考慮到節(jié)約城市土地資源、方便連接兩岸既有道路需要，采取“水下淺埋”的形式以滿足坡度設(shè)置的要求。因此，城市過江隧道宜采用低擾動的銑挖法施工。

銑挖工藝適用于圍巖強度等級較低、對地表沉降及圍巖變形有嚴格控制要求的工程[4-7]，易與其他施工工法結(jié)合運用。考慮隧道圍巖強度和穩(wěn)定性，銑挖法特別適用于不宜采用鉆爆法的軟弱圍巖地段，如黃土地層、風(fēng)化巖或者斷層等軟弱圍巖。項志敏等[8]以采用銑挖法施工的瀏陽河隧道為依托，在理論研究的基礎(chǔ)上，借鑒懸臂式掘進機和裝配式銑挖機在煤礦采掘行業(yè)中的研究成果，結(jié)合實際工程地質(zhì)，進行現(xiàn)場工藝試驗，對EBZ160S型懸臂式掘進機進行了適應(yīng)性研究，結(jié)果表明：銑挖法適用于巖石強度小于20MPa、裂隙發(fā)育、開挖節(jié)理、巖體完整性差的圍巖。董輝等[9]通過數(shù)值模擬與實際數(shù)據(jù)監(jiān)控測量，分析了瀏陽河隧道開挖時三臺階鉆爆法與機械銑挖法的卸荷瞬態(tài)特性及動力效應(yīng)對河堤的影響，結(jié)果表明：機械銑挖法能有效地控制豎向位移，且不增加圍巖應(yīng)力，能有效提高淺埋過江隧道工程掘進作業(yè)的安全性和可靠性。關(guān)則廉[10]通過對廣州地鐵6號線站前銑挖隧道的工程實踐進行研究，摸索出了EBZ-132型懸臂式掘進機在粉砂質(zhì)泥巖條件下的掘進參數(shù)及掘進機機械配套模式，提出在軟巖隧道施工中，懸臂式掘進機具有圍巖擾動小、適應(yīng)能力強、開挖質(zhì)量及安全性高等傳統(tǒng)礦山法不可比擬的優(yōu)勢。

超大斷面、小凈距公路隧道由于其跨度較大、結(jié)構(gòu)規(guī)則性差、受力條件復(fù)雜，施工時諸多工序相互影響大，圍巖失穩(wěn)和襯砌結(jié)構(gòu)開裂及破壞現(xiàn)象極易發(fā)生。因此，在設(shè)計階段和施工之前，必須對隧道施工過程力學(xué)狀態(tài)進行研究，了解圍巖體及襯砌結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞的情況及部位，以及采用何種施工方案對隧道圍巖體的穩(wěn)定性影響較小，并根據(jù)其影響規(guī)律采取針對性的加固措施和圍巖支護結(jié)構(gòu)，確保隧道施工安全。根據(jù)隧道工程實際賦存地層的地質(zhì)情況，常采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD工法或CRD工法、臺階法、全斷面法或其組合方法[2,10-13]。李國等[14]采用上下臺階方法(其中上臺階分為左右區(qū)域分部開挖)從銑挖施工順序方案確定的主要影響因素分析入手，建立隧道銑挖施工順序方案優(yōu)化模型。張博[6]依托香山莊銑挖隧道，采用有限差分軟件FLAC3D分別探究了水平、水平循環(huán)、豎向、環(huán)形、中槽等銑挖步序以及臺階法、中隔壁法、交差中隔壁法等開挖工法對圍巖擾動的影響。張聚文[11]以瀏陽河公路隧道為工程背景，結(jié)合流固耦合理論與斷裂損傷理論，使用FLAC3D 軟件建立了瀏陽河隧道數(shù)值模型，模擬分析了隧道開挖的動態(tài)過程，研究不同工況下圍巖和襯砌力學(xué)特征及變化規(guī)律。熊啟東等[15]通過建立重慶某越江隧道的數(shù)值模型，計算分析了在不同覆土厚度和不同水位下，越江隧道襯砌的應(yīng)力和位移變化特征。王秀英等[16]通過現(xiàn)場實測、理論分析及模型試驗研究了水下隧道復(fù)合式襯砌的水壓特征，結(jié)果表明：在考慮隧道排水的前提下，注漿圈越厚、注漿質(zhì)量越好，分擔(dān)的水壓力就越大，襯砌承擔(dān)的水壓力就越小，但考慮到經(jīng)濟與結(jié)構(gòu)的合理性，應(yīng)該取最佳注漿圈厚度(3～8m)；初襯承擔(dān)的水壓力主要由初襯與注漿圈滲透系數(shù)的比值決定。然而有關(guān)采用銑挖法開挖圍巖級別差、超淺埋的水下隧道施工方案的研究鮮有報道。

綜上，國內(nèi)外對懸臂式掘進機銑挖隧道時圍巖受銑挖步序擾動的分析極少，適用于懸臂式掘進機銑挖法的設(shè)備配套以及輔助工藝體系方面仍有較大的改善空間。本文以贛州市蓉江新區(qū)蓉江隧道為研究對象，遵從圍巖暴露時間短、襯砌早封閉、拱腳早落地的原則，提出一種適用于銑挖機開挖的大斷面、超淺埋、圍巖級別差的水下隧道施工工法。

1 模型建立

工程場地屬對稱的丘嶺崗地和河谷堆積地貌，兩岸地形基本對稱。工程區(qū)勘探深度范圍內(nèi)，揭露地層為人工填土、第四系全新統(tǒng)沖擊層、上更新統(tǒng)殘坡積層、下更新統(tǒng)沖擊層、白堊系南雄組基巖。選擇暗挖部分上覆土層較薄處進行數(shù)值研究(里程樁號：K1+700)。該處土層自上而下依次為：第1層為2.8m厚的雜填土，第2層為2.1m厚的淤泥質(zhì)黏土，第3層為5.3m厚的砂卵石土，第4層為大約7.1m厚的強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，第5層是中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。隧道埋深24.3m，其中3.8m處于強風(fēng)泥質(zhì)粉砂巖層中，6.9m處于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中，地下水位埋深在地面以下2.8m處。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

本文采用有限元軟件PLAXIS研究了不同開挖工法對隧道穩(wěn)定性的影響。為了減少邊界條件對分析結(jié)果的影響，模型邊界為6倍洞徑，如圖1所示。計算過程中土體采用實體單元模擬，所有土層均采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型；支護結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，并采用彈性本構(gòu)模型模擬其力學(xué)行為。

圖1 計算模型

2 數(shù)值模型試驗方案

該過江隧道屬于超淺埋、大斷面、圍巖條件差的公路隧道。由于隧道位于航空禁飛區(qū)，且變形控制要求嚴格，經(jīng)過專家評定決定采用銑挖機開挖的工法?？紤]到銑挖機的結(jié)構(gòu)特征以及銑挖機在開挖過程中需滿足的幾何條件，在CD工法的基礎(chǔ)上，提出一種新的適用于大斷面、淺埋、變形要求嚴格的隧道開挖工法(改進CD工法)，如圖2所示。該工法將隧道斷面分解為7個部分，按順序分步開挖，結(jié)合超前加固以及快速封閉臨時支撐等措施，有效減小隧道開挖對圍巖的擾動效應(yīng)，減少圍巖變形。

圖2 CD法與改進CD法

數(shù)值試驗中分別進行了改進CD法和CD法的模擬。開挖過程中為了模擬支護的延時性，采用給開挖面施加法向應(yīng)力并逐步減少法向應(yīng)力的方法，即地層荷載法。當(dāng)監(jiān)測點的豎向位移急劇增加時施加初期支護，具體開挖步驟如圖3所示。同時，給襯砌以不同程度的收縮來分析圍巖的應(yīng)力重分布以及襯砌所承擔(dān)的荷載。

圖3 改進CD工法開挖步驟

3 試驗結(jié)果分析

3.1 改進CD法

改進CD法開挖-1中不同環(huán)向應(yīng)力荷載工況下的拱頂沉降曲線如圖4所示?？梢钥闯?，隨著環(huán)向應(yīng)力的減少，拱頂沉降開始呈線性變化，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力小于200kN/m2之后沉降快速發(fā)展直至破壞，此時拱頂沉降為5mm。因此，當(dāng)監(jiān)控到拱頂沉降大于5mm之前應(yīng)當(dāng)完成初期支護。同時，開挖1拱頂右側(cè)30°的豎向位移曲線也反映了當(dāng)環(huán)向應(yīng)力小于200kN/m2豎向位移快速發(fā)展這一結(jié)論，此時拱頂右側(cè)30°的豎向位移為10.54mm，如圖5所示。

圖4 改進CD法步驟1拱頂沉降曲線

圖5 改進CD法在拱頂右側(cè)30°處的豎向位移曲線

圖6a為開挖1環(huán)向應(yīng)力為200kN/m2時的有效主應(yīng)力路徑矢量。模型豎直邊界處的主應(yīng)力分布情況與初始應(yīng)力平衡時的主應(yīng)力路基一致，即邊界條件不會影響隧道范圍內(nèi)的應(yīng)力分布，開挖1拱腳處應(yīng)力集中較嚴重，拱圈頂部應(yīng)力基本沿拱形分布。圖6b給出了開挖1的環(huán)向應(yīng)力為200kN/m2時的豎向位移矢量圖。圖中可以看出沉降主要集中在開挖1拱圈中部區(qū)域，且沉降傳遞到地面。由于中隔壁臨時支護的存在拱頂區(qū)域的豎向位移相對較小。

圖6 改進CD法開挖1初期支護有效主應(yīng)力路徑與豎向位移矢量

根據(jù)開挖1不同環(huán)向應(yīng)力工況下的豎向位移云圖，由于拱頂處應(yīng)力集中較突出，且位移受到臨時中隔壁的限制，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力較大時除拱頂外其他區(qū)域的附加應(yīng)力較小。因此，隨著環(huán)向應(yīng)力逐步減少，豎向位移最大值逐漸向拱頂右側(cè)30°區(qū)域移動。

根據(jù)不同環(huán)向應(yīng)力工況下的改進CD法開挖1豎向應(yīng)力云圖，可知開挖1左下角處應(yīng)力集中明顯，隨著環(huán)向應(yīng)力減少開挖1右下角應(yīng)力集中逐漸明顯。隨著環(huán)向應(yīng)力逐漸減少，拱圈中部的應(yīng)力逐漸減少，此處也是豎向位移最大處，如圖6b所示。

圖7給出了改進CD開挖5過程中拱頂左、右30°處的豎向位移曲線。由于拱頂右側(cè)的初期支護已經(jīng)完成，其豎向位移受開挖5的影響較小，僅為4mm。當(dāng)開挖5的環(huán)向應(yīng)力為190kN/m2時，此時拱頂左側(cè)30°處的豎向位移為9.9mm。在拱頂左側(cè)30°處的豎向位移為大于9.9mm之前施作初期支護。在初期支護施作后拱頂左側(cè)30°處的最終豎向位移為12.2mm。

圖7 改進CD法開挖5拱頂右、左側(cè)豎向位移

圖8給出了開挖5初期支護完成后的有效主應(yīng)力矢量與豎向位移矢量。圖8a中拱頂、拱腰處應(yīng)力集中較明顯，并分別以拱頂、拱腰為拱腳形成了兩個對稱的土拱。圖8b拱頂兩側(cè)的豎向位移基本關(guān)于隧道中心線對稱，且豎向位移的影響范圍大致為隧道凈空范圍。對比圖8a，8b，可得出豎向位移較大處應(yīng)力較小，位移較小處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也是在隧道頂上部區(qū)域形成土拱的原因。

圖8 改進CD法開挖5初期支護有效主應(yīng)力路徑、豎向位移矢量

圖9給出了改進CD法分部開挖以及支護完成后施加不同的收縮系數(shù)時拱頂以及拱頂左右側(cè)30°的豎向位移曲線。圖中橫坐標st1代表開挖1支護完成時，c0.001代表襯砌收縮0.1%，以此類推。由圖可得：拱頂處的豎向位移較拱頂兩側(cè)的豎向位移大，拱頂兩側(cè)的豎向位移由于開挖順序的影響略有差異。當(dāng)襯砌收縮率大于0.1%(此時拱頂位移為10.16mm)之后，豎向位移急劇增加。

圖9 襯砌收縮時拱頂及其兩側(cè)的沉降曲線(改進CD法)

圖10給出了收縮系數(shù)為1%時隧道支護結(jié)構(gòu)的彎矩圖。圖中可以得出，拱肩處的彎矩最大，且彎矩關(guān)于隧道中心線呈軸對稱分布。圖11給出了不同收縮系數(shù)工況下，隧道支護結(jié)構(gòu)的彎矩曲線。圖中水平軸是將支護結(jié)構(gòu)從拱底順時針展開后各點到拱底的水平距離。從圖中可以看出，在不同的收縮系數(shù)工況下，拱頂范圍內(nèi)的彎矩值基本保持不變。隨著收縮系數(shù)的增加拱肩、拱底處彎矩逐漸增加。

圖10 襯砌收縮量為1%時襯砌彎矩(改進CD法)

圖11 不同襯砌收縮工況下襯砌的彎矩曲線

3.2 CD法

圖12為CD法開挖3拱頂左、右側(cè)30°處不同環(huán)向應(yīng)力作用下的豎向位移曲線。由于開挖1的初期支護已經(jīng)完成，拱頂右側(cè)30°處的豎向位移增量較小。當(dāng)環(huán)向應(yīng)力小于160kN/m2，拱頂左側(cè)30°處的豎向位移急劇增加。因此，開挖3的初期支護應(yīng)該在環(huán)向應(yīng)力為160kN/m2時施加。

圖12 步驟3拱頂兩側(cè)豎向位移曲線

圖13為CD工法開挖、支護全過程拱頂左、右側(cè)30°處的豎向位移曲線。拱頂兩側(cè)豎向位移隨開挖步驟的變化趨勢不同，但最終豎向位移基本一致分別為13.7，14.2mm。

圖13 兩種工法的開挖與支護過程中拱頂兩側(cè)的沉降曲線

3.3 討論

圖13給出了兩種開挖工法的豎向位移曲線。對比分析兩種開挖工法對隧道拱頂兩側(cè)變形的影響，采用改進CD工法開挖時，拱頂兩側(cè)的豎向位移較CD工法開挖時小。根據(jù)兩種開挖工法開挖完成后的豎向位移矢量圖，在拱頂即拱頂兩側(cè)的豎向位移變化基本一致。然而，對于拱底隆起變形，CD法開挖較改進CD法要大很多。

4 結(jié)語

本文針對過江隧道超淺埋、大斷面、圍巖條件差等實際工程情況，提出一種適用于小凈距、大斷面或超大斷面、圍巖條件差且對圍巖變形控制要求高、并采用銑挖機開挖的工法。該工法充分考慮銑挖機的特征以及銑挖機工作過程中所需滿足的幾何條件，在CD工法的基礎(chǔ)上將開挖面分解為7個區(qū)域，按順序分步開挖。通過數(shù)值試驗對比分析兩種開挖工法對隧道的影響得出如下結(jié)論。

1)改進CD工法能夠有效控制隧道拱頂沉降以及拱腰的水平位移。

2)改進CD工法配合銑挖施工能夠有效減少礦山法施工對圍巖的擾動。

3)改進CD工法拱頂兩側(cè)30°處的主應(yīng)力基本與拱線平行。拱頂、拱腰處應(yīng)力集中較明顯，并分別以拱頂、拱腰為拱腳形成了兩個對稱的土拱。為隧道拱頂理論計算提供了指導(dǎo)思路。