軟巖淺埋隧道錨開挖方案比選研究

李耘宇 申裕峰 李之達(dá) 王廣群 彭浩雄 梁 倩

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢市水務(wù)建設(shè)工程有限公司2) 武漢 430021)

(武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院3) 武漢 430070)

0 引 言

隧道錨作為懸索橋主要承載構(gòu)件，在主纜巨大拉拔荷載作用下錨塞體與圍巖共同受力，形成一個(gè)有機(jī)的受力系統(tǒng)[1]．與常規(guī)隧道不同，隧道錨通常與水平面有較大傾角，形狀為楔形屬于變截面且越往隧道深處斷面越大．上述特點(diǎn)導(dǎo)致隧道錨的施工工法選擇，相比于常規(guī)隧道需要更具準(zhǔn)確性、合理性．

目前，針對(duì)不同形式隧道的開挖方案選擇研究，學(xué)者們已經(jīng)取得了一定的成就．李俊達(dá)等[2]使用案例推理技術(shù)，建立了鐵路隧道開挖方法的輔助決策模型．黃維新等[3]通過分析比較了不同開挖順序，對(duì)軟巖隧道各階段施工過程中圍巖變形量的影響．李昀等[4]借助反演分析方法得到數(shù)值模型參數(shù)，對(duì)臺(tái)階法開挖和全斷面開挖進(jìn)行了方案比選分析．孟哲瑋等[5]采用荷載-結(jié)構(gòu)法的二維有限模型，比較分析了溶巖大斷面隧道的不同開挖支護(hù)方案．申靈君[6]以湘桂鐵路擴(kuò)改工程大坪隧道為工程背景，對(duì)軟弱地層大斷面隧道的交叉中隔壁(CRD)法和三臺(tái)階法兩種施工開挖方案，進(jìn)行多維度的比較分析，論證了在軟弱地層大斷面隧道施工中運(yùn)用三臺(tái)階七步法的可行性．

但是，對(duì)于具有大傾角、軟弱巖層且埋深較淺的復(fù)雜地層隧道式錨碇的開挖方案研究較少．文中以伍家崗長江大橋北岸隧道錨為研究對(duì)象，采用層次權(quán)重決策分析法，對(duì)隧道開挖施工過程中的圍巖變形沉降、施工難度、施工速度、工程造價(jià)進(jìn)行比較分析，并結(jié)合數(shù)值分析軟件FLAC3D對(duì)三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、正臺(tái)階環(huán)形開挖法和CRD法進(jìn)行數(shù)值模擬，得到四種開挖方案下的圍巖變形、應(yīng)力和塑性區(qū)大?。ㄟ^對(duì)比層次權(quán)重決策分析法的分析結(jié)論和數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，為軟巖淺埋隧道錨開挖工法選擇提供科學(xué)指導(dǎo)．

1 工程概況

伍家崗長江大橋?yàn)榭缍? 160 m的鋼箱梁懸索橋，北岸采用隧道式錨碇，南岸采用重力式錨碇結(jié)構(gòu)．隧道錨由洞口、前錨室、錨塞體和后錨室組成，整體呈前小后大的楔形狀．隧道錨結(jié)構(gòu)圖見圖1，其軸線長度90 m，軸線與水平面傾角為40°，后錨室距設(shè)計(jì)路面最大埋深為80 m，前錨面尺寸為9.04 m×11.44 m，后錨面尺寸則為16 m×20 m．

隧道錨場地區(qū)基巖裸露，主要為羅鏡灘組雜色中厚至巨厚層狀礫巖夾砂礫巖或含礫砂巖及砂巖，錨塞體整體位于微風(fēng)化巖層，巖體的飽和抗壓強(qiáng)度為15 MPa，抗剪強(qiáng)度0.7 MPa，屬較軟巖-軟巖．地層總體近水平，產(chǎn)狀傾向SE125°～143°、傾角4°～7°，巖體內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，未見斷層和裂隙，隧道錨所處山體整體穩(wěn)定性較好．

2 層次權(quán)重決策分析方法下開挖方案選擇

2.1 結(jié)構(gòu)開挖方案初選

伍家崗長江大橋北岸隧道錨，大傾角、變截面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給隧道施工帶來較大困難，因此就施工機(jī)械的操作性和出渣的便利性而言，臺(tái)階法較為合適．同時(shí)考慮到洞口段的圍巖情況，和錨塞體段大斷面的特點(diǎn)，CRD法較為合適．由于前錨室段的截面尺寸較小，適合于簡單臺(tái)階法開挖．綜合考慮以上方法特點(diǎn)，再結(jié)合錨塞體對(duì)圍巖整體性較高的要求下，初步確定三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、正臺(tái)階環(huán)形開挖法和CRD法，作為隧道錨的開挖方案進(jìn)行比較選擇，四種開挖方法下的開挖斷面圖見圖2．

圖2 不同開挖方法下的開挖斷面圖

2.2 基于層次權(quán)重決策分析方法的開挖方案量化分析

層次權(quán)重決策分析方法能將一個(gè)多目標(biāo)決策問題分解為多個(gè)目標(biāo)，進(jìn)而分解為多向指標(biāo)的若干層次，通過定性指標(biāo)算出層次單排序和總排序，以優(yōu)化多方案決策問題[7]．

具體比選步驟為：

步驟1建立目標(biāo)分層結(jié)構(gòu)，即相應(yīng)的比選方案和評(píng)價(jià)指標(biāo)，目標(biāo)分層結(jié)構(gòu)圖見圖3．

圖3 層次權(quán)重決策分析法目標(biāo)分層結(jié)構(gòu)圖

步驟2建立兩兩比較的判別矩陣 在統(tǒng)一評(píng)價(jià)指標(biāo)下各施工方法之間的難度對(duì)比見表1．

表1 開挖方法對(duì)比表

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)將開挖方案兩兩比較，給出比分值然后確定判斷矩陣B如下.

(1)

元素bij的確定方法：若開挖方法Pi與Pj優(yōu)劣相當(dāng)，則bij=1；若開挖方法Pi略優(yōu)于Pj，則bij=3；若開挖方法Pi優(yōu)于Pj，則bij=5；若開挖方法Pi甚優(yōu)于Pj，則bij=7．同理，若開挖方法Pi稍劣于Pj，則bij=1/3；若開挖方法Pi劣于Pj，則bij=1/5；若開挖方法Pi甚劣于Pj，則bij=1/7，重要程度介于中間時(shí)可取中間值．

對(duì)于不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，各開挖方案的排序有所不同，具體就施工難度C1而言P1>P3>P2>P4，根據(jù)沉降變形C2則是P4>P2>P3>P1，同樣對(duì)于C3施工速度為P1>P2>P3>P4，工程造價(jià)C4所對(duì)應(yīng)的方案排序?yàn)镻1>P3>P2>P4．根據(jù)以上原則和排序構(gòu)建各評(píng)價(jià)指標(biāo)的判別矩陣見表2．

表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)下判斷矩陣

步驟3一致性檢驗(yàn) 為盡量降低判別矩陣中元素取值的人為性影響，需要利用特征值檢驗(yàn)判別矩陣一致性差異是否滿足要求，即首先計(jì)算判別矩陣最大特征值λmax，再利用式(2)，計(jì)算檢驗(yàn)數(shù)CI，若CI<0.1，則認(rèn)為所列判別矩陣是滿足要求的．

(2)

通過計(jì)算得到各判別矩陣最大特征值λmax，和檢驗(yàn)數(shù)CI見表3．

表3 一致性檢驗(yàn)結(jié)果

步驟4確定開挖方案總排序 確定開挖方案總排序時(shí)，以變形沉降量大小和工程造價(jià)為主要考慮方面，且處于安全性考慮，控制變形沉降量權(quán)重將大于工程造價(jià)權(quán)重，根據(jù)相對(duì)權(quán)重計(jì)算公式求出層次單排序和總排序的結(jié)果，排序見表4．

表4 層次權(quán)重決策分析法下開挖方案總體排序

由表4 可知：當(dāng)目標(biāo)指標(biāo)著重于變形沉降C1和工程造價(jià)C4時(shí)，開挖方案中體排序結(jié)果為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法P2最優(yōu)，CRD法次之；就著眼于控制變形沉降量而言CRD法效果最好，這也符合工程實(shí)際邏輯．因此層次權(quán)重決策分析法下伍家崗長江大橋北岸隧道錨開挖最優(yōu)方案為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法．

3 數(shù)值計(jì)算模型

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

使用計(jì)算軟件FLAC3D，結(jié)合工程地質(zhì)資料建立數(shù)值分析模型，模型以橋梁中心線為X軸，根據(jù)圣維南原理巖體開挖后的應(yīng)力-應(yīng)變只對(duì)3～5倍開挖斷面邊長的范圍內(nèi)的巖體有影響[8]，在該范圍之外可近似認(rèn)為巖體所受應(yīng)變?yōu)榱悖嗜∮?jì)算模型的范圍為240 m×150 m×150 m，X軸取前錨室前端中心點(diǎn)正方向135 m，負(fù)方向105 m，Y軸取垂直橋梁中心線左右兩邊各75 m，Z軸從高程-60 m至地表．

巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，用實(shí)體單元模擬，通過六面體為主的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；襯砌采用線彈性本構(gòu)模型，用shell單元模擬；錨桿采用線彈性本構(gòu)模型，用cable單元模擬．由于隧道錨屬于淺埋型隧道，其構(gòu)造應(yīng)力場很小幾乎可以忽略，所以在模擬分析時(shí)僅考慮自重應(yīng)力場的作用．

模型中圍巖力學(xué)參數(shù)的設(shè)定，將會(huì)直接影響到隧洞的拱頂沉降大小和洞周圍巖的收斂情況[9]，而隧道錨初期支護(hù)采用錨桿+鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土的支護(hù)方式，因此需要將鋼拱架的支護(hù)作用根據(jù)等效原則增加到噴射混凝土的力學(xué)參數(shù)中，其等效方法按照式(3)計(jì)算，得到模型材料計(jì)算參數(shù)表，見表5．

表5 數(shù)值模型材料計(jì)算參數(shù)表

(3)

式中：E為折算后結(jié)構(gòu)彈性模量；E0為噴射混凝土彈性模量；Eg為鋼拱架彈性模量；Sg為鋼拱架橫截面積；Sc為噴射混凝土橫截面積．

根據(jù)以上材料參數(shù)建立四種開挖方案下的數(shù)值模型，其不同的開挖支護(hù)模擬圖見圖4．模擬開挖時(shí)開挖時(shí)嚴(yán)格按照“開挖一段、支護(hù)一段、封閉一段”的原則，每次開挖進(jìn)尺為每2榀鋼架(0.6 m/榀)一個(gè)循環(huán)，上下臺(tái)階長度為4.8 m，各級(jí)臺(tái)階采用平行于錨體軸線的方式進(jìn)行開挖．

圖4 不同開挖方案下的開挖支護(hù)模擬圖

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1圍巖變形對(duì)比分析

通過數(shù)值方法模擬四種不同開挖方案下的隧道施工過程，得到開挖完成后的隧洞拱頂沉降數(shù)據(jù)和圍巖水平位移量．不同開挖方法下的圍巖最大位移見圖5．

圖5 不同開挖方案下的圍巖水平位移圖

四種開挖方案在對(duì)隧洞圍巖變形的控制上差異不大，隧道拱頂沉降和水平位移量均較小，由此可見隧道錨所處山體圍巖的整體穩(wěn)定性較好．對(duì)于四種開挖方案而言，CRD法的拱頂沉降值最小，其次是三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，正臺(tái)階環(huán)形開挖法最大；三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和正臺(tái)階環(huán)形開挖法的拱頂沉降分別是CRD法的1.15倍、1.10倍和1.17倍．CRD法的水平位移值最小，其次是三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，三臺(tái)階法最大；三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和正臺(tái)階環(huán)形開挖法的水平位移分別是CRD法的1.26倍、1.18倍和1.24倍；對(duì)比三臺(tái)階法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法可知，在隧道開挖過程中設(shè)置臨時(shí)仰拱，能夠明顯降低拱頂沉降量和水平位移，從而保證隧道錨的安全性和穩(wěn)定性．

3.2.2圍巖及初期支護(hù)應(yīng)力對(duì)比分析

通過數(shù)值模擬得到四種不同開挖方案下隧道開挖完成后的圍巖及初期支護(hù)最大應(yīng)力見圖6．

圖6 不同開挖方案下的圍巖及初期支護(hù)最大應(yīng)力圖

由圖6a)可知：對(duì)于圍巖最大拉應(yīng)力，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法最小，CRD法次之，三臺(tái)階法最大，其中三臺(tái)階法開挖的圍巖最大拉應(yīng)力是三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的1.27倍；四種開挖方案下的最大圍巖剪應(yīng)力大小排序和圍巖最大拉應(yīng)力相同，仍然是三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法最小，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法下的圍巖最大剪應(yīng)力是三臺(tái)階法下的72.3%；就圍巖最大壓應(yīng)力而言，四種開挖方案在數(shù)值上差距相對(duì)較大，CRD法最小，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法次之，其中三臺(tái)階法是CRD法的1.24倍，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法是三臺(tái)階法的82.4%．

因?yàn)橹ёo(hù)荷載的來源為隧道圍巖變形，而圍巖變形量的大小是圍巖荷載與支護(hù)抗力相平衡的結(jié)果[10]．因此初期支護(hù)最大應(yīng)力則與圍巖所受最大應(yīng)力的排序不同，由圖6b)可知：三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的初期支護(hù)所受應(yīng)力最大，該方案下初期支護(hù)的最大拉應(yīng)力為10.33 MPa，最大壓應(yīng)力為9.6 MPa．除CRD法外的三種開挖方案初期支護(hù)應(yīng)力相差不大，CRD法得益于其復(fù)雜的施工工藝，將隧道開挖斷面劃分為較小的開挖斷面后分部開挖，該方案增加了大量臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，各部分封閉成環(huán)的時(shí)間變短，且支護(hù)剛度大，因此初期支護(hù)應(yīng)力相對(duì)較小．

3.2.3圍巖塑性區(qū)對(duì)比分析

由于塑性區(qū)主要分布在隧道錨洞的周圍，而地表和內(nèi)部巖體較少，故僅對(duì)比錨洞周圍的塑性區(qū)分布．FLAC3D中采用now表示現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)的單元處于屈服面上，past表示該區(qū)域內(nèi)的單元過去處于屈服面上，而現(xiàn)在降到屈服面以下．因此在分析實(shí)際工程的塑性區(qū)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注的是處于now狀態(tài)的屈服區(qū)域，只有這些單元才可能使模型發(fā)生破壞．

塑性區(qū)主要分布在錨洞的中后段部分，且主要沿洞周分布，兩側(cè)壁和拱部塑性區(qū)多于底板部位．開挖完成后的塑性區(qū)大部分都處于past狀態(tài)，而now狀態(tài)的塑性區(qū)只有局部很小的范圍，這些塑性區(qū)主要分布在錨塞體段的拱腳和后錨室的端墻，即：四種開挖方案下開挖完成后的巖體大部分都處于彈性變形階段，只有極小部分區(qū)域現(xiàn)在處于剪切屈服狀態(tài)，對(duì)隧道錨的安全穩(wěn)定基本沒有影響．

4 結(jié) 論

1) 利用層次權(quán)重決策分析法，對(duì)伍家崗長江大橋北岸隧道錨開挖進(jìn)行了分析，當(dāng)目標(biāo)指標(biāo)著重于沉降變形和工程造價(jià)時(shí)，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖最優(yōu)．

2) 采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，分別對(duì)四種開挖方案下的隧道錨進(jìn)行單獨(dú)建模，分析結(jié)果為：從控制隧道錨圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)展考慮，CRD法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法較優(yōu)．

3) 層次權(quán)重決策分析法結(jié)論與數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致，說明在隧道錨開挖方案選擇上，層次權(quán)重決策分析法能夠提供比較強(qiáng)的科學(xué)指導(dǎo)意義．

4) 在軟巖淺埋隧道錨開挖方案選擇上，將層次權(quán)重決策分析法和FLAC3D軟件結(jié)合，能夠?yàn)閷?shí)際工程提供多維度的科學(xué)意見，將更好地指導(dǎo)隧道錨施工開挖．