公路隧道松散地層洞段三臺階法開挖參數(shù)的優(yōu)化

楊曉俊

（山西路橋第七工程有限公司，山西 晉城 048000）

一、施工方案設(shè)計

某公路工程隧址區(qū)以第四系松散堆積層和紅色中粒鉀質(zhì)花崗巖為主，經(jīng)過斷裂構(gòu)造影響以及風(fēng)化作用，自地表向下形成不同的形態(tài)和風(fēng)化程度。由于該公路工程合同段隧道地質(zhì)條件較為特殊，按照設(shè)計要求，合同段Ⅴ級圍巖松散地層地段應(yīng)當(dāng)通過臺階分部法展開開挖施工。就施工過程而言，必須通過φ42超前注漿小導(dǎo)管進行開挖施工前的超前支護處理，并結(jié)合錨網(wǎng)噴及Ⅰ18、20a鋼拱架的輔助支護方式。待開挖及排險過程結(jié)束后必須在設(shè)計時間內(nèi)進行2cm厚度C25混凝土漿液的初噴，同時在設(shè)計位置安裝鋼筋網(wǎng)、打設(shè)錨桿、架立鋼架、復(fù)噴至設(shè)計厚度。

開挖、支護順序設(shè)計如下：

第一步：在該合同段隧道Ⅰ拱部采用超前小導(dǎo)管注漿的預(yù)支護操作；第二步：上臺階②開挖，并按設(shè)計要求爆破后及時進行2cm厚混凝土漿液的初噴；第三步：出碴后施作上臺階Ⅲ的初期支護；第四步：在滯后②一段距離后開挖中臺階④，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設(shè)計要求爆破開挖后及時噴射2cm厚度的混凝土漿液；第五步：出碴后施作中臺階Ⅴ初期支護；第六步：在滯后④一段距離后按步驟進行下臺階開挖施工⑥，結(jié)束爆破開挖并出渣后及時進行2cm厚度混凝土漿液的噴射；第七步：下臺階Ⅶ側(cè)初期支護；第八步：澆注仰拱Ⅷ混泥土；第九步：Ⅸ敷設(shè)防水板，同時通過模板臺車按照設(shè)計全斷面進行混凝土二次襯砌及模筑。

施工過程中必須嚴格控制，使最大臨界震動速度不超過15cm/s[1]。Ⅴ級圍巖開挖進尺為0.5m～1m，臺階長度6m～8m，二次襯砌與掌子面的距離應(yīng)≤70m；Ⅳ級圍巖開挖進尺為1.5m～2.0m，臺階長度8m～10m，二次襯砌與掌子面的距離應(yīng)≤90m。三臺階分部法開挖示意圖詳見圖1。

圖1 三臺階分部法開挖示意圖

二、有限元模型的構(gòu)建

（一）有限元模型

結(jié)合公路隧道地質(zhì)勘察資料，起訖洞段地質(zhì)條件復(fù)雜，為典型的碎屑沉積地層，所以構(gòu)建該段洞段有限元模型并進行數(shù)值模擬。根據(jù)理論分析結(jié)果，模型下部及左右模擬范圍按照洞徑的5倍確定，上部至地表，故模型長度為20m，設(shè)計剖面尺寸為長×寬×高=60m×55m×20m，并以隧洞軸線指向下游的方向為x軸，與x軸垂直且指向右岸的方向為y軸，以豎直向上的方向為z軸。采用Solid45八節(jié)點單元進行所構(gòu)建模型的模擬[2]，整個模型劃分為1.5695×104個計算單元及1.3644×104個計算節(jié)點。

（二）邊界條件

由于該公路隧道洞段圍巖埋深大，地質(zhì)條件差，根據(jù)圍巖參數(shù)，對于所構(gòu)建的模型左右邊界應(yīng)施加0.84MPa的水平向位移約束，同時模型下邊界必須按設(shè)計要求施加豎直向位移約束，上邊界施加取值為0.65MPa的法向均布荷載，并保持自由邊界條件。結(jié)合與該工程區(qū)地質(zhì)條件及工程規(guī)模相類似的工程設(shè)計經(jīng)驗及室內(nèi)試驗結(jié)果，該公路合同段隧道圍巖實際彈性模量值應(yīng)取2.5GPa，泊松比取0.25，密度2650kg/m3，內(nèi)摩擦角31.5°，黏聚力0.1MPa。

（三）模型加載

在劃分好模型網(wǎng)格后，還應(yīng)確定模型的邊界條件，并按照設(shè)計邊界條件向模型左右邊界、上下邊界分別施加重力加速度、水平位移和水平應(yīng)力、豎向位移約束，并對設(shè)計模型的前后兩個面上所設(shè)置的全部節(jié)點同時施加y向位移約束，從而模擬隧道圍巖結(jié)構(gòu)自重。在靜態(tài)分析類型下，按照1000次確定迭代次數(shù)，并分10個荷載步進行每次求解，位移與應(yīng)力收斂系數(shù)為0.05，采用全牛頓-拉普森迭代方法進行該工程合同段隧道松散地層洞段大位移效果的預(yù)測與分析[3]。

該公路隧洞松散地層洞段開挖采用三臺階法，且圍巖穩(wěn)定性受到臺階開挖高度和長度的影響，為加強圍巖變形控制，必須對這兩個參數(shù)進行優(yōu)化。由于三臺階開挖施工時上臺階高度對圍巖變形影響較大，故應(yīng)將其作為主要變量，并結(jié)合施工實際設(shè)置不同工況進行模擬分析。

三、參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

（一）臺階長度優(yōu)化結(jié)果

應(yīng)用所構(gòu)建的有限元模型，假設(shè)其他參數(shù)保持不變，進行不同上臺階長度工況下圍巖位移情況的模擬，根據(jù)所得到的模擬結(jié)果，從中提取設(shè)計關(guān)鍵部位所對應(yīng)的位移量最大值，具體情況如表1所示。根據(jù)對模擬結(jié)果的比較分析不難看出，當(dāng)上臺階長度分別取1m、1.5m和2m時，該公路合同段隧道松散地層洞段拱頂沉降取值和仰拱隆起位移值十分接近，而當(dāng)上臺階長度2.5m時，拱頂沉降大幅增加，而仰拱隆起沉降位移為0。究其原因主要在于過大的臺階長度導(dǎo)致拱頂變形額沉降量明顯增大。此外，隨上臺階長度的增大，拱腰水平位移的最大值和最小值表現(xiàn)出先降后升的趨勢，且在上臺階長度2m時達到最小，考慮到臺階長度的增大有利于施工效率提升，所以應(yīng)將上臺階長度最優(yōu)值確定為2m。

表1 隧道松散地層洞段不同上臺階長度對應(yīng)圍巖位移模擬

（二）臺階高度優(yōu)化結(jié)果

采用本文所構(gòu)建的有限元模型并假設(shè)其他參數(shù)不變的情況下，進行不同上臺階高度圍巖位移情況的模擬，從模擬結(jié)果中提取關(guān)鍵部位最大位移量，結(jié)果如表2所示。根據(jù)表中模擬結(jié)果可以看出，隧洞開挖施工時，隨著上臺階高度的增加，拱頂沉降位移與仰拱隆起位移均出現(xiàn)先降后升趨勢。

表2 隧道松散地層洞段不同上臺階高度對應(yīng)圍巖位移模擬

借助有限元模型在其他參數(shù)取值不變的情況下，進行上臺階高度不同情況下圍巖噴混結(jié)構(gòu)應(yīng)力的模擬計算，同時提取出拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大值進行針對性分析。根據(jù)模擬結(jié)果，隨著上臺階開挖高度的增大，噴混結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力表現(xiàn)出先降后增的趨勢，且拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別在上臺階開挖高度1.4m和1.6m時取值最小，豎向位移和壓應(yīng)力最大值也與1.6m開挖高度下的模擬結(jié)果接近。為此，該公路隧道松散地層洞段三臺階開挖施工上臺階開挖高度應(yīng)按1.4m確定。

四、結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬方式進行該公路隧道碎屑沉積層洞段三臺階法開挖參數(shù)的優(yōu)化，得出上臺階開挖高度和開挖長度應(yīng)分別為1.4m和2.0m，且取得了預(yù)期的優(yōu)化設(shè)計效果，對于確保隧道開挖施工過程的安全性和經(jīng)濟性具有參考借鑒價值，所采用的分析方法也為類似工程開挖參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供了可行的分析思路。