城仔山隧道機(jī)械化雙側(cè)壁導(dǎo)坑法數(shù)值模擬研究

王正一

（中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司，武漢 430061）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與城市化進(jìn)程的不斷加快，為滿足人民日益增長(zhǎng)的使用功能需求，越來(lái)越多的大跨度、大斷面隧道開(kāi)始修建[1-2]。但是，由于跨度與斷面的不斷增大，隧道的修建難度也在逐漸增加，如何保障隧道掘進(jìn)過(guò)程中的安全，已成為制約高速公路改擴(kuò)建工程的一大技術(shù)難題。合理開(kāi)挖工法的選擇，是有效控制圍巖和地表沉降的關(guān)鍵所在[3]。目前，常見(jiàn)的開(kāi)挖工法有側(cè)壁導(dǎo)坑法[4]、臺(tái)階法（Benching Tunnelling Method）、連續(xù)開(kāi)挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)法（Continuous Diaphragm Wall Method，CD）[5]、全斷面隧道掘進(jìn)法（Full Cross-section Excavation Method，CRD）[6]、隧道全斷面掘進(jìn)機(jī)法（Tunnel Boring Machine，TBM）等。其中，側(cè)壁導(dǎo)坑法是修建松軟地層隧道的基本方法之一，當(dāng)需要在不穩(wěn)定地層修筑大跨度隧道時(shí)，為確保施工安全，可采用該方法。一些專家學(xué)者對(duì)側(cè)壁導(dǎo)坑工法進(jìn)行了研究。

楊忠等[7]結(jié)合咸旬高速公路雷家坡1#隧道施工，分析總結(jié)了單側(cè)壁導(dǎo)坑施工方法，該研究對(duì)于中國(guó)同類工程地質(zhì)條件下的隧道施工具有借鑒意義。徐丙義[8]以某連拱隧道為實(shí)例，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)單側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖斷面，詳細(xì)闡述了擴(kuò)大單側(cè)壁導(dǎo)坑的三導(dǎo)洞開(kāi)挖施工方法及措施，從而改善了有限空間的作業(yè)環(huán)境，達(dá)到安全快速施工的目的，經(jīng)濟(jì)效益顯著。黃遠(yuǎn)亮[9]通過(guò)實(shí)際案例探討單側(cè)壁導(dǎo)坑法在低山丘陵地貌巖土隧道施工中的應(yīng)用，并結(jié)合開(kāi)挖施工和初期支護(hù)施工中的常見(jiàn)施工質(zhì)量通病，提出了相關(guān)施工控制方法。葛晨雨[10]利用ABAQUS 軟件構(gòu)建多組不同支護(hù)條件下的淺埋小凈距隧道洞口段的數(shù)值模型，分析在單側(cè)壁導(dǎo)坑施工方法下采用不同的支護(hù)方式對(duì)隧道的應(yīng)力、應(yīng)變及塑性變形區(qū)域的影響，進(jìn)一步研究圍巖、錨桿和初襯的作用效果，改進(jìn)了相似隧道施工的支護(hù)方式。

上述研究為側(cè)壁導(dǎo)坑法的設(shè)計(jì)與施工提供了一些技術(shù)支持。本文在現(xiàn)有側(cè)壁導(dǎo)坑法研究的基礎(chǔ)上，以城仔山隧道工程為背景，利用數(shù)值模擬軟件建立了城仔山隧道單洞4 車道分離式三維隧道模型，模擬了隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工況下的分部開(kāi)挖、超前支護(hù)施作、洞身支護(hù)施作等施工過(guò)程，研究了側(cè)壁導(dǎo)坑法下的隧道安全性。

2 工程背景

城仔山隧道穿過(guò)丘陵地貌區(qū)，為洞口小凈距雙洞8 車道分離式隧道，左線隧道起訖里程ZK52+289～ZK54+616，長(zhǎng)2 327 m，汕尾陸豐端洞門采用削竹式，洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高71.395 m，深圳龍崗端洞門采用削竹式，洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高62.515 m，坡度0.800%～1.00%，隧道最大埋深約284 m；右線隧道起訖里程K52+322～K54+693，長(zhǎng)2 371 m，汕尾陸豐端洞門采用削竹式，洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高71.125 m，深圳龍崗端洞門采用削竹式，洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高63.153 m，坡度0.800%～1.00%，隧道最大埋深約260 m。工程概況如圖1 所示。

圖1 工程概況

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 模型建立

隧道左右導(dǎo)坑上臺(tái)階高7.5 m，中臺(tái)階高2.3 m，下臺(tái)階高2.3 m（帶仰拱側(cè)3.9 m），中導(dǎo)坑上臺(tái)階高6.2 m。側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階長(zhǎng)15 m，中、下臺(tái)階長(zhǎng)16 m，中部長(zhǎng)8 m。先行與后行側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階掌子面錯(cuò)開(kāi)12 m，中導(dǎo)洞上臺(tái)階長(zhǎng)8 m，中部25 m 斜坡道。依據(jù)上述工況，建立相應(yīng)的數(shù)值模型，具體如圖2 所示。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三維數(shù)值模型

3.2 模擬方案

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三維數(shù)值模擬的具體施工步驟為：（1）左導(dǎo)洞、右導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞分部開(kāi)挖，單循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺設(shè)定為2 m；（2）各臺(tái)階同時(shí)開(kāi)挖完成后，進(jìn)行上臺(tái)階初期支護(hù)、中臺(tái)階初期支護(hù)及下臺(tái)階初期支護(hù)模擬；（3）每掘進(jìn)3 個(gè)循環(huán)即6 m 進(jìn)行一次10 m 超前導(dǎo)管施工，前后搭接長(zhǎng)度為4 m，每一循環(huán)都需要進(jìn)行鋼架、洞身錨桿、鎖腳錨桿、噴射混凝土和中隔壁的施作。

3.3 結(jié)果分析

選擇數(shù)值模型中縱向20 m 斷面，提取支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)，并分析機(jī)械化雙側(cè)壁導(dǎo)坑法支護(hù)結(jié)構(gòu)施工力學(xué)特征。所有結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 雙向側(cè)壁導(dǎo)坑法數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

依據(jù)得到的洞周位移隨工序變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，拱頂隨工序的進(jìn)行持續(xù)下沉，最大位移0.462 m，在拆除中隔壁及開(kāi)挖棄渣施作仰拱二襯工序中，拱頂下沉速度加快。在右導(dǎo)洞上臺(tái)階、左導(dǎo)洞上臺(tái)階、右導(dǎo)洞中臺(tái)階開(kāi)挖后，上臺(tái)階水平收斂值急劇增大，之后隨工序變化較小，在中導(dǎo)洞下臺(tái)階、拆除中隔壁、開(kāi)挖棄渣施作仰拱二襯中，水平收斂值急劇減小。

表1 所述的最大應(yīng)力值表示的是數(shù)值模型縱向20 m 斷面處的各結(jié)構(gòu)最大拉壓應(yīng)力。模型中將錨桿分為拱頂錨桿與鎖腳錨桿兩類，基于兩類錨桿的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知：在整個(gè)施工過(guò)程中拱頂錨桿軸力最大，邊墻錨桿軸力次之，左拱腰錨桿最小且在左導(dǎo)坑上臺(tái)階開(kāi)挖中軸力急劇減小；鎖腳拉應(yīng)力較鎖腳壓應(yīng)力小。通過(guò)對(duì)鎖腳拉壓應(yīng)力的進(jìn)一步分析可知：對(duì)于最大拉應(yīng)力，中臺(tái)階鎖腳錨桿較上臺(tái)階鎖腳錨桿略大，故中導(dǎo)坑鎖腳對(duì)鋼架對(duì)內(nèi)收縮有較強(qiáng)的控制作用；對(duì)于最大壓應(yīng)力，上臺(tái)階鎖腳錨桿較中臺(tái)階鎖腳錨桿大，故上導(dǎo)坑鎖腳對(duì)鋼架對(duì)外收縮有較強(qiáng)的控制作用。通過(guò)對(duì)超前管棚最大拉壓應(yīng)力值隨工序的變化規(guī)律分析可知：在開(kāi)挖右導(dǎo)坑工序中，由于左導(dǎo)洞管棚在掌子面附近，管棚的最大拉應(yīng)力較大，當(dāng)右導(dǎo)洞掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)，掌子面逐漸遠(yuǎn)離管棚導(dǎo)致管棚拉力減小。當(dāng)施工進(jìn)行到工序四和工序八時(shí)，分別開(kāi)挖到左導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞，導(dǎo)致管棚應(yīng)力有所增大，隨著施工的不斷進(jìn)行，管棚拉應(yīng)力又逐漸減小。當(dāng)施工工序一到工序六時(shí)，由于監(jiān)測(cè)面的管棚逐漸形成完整受力體系，故最大壓應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)開(kāi)挖仰拱時(shí)，拱頂沉降增大，管棚壓力變大。作為隧道支護(hù)的重要環(huán)節(jié)之一，噴射混凝土對(duì)隧道的應(yīng)力變化有重要影響，在整個(gè)施工工程中，噴射混凝土最大拉應(yīng)力均位于拱頂，在左導(dǎo)坑臺(tái)階開(kāi)挖中，最大拉應(yīng)力快速下降，并在后續(xù)工序進(jìn)行時(shí)持續(xù)增加；另一方面，噴射混凝土最大壓應(yīng)力均位于上臺(tái)階拱腳，隨工序進(jìn)行持續(xù)增大，棄渣回填和開(kāi)挖棄渣時(shí)，噴射混凝土最大壓應(yīng)力有突變。

4 結(jié)論

本文利用FLAC 3D 數(shù)值模擬軟件研究了城仔山隧道單洞4 車道分離式隧道雙向側(cè)壁導(dǎo)坑法下的巷道安全性，得到主要結(jié)論如下。

1）拱頂位移隨著各步驟的進(jìn)行逐漸增大，單個(gè)步驟的位移增長(zhǎng)率不同；水平位移呈現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)，進(jìn)行支護(hù)工序后可減小水平方向的位移。

2）超前管棚、鎖腳錨桿、噴射混凝土等的應(yīng)力隨著不同的施工工序的進(jìn)行呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，而系統(tǒng)錨桿軸力整體來(lái)說(shuō)較為平穩(wěn)，大多保持在2 kN 左右。

3）對(duì)數(shù)值模擬所得結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，采用雙向側(cè)壁導(dǎo)坑法后隧道各部分位移均在安全數(shù)值范圍內(nèi)，隧道各工序中隧道掘進(jìn)的各階段安全風(fēng)險(xiǎn)較低。