公路隧道軟弱圍巖臺階施工方案優(yōu)化研究

陳山泉

(中冶賽迪建筑市政設(shè)計有限公司市政所，重慶 400013)

目前，為了提高施工速度，在軟弱圍巖中，大部分兩車道公路隧道仍采用上下臺階法施工，其施工工藝是先開挖上半斷面，待開挖至一定長度后同時開挖下半斷面，上、下半斷面同時并進的施工方法。該開挖法的優(yōu)點是可以有足夠的工作空間和較快的施工速度，但上、下部作業(yè)有干擾；臺階開挖雖增加了對圍巖的擾動次數(shù)，但臺階有利于開挖面的穩(wěn)定，尤其是上部開挖支護后，下部作業(yè)就較為安全[1-4]。

有的施工單位從機械、工期等因素出發(fā)，在Ⅳ、Ⅴ級圍巖級施工中，上半斷面開挖高度及上下臺階之間的長度取值均不同，從而在一些工程中造成上臺階掌子面失穩(wěn)等安全事故的發(fā)生，如丹通高速公路某隧道由于上臺階高度過大而發(fā)生掌子面坍塌。

因此，進行臺階法主要施工參數(shù)的研究有保證隧道施工安全，提高隧道施工質(zhì)量與速度；減少建設(shè)投資，節(jié)約成本等工程意義。根據(jù)丹通高速公路施工現(xiàn)場可知，全線隧道在Ⅳ、Ⅴ級圍巖開挖過程中均采用上下臺階法施工，為指導(dǎo)現(xiàn)場施工，本文以該項目的錯草溝隧道為依托工程進行此類問題的研究。

1 研究方法

目前對隧道工程的研究手段主要有室內(nèi)相似模型試驗、現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值計算。針對本文的研究內(nèi)容，考慮時間的緊迫性、內(nèi)容的重復(fù)性及成本低廉性等，本次選用數(shù)值計算作

為研究手段。本次選取錯草溝隧道丹東段洞口進行計算分析，該洞口圍巖主要為強風(fēng)化～中風(fēng)化礫巖，屬Ⅳ～Ⅴ級圍巖，計算中按實際埋深進行建模分析。根據(jù)有限元理論，其建模思路如下：

(1)圍巖采用摩爾庫侖準(zhǔn)則，采用平面應(yīng)變(實體)單元模擬；

(2)隧道初期支護采用梁(殼)單元模擬；

(3)為了分析圍巖在最不利情況的穩(wěn)定性，本次計算不考慮二次襯砌的作用；

(4)為了考慮管棚等超前支護的作用，本次采用等代層進行模擬，即采用剛度等效原則，其強度參數(shù)按《公路隧道設(shè)計規(guī)范》JTG D70-2004的建議，提高30 %考慮[5]；

(5)在計算中，只考慮各臺階底部鎖腳錨桿的作用，其它系統(tǒng)錨桿未考慮，作為安全儲備；

(6)為了減小邊界條件對計算的影響，模型左右和下邊界各取隧道洞徑的三倍，上邊界取至地面；

(7)隧道左右邊界進行水平約束，底邊采用豎向約束，頂面自由；

(8)計算荷載為自重；

(9)上臺階計算模擬開挖步驟為：①上臺階開挖→②上臺階支護→③下臺階開挖→④下臺階支護。

隧道圍巖的計算參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》JTG D70-2004建議值選取，如表1所示[5]。

表1 錯草溝隧道丹東洞口段力學(xué)計算參數(shù)

根據(jù)以上建模方法，可建立該隧道計算模型(圖1)。

(a)上臺階開挖高度計算模型

(b)臺階之間長度計算模型圖1 有限元分析模型

2 上臺階合理開挖高度分析

為了計算不同上臺階開挖高度對圍巖變形的影響，本次對Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別計算了4種不同開挖高度的工況，即上臺階開挖高度分別為3 m、4 m、5 m、6 m。根據(jù)上述計算模型，可計算出不同上臺階開挖高度下的圍巖變形情況，計算結(jié)果見圖2、圖3所示。

2.1 Ⅳ級圍巖開挖時變形規(guī)律

從圍巖拱頂沉降、周邊位移及拱腳沉降分析可知，對于Ⅳ級圍巖，圍巖變形隨上臺階開挖高度的變形規(guī)律主要為：

(1)雖然隧道開挖完成后，各計算工況的拱頂沉降最終相同，但上臺階開挖高度為5 m時，拱頂沉降在下臺階開挖之前，該工況拱頂沉降值最大。

(2)通過周邊收斂數(shù)據(jù)分析，當(dāng)上臺階開挖高度為5 m時，周邊收斂最大。

(3)拱腳位移隨上臺階開挖高度的增加，最終沉降值呈減小趨勢，其減小幅度尤其為上臺階開挖高度為5 m時最為明顯。

(4)當(dāng)上臺階開挖高度為6 m時，隧道上臺階開挖至下臺階初支施做，各位移指標(biāo)增值幅度最小，即圍巖的應(yīng)力增量最小，并且各位移指標(biāo)均在允許范圍內(nèi)。

因此，對于Ⅳ級圍巖，推薦上臺階開挖高度為6 m，即扁平率宜在0.5～0.58之間。

(a)拱頂沉降隨開挖高度變化曲線

(b)周邊收斂隨開挖高度變化曲線

(c)拱腳沉降隨開挖高度變化曲線圖2 Ⅳ級圍巖變形隨上臺階開挖高度H的變化曲線圖

2.2 Ⅴ級圍巖開挖時變形規(guī)律

(1)雖然隧道開挖完成后，拱頂沉降最終值幾乎相同，但隨著上臺階開挖高度的增加，拱頂沉降呈增加趨勢。

(2)根據(jù)周邊收斂曲線可知，當(dāng)上臺階開挖高度為4 m時，周邊收斂最小，當(dāng)上臺階開挖高度超過4 m時，呈線性增長趨勢。

(3)拱腳位移隨上臺階開挖高度的增加，在上臺階開挖完成后至下臺階開挖前，沉降值均呈減小趨勢。

綜合以上分析，考慮施工機械作業(yè)空間，對于Ⅴ級圍巖，推薦上臺階開挖高度為4 m，但其拱腳沉降值較明顯，因此，應(yīng)做好上臺階的鎖腳錨管(束)的質(zhì)量。根據(jù)其塑性區(qū)分布可知，塑性區(qū)在上下臺階交接處最大，約3 m，因此，錨桿及鎖腳錨管(束)的長度不得低于4 m。

3 上下臺階間合理長度的確定

對于軟弱圍巖，采用臺階法施工時，其臺階長度、掌子面擠出效應(yīng)及支護封閉時機是影響隧道施工安全的重要因素之一。因此，本文通過三維有限元模型計算分析Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，不同上下臺階之間的長度對掌子面穩(wěn)定的影響。根據(jù)圖2計算模型，可計算出在上述最佳上臺階開挖高度情況下，掌子面擠出及圍巖橫向變形效應(yīng)的結(jié)果，具體見表2、圖4、圖5所示。

(a)拱頂沉降隨開挖高度變化曲線

(b)周邊收斂隨開挖高度變化曲線

(c)拱腳沉降隨開挖高度變化曲線

(d)塑性應(yīng)變分布

mm

圖4 Ⅳ級圍巖隨上臺階長度位移

圖5 Ⅴ級圍巖隨上臺階長度位移

根據(jù)不同上下臺階之間的距離對圍巖變形及掌子面擠出效應(yīng)分析，在Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，其主要變形規(guī)律主要為：

(1)Ⅳ級圍巖段的洞室變形受上臺階長度變化的影響較小，在施工中可不做強制要求，只需滿足機械化施工長度即可。

(2)Ⅴ級圍巖段拱頂沉降、周邊收斂均隨上臺階長度的增加而增加，但當(dāng)上臺階長度超過6 m時，其位移均發(fā)生突變。

(3)Ⅴ級圍巖段掌子面擠出變形隨上臺階長度的增加而減小，但當(dāng)上臺階長度超過6 m時，其掌子面位移對上臺階長度的變化影響較小。

因此，Ⅴ級圍巖隧道開挖后初期支護應(yīng)及時施作并封閉成環(huán)、封閉位置距離掌子面不得大于6 m。

4 小結(jié)

(1)通過圍巖變形位移分析，對于Ⅳ級圍巖，上臺階開挖高度最不利高度為5 m，最佳為6 m，即扁平率宜在0.5～0.58之間。

(2)對于Ⅴ級圍巖，上臺階開挖高度以4 m為宜，并應(yīng)做好上臺階的鎖腳錨管(束)的質(zhì)量，其長度不得低于4 m。

(3)根據(jù)洞室變形及掌子面擠出變化規(guī)律隨上下臺階長度的影響分析，Ⅳ級圍巖段的洞室變形受上臺階長度變化的影響較小，在施工中可不做強制要求，只需滿足機械化施工長度即可。Ⅴ級圍巖隧道開挖后初期支護應(yīng)及時施作并封閉成環(huán)、封閉位置距離掌子面不得大于6 m。

[1] 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010：237-274

[2] 黃嘉億, 李鵬飛, 張頂立.高速鐵路隧道圍巖變形規(guī)律的三維數(shù)值模擬[J].高速鐵路技術(shù), 2011, (增刊): 89-93

[3] 嚴(yán)啟斌，許長青.隧道短臺階施工方案研究[J].山西建筑，2009，(17)：314-315

[4] 鄧皇根,高永濤.臺階法施工公路隧道圍巖變形預(yù)測模型研究[J].建筑科學(xué)，2010，26 (2)：26-29

[5] JTC D70-2004公路隧道設(shè)計規(guī)范[S]