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秦巴山區(qū)某軟巖公路隧道合理施工方法研究*

鄧博團(tuán)1，蘇三慶1，2，任建喜1，孟昌1

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

摘要：以秦巴山區(qū)某軟巖公路隧道為工程背景，采用FLAC數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法對該隧道合理施工方法進(jìn)行了研究。建立3種不同施工方法下的計(jì)算模型，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，相比于臺階法施工和單側(cè)導(dǎo)坑法，采用留核心土法施工引起的隧道圍巖變形較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，從經(jīng)濟(jì)和施工工期角度來看，留核心土法是該地區(qū)軟巖隧道最為合理的施工方法。為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可行性，在隧道周圍設(shè)置了變形監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)測結(jié)果表明，采用留核心土法施工后，隧道最大周邊收斂14.81 mm，最大拱頂沉降值為27.11 mm，隧道變形在允許范圍之內(nèi)。隧道圍巖變形的實(shí)測值與預(yù)測值變化趨勢基本一致，表明FLAC數(shù)值模擬可在隧道施工前對隧道施工方法的合理性做出評價(jià)，具有超前指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；公路隧道；施工方法；圍巖變形規(guī)律；支護(hù)參數(shù)

0引言

隧道施工方法選擇對于隧道建設(shè)工程十分重要，既需要保證隧道施工過程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，還必須達(dá)到施工過程簡單、施工進(jìn)度快的要求，同時(shí)還需滿足造價(jià)要求[1-3]。隧道施工方法的選定，即就是根據(jù)隧道掌子面的圍巖情況來選定開挖斷面的尺寸及相關(guān)的支護(hù)參數(shù)[4-5]。選擇合理施工方法是確保安全、快速施工的關(guān)鍵[6-8]，國內(nèi)學(xué)者在這方面進(jìn)行了許多研究，也取得了不少成果，指導(dǎo)了工程實(shí)踐。譬如文獻(xiàn)[9]針對大跨度軟弱圍巖隧道自身穩(wěn)定特點(diǎn)，采用ANYSYS有限元法分析了上半斷面超前法、兩側(cè)超前施工法和中壁CRD法3種不同施工方案下隧道圍巖的應(yīng)力場和位移場，最終提出采用上半斷面超前法施工。文獻(xiàn)[10]對大跨度隧道施工方法進(jìn)行了探討，提出不同地質(zhì)情況和圍巖級別下應(yīng)采取不同的施工方法，同時(shí)應(yīng)做好信息化設(shè)計(jì)與施工，從而確保隧道施工過程掌子面的安全穩(wěn)定。文獻(xiàn)[11-12]等認(rèn)為在進(jìn)行隧道施工設(shè)計(jì)與施工時(shí)，首先應(yīng)該進(jìn)行圍巖等級分析，其次按照不同等級進(jìn)行隧道施工方法設(shè)計(jì)和施工。但是，山嶺軟巖隧道地質(zhì)條件往往復(fù)雜多變，具有很大的不確定因素，其施工方法不能盲目地借鑒別的工程，否則極有可能引起掌子面失穩(wěn)破壞，甚至造成隧道塌方。因此，復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖隧道的施工方法仍需研究。文中以十天線高速公路穿過秦巴山區(qū)，該地區(qū)崇山峻嶺，地質(zhì)復(fù)雜，隧道較多，施工過程難度較大。因此，文中采用FLAC數(shù)值模擬方法對秦巴山區(qū)某軟巖公路隧道的合理施工方法進(jìn)行研究，以便尋找一種安全、快速的施工方法，為同類地質(zhì)條件下軟巖公路隧道施工方法的合理確定提供參考依據(jù)。

1工程概況

秦巴山區(qū)某隧道左線全長4 893 m，右線全長4 925 m，隧道最大埋深約370 m.該隧道K35+720～ K38+073區(qū)段地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性多變，屬于Ⅴ級軟巖，且隧道斷面較大，隧道凈寬10.15 m，凈高8.2 m.在客觀條件上提高了隧道的工程施工難度及強(qiáng)度，巖體多由千枚巖、泥質(zhì)灰?guī)r組成，地下水豐富、斷層和結(jié)構(gòu)面等構(gòu)造相當(dāng)發(fā)育，穩(wěn)定性較差。

2軟巖公路隧道施工過程的FLAC3D實(shí)現(xiàn)

目前，公路隧道主要施工方法有全斷面法、上下臺階法、留核心土法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。隧道施工方法的選擇，都是在已有的地質(zhì)條件下盡量減少開挖對圍巖的擾動，從而保證隧道施工經(jīng)濟(jì)、安全。不同的開挖方法對隧道圍巖的擾動不同，施工進(jìn)度也會存在差異，因此，在選擇隧道合理的施工方法時(shí)，需要考慮施工造成的圍巖穩(wěn)定性和施工速度。

2.1　計(jì)算模型建立

采用FLAC3D軟件對軟巖隧道Ⅴ級圍巖條件下不同施工方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算工況有：

工況一：上下臺階法；工況二：留核心土法；工況三：單側(cè)導(dǎo)洞法。

隧道洞室周圍距離取洞室中心點(diǎn)3～5倍洞徑，模型寬度為130 m，高度為90 m，厚6 m.地表面為自由邊界，不受任何約束；模型的左右邊界受X軸方向的位移約束，模型的地層下部邊界受到Y(jié)軸方向的位移約束。三種工況的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1　3種工況下的隧道計(jì)算模型Fig.1　Tunnel calculation model under three conditions(a) 上下臺階法　(b)留核心土法　(c) 單側(cè)導(dǎo)洞法

2.2　開挖與支護(hù)模擬

數(shù)值計(jì)算采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，各工況首先進(jìn)行自重應(yīng)力求解，然后嚴(yán)格按照各種工法的施工工藝進(jìn)行真實(shí)地計(jì)算模擬。采用calle單元進(jìn)行錨桿支護(hù)，采用空單元實(shí)現(xiàn)隧道斷面的開挖，在進(jìn)行分步開挖時(shí)，按照實(shí)際施工順序，并且做到及時(shí)支護(hù)。

空單元代表從建立的模型中移去巷道實(shí)際開挖斷面的那部分單元，開挖過程就是巷道圍巖的卸載過程，因而挖掉其內(nèi)部的單元后，開挖區(qū)域的單元應(yīng)力自動清零，沒有體力，即

(1)

式中N為節(jié)點(diǎn)；σij為點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，包含9個(gè)應(yīng)力分量。

2.3　支護(hù)方式及計(jì)算參數(shù)

由于研究的對象為軟巖公路隧道的施工方法，結(jié)合大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用的支護(hù)方式為鋼拱架+錨網(wǎng)噴，具體支護(hù)參數(shù)：I20b鋼拱架間距60 cm，φ22縱向連接筋，間距1 m；φ22早強(qiáng)砂漿錨桿L=4 m，間距100 cm×60 cm；網(wǎng)格尺寸為200 mm×200 mm的φ8鋼筋網(wǎng)；厚260 mm的C20噴射混凝土。通過室內(nèi)試驗(yàn)得到隧道巖層物理力學(xué)參數(shù)，見表1.

表1　數(shù)值計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

3軟巖公路隧道施工方案FLAC3D數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

從圍巖變形、應(yīng)力變化以及塑性區(qū)變化3方面進(jìn)行比較。計(jì)算過程中在隧道拱頂、兩幫和底板中心設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，計(jì)算得出各監(jiān)測點(diǎn)的位移值和應(yīng)力值。

3.1　圍巖變形分析

限于篇幅，這里僅給豎向位移云圖，圍巖變形計(jì)算結(jié)果見表2.

表2不同開挖方式下隧道各關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算位移值(mm)

Tab.2The key points displacement value of tunne1

under different excavation types(mm)

圖2　不同工況下隧道豎向位移云圖(m)Fig.2　Vertical displacement contours oftunnel in different conditions(m)(a) 工況一：臺階法　(b) 工況二：留核心土　(c) 工況三：單側(cè)壁導(dǎo)坑

從表2可以看出，上下臺階法施工引起的拱頂沉降和底板隆起最大，分別達(dá)到38.12 mm和22.42 mm，水平收斂為21.92 mm，圍巖變形較大，不能滿足隧道安全穩(wěn)定的要求。而留核心土法和單側(cè)壁導(dǎo)洞法施工引起的圍巖變形值相差不大，其拱頂沉降分別為14.87和13.32 mm，底板隆起量分別為8.98和12.32 mm，圍巖變形均較小，表明留核心土施工方法和單側(cè)壁導(dǎo)洞施工方法能夠確保隧道安全穩(wěn)定。此外，左幫水平位移普遍略大于右?guī)?，說明隧道存在一定的偏壓。

3.2　應(yīng)力分析

圖3　不同工況下隧道豎向應(yīng)力云圖(Pa)Fig.3　Vertical stress contours in different conditions(Pa)(a)工況一：臺階法　(b)工況二：留核心土(c)工況三：單側(cè)壁導(dǎo)坑

限于篇幅，這里僅給豎向應(yīng)力云圖，從圖3可以看出，3種施工方法中上下臺階法拱頂豎向應(yīng)力最大，為-6.35 MPa，底板豎向應(yīng)力也是最大，為2.28 MPa；相比于上下臺階法，留核心土法和單側(cè)壁導(dǎo)洞法引起的隧道拱頂和底板豎向應(yīng)力較小，其中留核心土法更小，分別為-3.17 MPa和-3.01 MPa，這是由于預(yù)留的核心土有效地保證掌子面的穩(wěn)定，致使頂板圍巖受擾動較小，處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.3　圍巖塑性區(qū)分析

圖4　不同開挖方式下隧道圍巖塑性區(qū)Fig.4　State of tunnel surrounding rock indifferent construction methods(a)上下臺階法　(b)留核心土法　(c)單側(cè)壁導(dǎo)坑法

從圖4可以看出，3種工況下隧道圍巖塑性區(qū)均表現(xiàn)為拱肩、拱腳以及底板塑性區(qū)較明顯，因?yàn)樗淼篱_挖后圍巖應(yīng)力得到釋放，在圍巖自重作用和水平應(yīng)力作用下，拱肩將發(fā)生剪切破壞，同時(shí)拱腳出現(xiàn)應(yīng)力集中。從塑性區(qū)大小可以看出，圖4(a)中的拱腳和拱肩塑性變形較大，影響范圍3 m，圖4(b)的拱腳和拱肩塑性變形較小，影響范圍2 m左右，圖4(c)的拱腳和拱肩塑性變形較小，影響范圍2.5 m左右。分析表明，采用留核心土法施工引起隧道圍巖發(fā)生塑性變形區(qū)域最小，這樣可以有效減小錨桿錨索長度，從而降低支護(hù)成本。

綜上可知，與留核心土法和單側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，采用上下臺階法開挖誘發(fā)的隧道圍巖變形、圍巖應(yīng)力和塑像區(qū)域均較大，僅僅增大錨桿(索)長度，不能滿足隧道施工的安全穩(wěn)定。單側(cè)壁導(dǎo)坑法和留核心土法施工則對圍巖穩(wěn)定性影響較小，在可控范圍之內(nèi)，但是從施工工藝方面來講，單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)要做臨時(shí)隔墻，開挖方式復(fù)雜，工序復(fù)雜，對于施工爆破精度等要求比較高。因此，秦巴地區(qū)軟巖公路隧道采用留核心土開挖方式最為合理有效。

4隧道變形現(xiàn)場實(shí)測

4.1　現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果分析

為了得到該隧道圍巖變形規(guī)律，在隧道掘進(jìn)施工過程中布置了多個(gè)圍巖變形監(jiān)測斷面，主要監(jiān)測左右線隧道拱頂沉降和幫部收斂。這里以典型的K35+720斷面和K38+073斷面為例，通過現(xiàn)場實(shí)測得到圍巖變形與時(shí)間關(guān)系曲線，如圖5～8所示。

圖5　K35+720周邊收斂與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5　Relation curve of peripheral convergenceand time in K35+720 section

圖6　K35+720拱頂收斂與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6　Relation curve of arch crown subsidenceand time in K35+720 section

圖7　K38+073周邊收斂與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.7　Relation curve of peripheral convergenceand time in K38+073 section

圖8　K38+073拱頂下沉與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.8　Relation curve of arch crown subsidenceand time in K38+073 section

從圖5～圖8可以看出，隧道圍巖在前18～22 d收斂速率較快，周邊收斂和拱頂下沉曲線上升幅度大，30～ 35 d以后圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，周邊最大收斂值達(dá)到12.33～14.81 mm，拱頂最大沉降值20.39～27.11 mm.開挖支護(hù)完成后，經(jīng)過較長一段時(shí)間后圍巖變形才趨于穩(wěn)定，該區(qū)段隧道具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，圍巖自身存在一定的流變性。隧道圍巖變形均在允許范圍之內(nèi)，表明支護(hù)參數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，開挖方式合理。

4.2現(xiàn)場實(shí)測值與數(shù)值模擬預(yù)測值對比

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，將留核心土法三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果中的周邊收斂和拱頂下沉計(jì)算值值與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行比較。

拱腰水平方向位移預(yù)測值為12.01 mm，實(shí)測數(shù)值回歸結(jié)果為14.81 mm，以實(shí)測值為基準(zhǔn)，兩者相差2.6 mm，相差18.9%.拱頂下沉預(yù)測值為24.73 mm，實(shí)測數(shù)值為27.11 mm，以實(shí)測值為基準(zhǔn)，兩者相差1.283 mm，相差8.7%.

結(jié)果表明：現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬分析結(jié)果比較吻合，所采用的研究方法及結(jié)果可靠，預(yù)測值略小于實(shí)測值，原因在于數(shù)值計(jì)算過程中未能考慮到圍巖流變特性。在今后的工作中可以進(jìn)一步研究。

5結(jié)論

1)FLAC數(shù)值計(jì)算表明，相比于上下臺階法和單側(cè)導(dǎo)坑法，留核心土法是該隧道Ⅴ級圍巖最為合理的開挖方式，這種開挖方式能夠確保隧道安全快速施工；

2)現(xiàn)場監(jiān)測表明，采用留核心土法進(jìn)行施工，隧道最大周邊收斂值為14.81 mm，最大拱頂沉降值為27.11 mm，變形均在允許范圍之內(nèi)，開挖方法合理，支護(hù)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求；

3)對本工程中所采用的不同施工方法建立的復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖隧道位移場和應(yīng)力場模型對以后類似工程的設(shè)計(jì)和施工具有一定的指導(dǎo)意義。

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Reasonable methods of constructing highway soft-rock tunnel in Qinba mountains

DENG Bo-tuan1，SU San-qing1，2，REN Jian-xi1，MENG Chang1

(1.CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；

2.SchoolofCivilEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China)

Abstract：Taking the background of a highway soft-rock tunnel in Qinba mountainous，with the means of FLAC numerical simulation and site monitoring，the reasonable method of constructing a highway soft-rock tunnel in Qinba mountainous was researched.Three different construction ways were put forward.Compared with the step method and Single Side Heading Method，the result of numerical simulation showed that the core soil-retained construction method could lead the surrounding rock deformation to be little and met the construction requirement.From the view of economic and construction period，the core soil-retained was the best construction method for the soft rock tunnel excavation.Depended on the site measurement，after taking the core soil-retained construction method，the feasibility of numerical simulation result was verified.The result of site measurement indicated that the maximum peripheral convergence was 14.81 mm and the maximum crown settlement was 27.11 mm.So，the tunnel deformation was in the permissible range.Besides，the measured values trend of surrounding rock deformation was similar to the predictive value，which indicated that the the FLAC could serve as a evaluation method to verify the reasonableness of construction method before construction，which had advanced guiding significance.

Key words：numerical simulation；highway tunnel；construction method；surrounding rock deformation law；supporting parameters

中圖分類號：U 459.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通訊作者：鄧博團(tuán)(1981-)，男，陜西乾縣人，博士研究生，工程師，E-mail：345312719@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51478383)

收稿日期：*2015-08-12責(zé)任編輯：高佳

文章編號：1672-9315(2016)01-0092-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0116