大斷面雙連拱隧道施工方案優(yōu)化分析

王 飛

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系, 陜西 渭南 714009)

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大斷面雙連拱隧道施工方案優(yōu)化分析

王 飛

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系, 陜西 渭南 714009)

選取重慶地區(qū)某高速公路雙連拱隧道為工程背景，采用數(shù)值計算與現(xiàn)場實(shí)測研究不同開發(fā)方法的適應(yīng)性并對施工薄弱環(huán)節(jié)提出相應(yīng)優(yōu)化和加固措施，可得結(jié)論： ①和導(dǎo)洞法相比，采用臺階法隧道洞周和中隔墻上部出現(xiàn)一定范圍帶狀分布的拉應(yīng)力區(qū)； ②導(dǎo)洞法開挖圍巖剪應(yīng)力應(yīng)力集中分布在中隔墻兩端和隧道拱肩，臺階法開挖圍巖剪應(yīng)力集中范圍變小，但應(yīng)力值增幅較大； ③雙連拱隧道拱頂沉降集中在中隔墻和隧道拱頂上部，導(dǎo)洞法引發(fā)拱頂沉降量值小于臺階法； ④采用導(dǎo)洞法開挖，隧道底部隆起位移量值和分布范圍均得到有效控制； ⑤雙連拱隧道中墻成為確保圍巖穩(wěn)定性關(guān)鍵部位，在設(shè)計與施工中采取相應(yīng)的加固措施； ⑥現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值計算結(jié)果位移發(fā)展規(guī)律相一致。

雙連拱隧道； 中墻； 臺階法； 導(dǎo)洞法； 拱頂沉降； 現(xiàn)場實(shí)測

1 概述

近年來，隨著我國高等級公路的快速發(fā)展，越來越多的公路線路穿越山嶺、丘陵地區(qū)。高等級公路隧道在山嶺地區(qū)建設(shè)過程中，由于其水文地質(zhì)條件復(fù)雜，線路選型、展線及隧道矢跨比要求的限制，雙連拱隧道成為淺埋暗挖高等級公路隧道較理想的選型[1-5]。

與單洞大斷面隧道型式相比，雙連拱隧道具有滿足高等級公路隧道矢跨比要求、空間利用充分、工程投資較低，地層適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)。同時雙連拱隧道開挖步序較多，開挖與支護(hù)環(huán)節(jié)相互影響，圍巖應(yīng)力場的調(diào)整與支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，風(fēng)險較大，因此針對雙連拱隧道施工過程的開挖步序進(jìn)行優(yōu)化尤為重要。

選取重慶地區(qū)某高速公路雙連拱隧道為工程背景，采用Flac3D計算程序建立三維數(shù)值模型，對不同開發(fā)方法引發(fā)的圍巖應(yīng)力場與位移場進(jìn)行對比分析，對施工薄弱環(huán)節(jié)提出優(yōu)化與加固措施，并與現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行對比分析，為類似公路隧道工程提供借鑒和參考。

2 工程背景及參數(shù)選取

以重慶地區(qū)某高速公路雙連拱隧道為工程背景，隧道起點(diǎn)里程為DK56+740 m，終點(diǎn)里程為DK57+010 m，隧道全長270 m。隧道采用復(fù)合式襯砌、直中墻雙連拱型式，斷面的開挖寬度24.45 m，開挖高度10.11 m，線路坡度為1.5%，隧道頂板覆土厚度為11.4 m，斷面形式如圖1所示[6-8]。

2.1 工程地質(zhì)條件及參數(shù)選取

根據(jù)勘察資料，隧道穿越巖層為強(qiáng)氧化環(huán)境下的河湖相碎屑巖沉積建造，由砂巖 — 砂質(zhì)泥巖不等厚的正向沉積韻律層組成。以紫褐色、灰綠色薄至中厚層狀砂質(zhì)泥巖為主，夾灰色、褐灰色、青灰色砂巖。出露的地層由上而下依次可分為第四系全新統(tǒng)填土層(Q4ml)、殘坡積層(Q4el+dl)、侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)沉積巖層。

圖1 雙連拱隧道斷面標(biāo)準(zhǔn)圖(單位： m)Figure 1 The standard map of double arch tunnel(unit: m)

隧道穿越地層為淺埋風(fēng)化砂巖，屬于公路隧道Ⅱ類圍巖。計算參數(shù)如表1所示。

表1 隧道穿越地層計算參數(shù)表Table1 Thecalculatingparametersoftunnelthroughstrata巖土參數(shù)粉質(zhì)粘土人工填土中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖中風(fēng)化砂巖結(jié)構(gòu)面重度(kN·m-3)內(nèi)聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)基本承載力/kPa抗壓強(qiáng)度/MPa天然飽和抗拉強(qiáng)度/kPa變形模量/MPa彈性模量/MPa泊松比錨桿砼與巖石的粘結(jié)強(qiáng)度/kPa圍巖與圬工的摩擦系數(shù)圍巖彈性反力系數(shù)(MPa·m-1)202025.624.72030(綜合)600212450932.542201200250011.433.66.924.214857612372400155630000.380.112004500.30.30.40.6200300

雙連拱隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土厚20 cm+φ22錨桿，L=350 cm+φ8鋼筋網(wǎng)(間距20 cm)，二次襯砌采用C30號模筑鋼筋混凝土厚50 cm，中柱采用C30號模筑鋼筋砼厚200 cm，具體計算參數(shù)如表2所示。

表2 初支與二襯計算參數(shù)表Table2 Theparametersofinitialsupportandsecondlining重度γ(KN·m-3)彈模E/(Gpa)泊松比μ內(nèi)摩擦角?粘聚力c/MPa初期支護(hù)25.525.50.2二次襯砌25270.2

2.2 隧道開挖步序

雙連拱隧道開挖方法對比三導(dǎo)洞先墻后拱法(簡稱導(dǎo)洞法)與單導(dǎo)正洞臺階法(簡稱臺階法)使用過程中引發(fā)的圍巖應(yīng)力場與位移場變化，從而為現(xiàn)場隧道開挖方法的選擇提供理論依據(jù)。

① 導(dǎo)洞法。

采用導(dǎo)洞法的隧道開挖與支護(hù)可分為20個開挖步序，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)洞法施工步序圖Figure 2 The chart of construction sequence of pilot drift method

② 臺階法。

采用臺階法的隧道開挖與支護(hù)可分為17個開挖步序，如圖3所示。

圖3 臺階法施工步序圖Figure 3 The chart of step method construction sequence

3 計算模型的建立

通過有限元查分程序Flac3D建立三維數(shù)值模型，隧道開挖影響洞周一定范圍內(nèi)巖土體，故根據(jù)邊界效應(yīng)，計算模型大小取為80 m×80 m×55 m(長×寬×高)，采用位移邊界條件，除上表面自由外，其余均約束法向位移，計算模型含57852個單元、97872個節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格剖分如圖4所示[9-15]，有限元查分程序Flac3D提供了豐富的材料單元，可以實(shí)現(xiàn)對地下工程各種材料應(yīng)力 — 應(yīng)變關(guān)系的準(zhǔn)確模擬，隧道圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，初期支護(hù)與二次襯砌服從彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。>

圖4 雙連拱隧道三維計算模型網(wǎng)格剖分Figure 4 Three-dimensional numerical model mesh of double arch tunnel

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

雙連拱隧道擬采用導(dǎo)洞法和臺階法開挖，通過三維數(shù)值模型動態(tài)模擬開挖與支護(hù)，選取縱向中間斷面為重點(diǎn)分析斷面，從圍巖應(yīng)力場與位移場的角度對比導(dǎo)洞法和臺階法的適用性。

4.1 圍巖應(yīng)力場

圖5、圖6為雙連拱隧道開挖引發(fā)的洞周圍巖最大主應(yīng)力分布，可得以下結(jié)論：

① 采用導(dǎo)洞法開挖，隧道洞周圍巖最大主應(yīng)力的極值出現(xiàn)在中隔墻上方，拉應(yīng)力值為1.75 MPa。隧道開挖過程中，施工造成的中隔墻上方圍巖擾動較大，表現(xiàn)為一定的應(yīng)力集中，因此應(yīng)力場極值出現(xiàn)在中隔墻上方部位；左、右側(cè)隧道開挖完成，隧道邊墻部位及對應(yīng)中隔墻下方出現(xiàn)一定范圍的壓應(yīng)力，最大值為0.75 MPa。

② 采用臺階法開挖，隧道洞周和中隔墻上部出現(xiàn)一定范圍帶狀分布的拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力值1 MPa。相對于導(dǎo)洞法，拉應(yīng)力分布區(qū)域明顯較大，風(fēng)險增大。

圖5 導(dǎo)洞法隧道開挖最大主應(yīng)力云圖(單位： Pa)Figure 5 The maximum principal stress image of pilot tunnel excavation(unit: Pa)

圖6 臺階法隧道開挖最大主應(yīng)力云圖(單位： Pa)Figure 6 The maximum principal stress image of step method of tunnel excavation (unit: Pa)

在地下工程中，巖土體破壞多表現(xiàn)為剪切破壞，因此兩種開挖方法引發(fā)圍巖剪應(yīng)力是判定工法適應(yīng)性的重要指標(biāo)，如圖7、圖8所示。

圖7、圖8為雙連拱隧道開挖引發(fā)的洞周圍巖剪應(yīng)力分布，可得以下結(jié)論：

① 采用導(dǎo)洞法開挖，圍巖剪應(yīng)力應(yīng)力集中分布在中隔墻兩端和隧道拱肩，最大值為3.77 MPa；

② 采用臺階法開挖，圍巖剪應(yīng)力應(yīng)力集中分布在隧道拱肩(即隧道斷面拱部圓曲線與拱肩圓曲線相交處)，最大值為7.73 MPa；

③ 相對于導(dǎo)洞法，臺階法應(yīng)力集中范圍變小，但應(yīng)力值增幅較大。

圖7 導(dǎo)洞法隧道開挖剪應(yīng)力云圖(單位： Pa)Figure 7 The shear stress image of pilot tunnel excavation (unit: Pa)

圖8 臺階法隧道開挖剪應(yīng)力云圖(單位： Pa)Figure 8 The shear stress image of step method of tunnel excavation (unit: Pa)

4.2 隧道圍巖位移場分析

隧道拱部豎向位移判定圍巖穩(wěn)定性的重要標(biāo)準(zhǔn)，選取圍巖豎向位移為指標(biāo)對比導(dǎo)洞法和臺階法開挖的適應(yīng)性，如圖9、圖10所示。

圖9 導(dǎo)洞法開挖洞周圍巖豎向應(yīng)力云圖(單位： m)Figure 9 The vertical stress image of pilot tunnel excavation(unit: m)

圖10 臺階法開挖洞周圍巖豎向應(yīng)力云圖(單位： m)Figure 10 he vertical stress image of step method of tunnel excavation(unit:m)

圖9、圖10為雙連拱隧道開挖引發(fā)的洞周圍巖豎向位移分布，可得以下結(jié)論：

① 采用導(dǎo)洞法開挖，洞周圍巖豎向位移最大值為2.85 cm，主要中隔墻和隧道拱頂上部，大致呈扇形對稱分布，向隧道兩端圍巖逐漸減小。

② 采用臺階法開挖，洞周圍巖豎向位移分布規(guī)律與倒動法基本一致，但豎向位移量值較大，最大值為4.79 cm。

③ 采用導(dǎo)洞法、臺階法開挖，隧道底部隆起沿中隔墻對稱分布，導(dǎo)洞法底部隆起豎向位移量值和分布范圍均得到有效控制。

4.3 關(guān)鍵步序優(yōu)化

從數(shù)值計算的應(yīng)力場和位移場可以看出，雙連拱隧道中，中墻成為確保圍巖穩(wěn)定性關(guān)鍵部位，在設(shè)計和施工中應(yīng)當(dāng)采用如下措施：

① 雙連拱隧道設(shè)計注意優(yōu)化斷面形式，增大結(jié)構(gòu)中墻與洞周圍巖的接觸面積，改善隧道斷面受力；

② 施工中注意減少對中墻上部土體的擾動，嚴(yán)格采用光面控制爆破，隧道正洞爆破炮眼位置盡量偏離中墻；

③ 施作中墻時，通過插入式振搗器分層填筑，模板封堵至頂部，保證中墻一次澆筑成型；

④ 在中墻頂部預(yù)埋注漿管，及時回填注漿，保證中墻與圍巖密貼。

5 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果分析

選取高速公路雙連拱隧道采用導(dǎo)洞法開挖，通過現(xiàn)場埋設(shè)測點(diǎn)對隧道開挖后的拱頂沉降進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，采用非接觸量測技術(shù)得到拱頂沉降數(shù)據(jù)。

鑒于中墻施作和兩側(cè)正洞開挖步序的影響，拱頂沉降測點(diǎn)分別埋設(shè)在隧道拱頂處，每個隧道斷面布置2個測點(diǎn)。選取某典型斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DPS的非線形回歸模型進(jìn)行回歸分析，如圖11所示。

圖11 隧道開挖30 d內(nèi)拱頂沉降擬合曲線(單位： mm)Figure 11 Within 30 days of the fitting curve of tunnel excavation vault settlement (unit:m)

圖11為隧道開挖后30 d內(nèi)對到拱頂沉降曲線，隧道開挖引力釋放引發(fā)洞周位移，在開挖后5 d內(nèi)拱頂沉降值發(fā)展較快；隨著應(yīng)力釋放進(jìn)一步發(fā)展和初期支護(hù)的及時施作，隧道拱頂定沉降得到有效控制，最大值為21.8 cm；拱頂沉降實(shí)測結(jié)果小于數(shù)值計算，因?yàn)楝F(xiàn)場監(jiān)控量測是從掌子面上部開挖開始的，隧道先期位移難以得到，故現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值計算結(jié)果位移發(fā)展規(guī)律相一致。

6 結(jié)論

① 開挖隧道洞周圍巖最大主應(yīng)力的極值出現(xiàn)在中隔墻上方， 采用臺階法隧道洞周和中隔墻上部出現(xiàn)一定范圍帶狀分布的拉應(yīng)力區(qū)，施工風(fēng)險較大；

② 導(dǎo)洞法開挖圍巖剪應(yīng)力應(yīng)力集中分布在中隔墻兩端和隧道拱肩，臺階法開挖圍巖剪應(yīng)力應(yīng)力集中分布在隧道拱肩，剪應(yīng)力集中范圍變小，但應(yīng)力值增幅較大；

③ 雙連拱隧道拱頂沉降集中在中隔墻和隧道拱頂上部，大致呈扇形對稱分布，向隧道兩端圍巖逐漸減小，導(dǎo)洞法引發(fā)拱頂沉降量值小于臺階法；

④ 采用導(dǎo)洞法、臺階法開挖，隧道底部隆起沿中隔墻對稱分布，導(dǎo)洞法底部隆起豎向位移量值和分布范圍均得到有效控制。

⑤ 雙連拱隧道中墻成為確保圍巖穩(wěn)定性關(guān)鍵部位，應(yīng)增大結(jié)構(gòu)中墻與洞周圍巖的接觸面積、減少對中墻上部土體的擾動、保證中墻一次澆筑成型、及時回填注漿，保證中墻與圍巖密貼等措施。

⑥ 現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值計算結(jié)果位移發(fā)展規(guī)律相一致。

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Analysis on Construction Method Optimization for the Large Section Multi-arch Tunnel

WANG Fei

(Shaanxi Railway Institute, Dept. of Architectural Engineering, Weinan Shaanxi 714009， China)

Taking multi-arch tunnel in Chong-Qing highway as the project background, The Adaptability of different construction method is performed by numerical calculation and site measurement, the optimization and strengthening measures are proposed for weak processes. The results are showed that: ① Compared with pilot method, the zonal of tension stress zone is appeared range tunnel edge on the top of crown and middle wall; ②the shear stress concentration is distributed of amphi-middle wall and spandrel. The range of shear stress concentration is decreased and the shear stress value is increased large-sized by bench method. ③the crown settlement of multi-arch tunnel concentration in the top of middle wall and crown, the value of crown settlement by pilot method less than bench method; ④ the displace value and distribution range of the bottom uplift are brought under effective control by pilot method; ⑤ the middle wall construction is become key step sequence for stability of surrounding rock, the corresponding reinforcement measures should be performed by design and construction; ⑥The variation of the site measurement basically tallies with the numerical calculation.

multi-arch tunnel; middle wall; bench method; pilot method; crown settlement; site measurement

2015 — 03 — 17

王 飛(1982 — )，男，陜西西安人,碩士，講師，注冊巖土工程師，主要從事基礎(chǔ)工程教學(xué)及土建施工技術(shù)研究。

U 455.4

A

1674 — 0610(2016)05 — 0172 — 04