石膏質(zhì)巖隧道工法優(yōu)選

趙國軍+陳釩+歐陽汛

摘 要： 石膏質(zhì)巖的膨脹特性嚴(yán)重影響隧道的施工設(shè)計(jì)及其后期的正常使用，目前該類巖體隧道的設(shè)計(jì)施工大都偏保守，合理的隧道工法是石膏質(zhì)巖體隧道安全穩(wěn)定的有力保障。以重慶梁忠高速公路禮讓隧道石膏段為工程依托，采用數(shù)值模擬，進(jìn)行工法優(yōu)選并提出相應(yīng)施工要求，得出以下結(jié)論：（1）對(duì)石膏段隧道采用全斷面法開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力最大，變形相對(duì)也更大，單側(cè)壁導(dǎo)坑法支護(hù)受力最小，變形相對(duì)要小，但工序復(fù)雜，上下臺(tái)階法工序相對(duì)簡(jiǎn)單，變形及受力在允許范圍內(nèi)。（2）選取斷面進(jìn)行臺(tái)階法開挖現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，提出開挖階段嚴(yán)格控制爆破及仰拱及掌子面間距，并加強(qiáng)各類支護(hù)，加深仰拱等相應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)要求。（3）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示隧道變形實(shí)測(cè)值較模擬數(shù)值稍有偏小，隧道整體偏安全，禮讓隧道石膏段采用上下臺(tái)階法開挖可行。研究成果對(duì)類似石膏質(zhì)巖隧道提供了有益借鑒。

關(guān)鍵詞： 石膏質(zhì)巖； 開挖方法優(yōu)選； 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

Abstract： The expansion features of the gypsum rocks seriously affect the construction of the tunnel design and its normal use in the late period， the design and construction of these tunnels are mostly conservative at present， Reasonable construction methods are powerful guarantees for gypsum rock tunnels safety and stability. As the gypsum rock section of Lirang tunnel in Chongqing， Liang Zhong highway for the project， using the numerical simulation， to optimize the construction method and put forward something requirements， the conclusions are as follows：（1）when the gypsum section tunnel excavated by the whole section method， the supporting structure is largest forced， the tunnel deformation is relatively more， the supporting force is minimal when the tunnel excavated by the CD method， deformation is relatively smaller， while the process is complicated， up and down the steps method procedure is relatively simple， also the deformation and stress in the allowed range. （2）Select some sections to have a field test with steps method， put forward that the excavation process should strictly controlled blasting and the distance between the inverted arch and constraints spacing， besides， all kinds of the support should be strengthen， also the inverted arch should be deepen and other corresponding requirement on site. （3）The field test results show that the measured values of the tunnel deformation are slightly smaller than the simulation values， the tunnel is in a good security， it is feasible of the Gypsum tunnel section excavated by steps method. Research provides useful reference for similar gypsum rock tunnel.

Keywords： gypsum rock； the excavation method optimization； field test

石膏質(zhì)巖是一種典型的特殊巖體，在我國各個(gè)區(qū)域，特別是西南地區(qū)廣泛分布著石膏質(zhì)巖，各類工程建設(shè)過程中也時(shí)常遭遇此類巖體。目前我國公路隧道大都采用新奧法施工[1]，即通過圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)共同承受荷載。對(duì)于石膏質(zhì)巖隧道，我國尚未對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，也沒有相應(yīng)的隧道施工工法，而是依靠經(jīng)驗(yàn)完成建設(shè)，導(dǎo)致隧道常常在施工過程中偏于危險(xiǎn)或相對(duì)保守[2]。當(dāng)施工偏于危險(xiǎn)時(shí)，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)安全問題，并需要耗費(fèi)大量資金進(jìn)行維修和養(yǎng)護(hù)；當(dāng)施工偏于保守時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同承載作用不夠充分，還將造成錨桿等支護(hù)材料過剩，同樣造成了嚴(yán)重的資金浪費(fèi)[3]，因此，對(duì)石膏質(zhì)巖類特殊隧道進(jìn)行針對(duì)性工法分析研究具有重要意義。

目前隧道施工設(shè)計(jì)方法多樣，許多學(xué)者針對(duì)特殊巖體隧道施工進(jìn)行了相關(guān)研究。郭文明[4]進(jìn)行了全斷面法、核心土方法等工法分析總結(jié)，并對(duì)各級(jí)圍巖下的超大斷面扁平隧道施工工法提出了相應(yīng)的建議；郭禹呈[5]對(duì)回頭溝隧道淺埋偏壓段進(jìn)行了施工方法對(duì)比研究，對(duì)工程實(shí)際選擇了合適的工法，并詳細(xì)進(jìn)行了施工流程分析指導(dǎo)；王鐵男[6]分別對(duì)全斷面法、臺(tái)階法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑等方法進(jìn)行了隧道開挖穩(wěn)定性分析，總結(jié)了每種開挖方案在分析的各階段的特征；李達(dá)[7]對(duì)穿越斷層的長(zhǎng)大隧道進(jìn)行了施工方法優(yōu)化，并提出了隧道穿斷層的相關(guān)施工建議；范小偉[8]對(duì)長(zhǎng)沖隧道進(jìn)口段分別采用臺(tái)階分部法和CD法，優(yōu)化分析隧道各個(gè)部位的變形及受力特性。

綜上可知，特殊隧道段合適的開挖方法不僅可以實(shí)現(xiàn)新奧法施工過程中圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)受載充分，保證隧道的穩(wěn)定性，還可以節(jié)約錨桿、襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用，降低支護(hù)成本，并對(duì)整個(gè)施工過程提出更為詳細(xì)縝密的施工要求。本文以重慶梁平至忠縣高速公路深埋石膏質(zhì)巖段隧道，對(duì)新奧法中常用的隧道施工方法分別進(jìn)行圍巖變形影響分析及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析，進(jìn)而選擇適合石膏質(zhì)巖深埋隧道工程的施工方法，并相應(yīng)地提出現(xiàn)場(chǎng)施工要求，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證優(yōu)選工法的可行性。

1. 工程概況

重慶梁平至忠縣高速公路禮讓隧道進(jìn)口位于七星鎮(zhèn)金柱村蔣家溝，出口位于禮讓鎮(zhèn)河川村流長(zhǎng)溝，屬于特長(zhǎng)隧道。石膏主要分布于背斜軸部分布的三疊系下統(tǒng)嘉陵江組四段的地層中，具體分布里程范圍：左線ZK14+582～ZK14+907，右線K14+599～K14+920，穿石膏巖段隧道長(zhǎng)度約600m，且屬于禮讓隧道深埋段。石膏段圍巖等級(jí)為V級(jí)。

2. 禮讓隧道石膏段開挖方法優(yōu)選分析

2.1 膏巖段隧道模型建立

根據(jù)《禮讓隧道施工設(shè)計(jì)說明》和詳勘資料，建立平面應(yīng)變模型，分析隧道開挖后圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。結(jié)合禮讓隧道膏巖段實(shí)際地層情況，建立幾何模型如圖1所示，模型寬300m，高160m，尺寸遠(yuǎn)大于開挖洞徑，巖層自上而下為灰?guī)rA1（100m）—膏巖A3+A4（40m）—灰?guī)rA2（20m）。由于膏巖具有軟化性，因此取隧道三倍洞徑范圍，對(duì)膏巖區(qū)進(jìn)行了軟化區(qū)域劃分，其中A4為軟化區(qū)，即隧道開挖過程中造成周邊圍巖體軟化，強(qiáng)度降低；A3為非軟化區(qū)，表示隧道開挖對(duì)該區(qū)域圍巖強(qiáng)度基本無影響。

采用桿單元Link1，模擬錨桿支護(hù)，梁?jiǎn)卧狟eam3模擬初襯支護(hù)，平面單元Plane42模擬隧道巖體。巖土體采取彈塑性介質(zhì)模型，DP準(zhǔn)則，灰?guī)r、膏巖及支護(hù)材料的力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2 膏巖段隧道開挖方法模擬

隧道開挖方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性及工程進(jìn)度影響較大，目前高速公路隧道常用的開挖方法有：全斷面法、上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法。[9]禮讓隧道原始設(shè)計(jì)中，建議石膏段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。本研究分別對(duì)全斷面法、上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行數(shù)值模擬，分析圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征，并基于模擬結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

三種開挖方法的具體模擬如下：

（1）全斷面開挖。包括：模擬重力場(chǎng)à模擬全斷面開挖à隧道斷面支護(hù)。

（2）上下臺(tái)階法。包括：模擬重力場(chǎng)à上臺(tái)階開挖à上臺(tái)階支護(hù)à下臺(tái)階開挖à下臺(tái)階支護(hù)。

（3）單側(cè)壁導(dǎo)坑法。包括：模擬重力場(chǎng)à左上側(cè)開挖à左上側(cè)支護(hù)à左下側(cè)開挖à左下側(cè)支護(hù)à右上側(cè)開挖à右上側(cè)支護(hù)à右下側(cè)開挖à右下側(cè)支護(hù)à拆除中隔墻。

2.3 模擬結(jié)果及分析

由于本模擬側(cè)重研究三種開挖方法對(duì)石膏巖隧道的影響，且實(shí)際施工過程中同一隧道不允許同時(shí)掘進(jìn)，所以只對(duì)隧道左洞的開挖進(jìn)行模擬。三種開挖方法模擬下各圍巖及支護(hù)參數(shù)均相同，且基于原設(shè)計(jì)。

（1）圍巖變形分析

圖2為三種開挖方法下，圍巖在豎直方向上的位移云圖。三種方法下最大豎直方向的位移都發(fā)生在拱頂處?？梢钥闯鋈珨嗝骈_挖，隧道拱頂最大下沉19.61mm，底部隆起10.84mm，兩者變形值相差不大，這是因?yàn)槿珨嗝骈_挖，斷面一次成型，隧道上下部圍巖受膨脹軟化作用的時(shí)間相同。上下臺(tái)階法開挖，隧道拱頂最大下沉17.37mm，底部隆起7.75mm，拱頂和拱低變形值相差9.62mm，這是因?yàn)樯吓_(tái)階先行，拱頂圍巖變形時(shí)間長(zhǎng)于拱底。單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，隧道拱頂最大下沉8.50mm，底部隆起6.29mm。對(duì)比三種方法，單側(cè)壁導(dǎo)坑法下沉量最小，全斷面法下沉量最大。

圖3為三種開挖方法下，圍巖在水平方向上的位移云圖。三種方法下水平方向的最大位移都發(fā)生在右側(cè)拱墻處，這是因?yàn)槟M過程中只對(duì)左側(cè)單隧道開挖，模型右半部分的圍巖較左半部分多，造成隧洞右側(cè)拱墻處位移稍大。全斷面開挖，隧道水平方向最大位移10.91mm，水平收斂21.14mm。上下臺(tái)階法開挖，隧道水平方向最大位移7.56mm，水平收斂14.88mm。單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，隧道水平方向最大位移2.01mm，水平收斂3.66mm?？梢钥闯鲩_挖方法對(duì)圍巖水平方向變形比對(duì)豎直方向變形影響大。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征分析

圖4為三種開挖方法下的錨桿軸力圖。全斷面開挖法，錨桿的近端軸力大、遠(yuǎn)端軸力小，最大軸力為174.54KN，主要分布在拱頂，拱腳處也會(huì)出現(xiàn)軸力偏大，最小軸力43.29KN。上下臺(tái)階法，錨桿軸力分布均勻，最大軸力為66.07KN，分布在上臺(tái)階拱墻側(cè)，最小軸力35.53KN，分布在拱腳處。單側(cè)壁導(dǎo)坑法，錨桿軸力分布均勻，最大軸力為43.48KN，分布在左側(cè)拱墻和拱底中間處，最小軸力25.74KN，分布在拱腳處?？梢姺植介_挖能降低錨桿的軸力，且能有效避免拱腳處錨桿軸力過大。

在模擬結(jié)果中，三種開挖方法襯砌的彎矩和剪力都非常小，襯砌的壓應(yīng)力主要受軸力影響。圖5為襯砌所受軸力圖。全斷面開挖中襯砌最大軸力在拱腳處，為475.90KN，最小在拱墻處，為314.26KN，這是因?yàn)樗淼罃嗝嬉淮纬尚停覈鷰r具有膨脹軟化性。上下臺(tái)階法，襯砌最大軸力為208.40KN，除了出現(xiàn)在拱腳處，拱頂處軸力也偏大，這是因?yàn)橄乳_挖上臺(tái)階，上部圍巖受膨脹作用時(shí)間長(zhǎng)。襯砌最小軸力為136.88KN，在拱肩處。單側(cè)壁導(dǎo)坑法襯砌最大軸力149.09KN，在左側(cè)拱腳處，這是因?yàn)樽髠?cè)先開挖且圍巖受膨脹作用影響，襯砌最小軸力為79.50KN?？梢姡N方法中單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響最小。

表2為三種開挖方法下，圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的結(jié)果。全斷面法對(duì)圍巖擾動(dòng)最小，拱頂沉降和水平收斂值都大于另兩種開挖方法；單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)圍巖擾動(dòng)最大，但圍巖變形相對(duì)最??；上下臺(tái)階法介于兩者之間；支護(hù)結(jié)構(gòu)受力方面，全斷面法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響最大，錨桿最大拉應(yīng)力能達(dá)到88.9MPa，襯砌最大壓應(yīng)力能達(dá)到7.1MPa；單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響最小，錨桿最大拉應(yīng)力能達(dá)到22.2MPa，襯砌最大壓應(yīng)力能達(dá)到2.2MPa；上下臺(tái)階法介于兩者之間。錨桿最大拉應(yīng)力能達(dá)到33.6MPa，襯砌最大壓應(yīng)力能達(dá)到3.1MPa。對(duì)比三種方法，即使采用全斷面開挖，錨桿最大拉應(yīng)力和襯砌的最大壓應(yīng)力，都在材料的許可范圍內(nèi)（錨桿抗拉強(qiáng)度130MPa，襯砌抗壓強(qiáng)度30MPa）。

綜上所述，綜合考慮采用不同開挖方法對(duì)隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響以及隧道施工便捷、經(jīng)濟(jì)等因素，采用全斷面法進(jìn)行隧道開挖，雖然施工進(jìn)度快，且最具經(jīng)濟(jì)性，但其水平收斂達(dá)21.14mm，變形量超出允許值范圍，施工相對(duì)偏危險(xiǎn)。采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道開挖時(shí)，圍巖變形及其支護(hù)結(jié)構(gòu)受力相對(duì)偏保守，但其施工工序更為繁瑣。因此，對(duì)禮讓隧道石膏段選擇上下臺(tái)階法進(jìn)行施工更為合理，施工工序相對(duì)原設(shè)計(jì)中的單側(cè)壁導(dǎo)坑法更為簡(jiǎn)便，且其沉降收斂值也均處于圍巖允許變形范圍內(nèi)。

3. 禮讓隧道石膏段臺(tái)階法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

根據(jù)前節(jié)對(duì)禮讓隧道石膏段開挖方法進(jìn)行優(yōu)選分析，對(duì)其提出采用上下臺(tái)階法代替單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，并結(jié)合膏巖段現(xiàn)場(chǎng)施工過程中采取的措施，從隧道開挖及支護(hù)方面提出相關(guān)要求，并驗(yàn)證臺(tái)階法施工的可行性。

3.1 臺(tái)階法隧道施工現(xiàn)場(chǎng)要求

（1）臺(tái)階法隧道開挖要求

同一段隧道左右洞不許同時(shí)掘進(jìn)，分先行洞和后行洞施工，后行洞控制爆破震速不大于15cm/s。[10]后續(xù)洞初期開挖及初期支護(hù)超前先行洞二次襯砌。上臺(tái)階開挖長(zhǎng)度不超過開挖寬度的1.5倍。上臺(tái)階每循環(huán)開挖進(jìn)尺V級(jí)圍巖不超過1榀鋼架間距，下臺(tái)階開挖支護(hù)進(jìn)尺與上臺(tái)階一致。隧道開挖后仰拱應(yīng)及時(shí)施做并封閉成環(huán)，邊墻每循環(huán)開挖支護(hù)進(jìn)尺不大于2榀鋼架。仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿，每循環(huán)進(jìn)尺不大于3米，左右兩側(cè)分幅開挖。V級(jí)圍巖仰拱距離掌子面不大于40m。

（2）臺(tái)階法隧道支護(hù)建議

①施工時(shí)需加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)格遵循“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工原則”；

②增加預(yù)留變形量，暫設(shè)計(jì)為40cm，具體施工時(shí)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的圍巖膨脹變形量調(diào)整確定；

③加強(qiáng)超前支護(hù)，采取Φ42小導(dǎo)管和R76自進(jìn)式錨桿進(jìn)行超前支護(hù)；

④加強(qiáng)初期支護(hù)，采用20b密排工字鋼全周封閉支護(hù)，4m長(zhǎng)Φ25中空注漿錨桿全周布置。施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，若變形量較大引起初噴混凝土開裂，則需沿噴層每隔2m～3m布置一條10cm～15cm寬的縱向變形縫；

⑤加深仰拱，使隧道內(nèi)輪廓更接近圓形，改善襯砌結(jié)構(gòu)受力。

3.2 臺(tái)階法隧道施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)隧道施工實(shí)際情況，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來驗(yàn)證上下臺(tái)階法模擬及該方法所得結(jié)果的可靠性。在左右洞各選取2個(gè)斷面作為測(cè)試段進(jìn)行測(cè)試，自測(cè)試之日起，記錄各斷面變形情況直至穩(wěn)定，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出4個(gè)斷面拱頂襯砌結(jié)構(gòu)變形，具體結(jié)果對(duì)比如表3，拱頂沉降及水平收斂模擬數(shù)值較實(shí)測(cè)值稍有偏大，但圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，可見對(duì)禮讓隧道石膏段優(yōu)選采用上下臺(tái)階法施工的方案是可行的。

4. 結(jié)語

（1）不同工法對(duì)隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響也不相同，對(duì)比全斷面法、上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)深埋膏巖隧道影響，結(jié)果顯示：全斷面法對(duì)隧道擾動(dòng)最小，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力最大，但隧道變形相對(duì)偏危險(xiǎn)；單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)隧道擾動(dòng)最大，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力最小，隧道變形相對(duì)偏保守，上下臺(tái)階法圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力位于二者之間，且與單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖結(jié)果更為接近。

（2）通過對(duì)隧道斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)隧道采用上下臺(tái)階法施工提出相應(yīng)的開挖及支護(hù)施工要求：建議開挖階段嚴(yán)格控制爆破震速及仰拱與掌子面距離；建議支護(hù)階段增加預(yù)留變形量，加強(qiáng)超前支護(hù)、初期支護(hù)并加深仰拱，保障隧道的穩(wěn)定性。

（3）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，隧道采用上下臺(tái)階法施工，拱頂下沉及水平收斂實(shí)測(cè)值較模擬數(shù)值稍有偏小，隧道整體穩(wěn)定且偏安全，對(duì)禮讓隧道石膏段采取上下臺(tái)階法施工合理且可行。

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