張強(qiáng)鋒,張文婷

(西南交通大學(xué)峨眉校區(qū),四川峨眉山 614202)

1 概述

三臺(tái)階七步開挖法是以弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法為基本模式,分上、中、下3個(gè)臺(tái)階開挖面,各部位的開挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開,平行推進(jìn)的施工作業(yè)方法[1]。該方法適用于開挖斷面為100～180 m2,具有一定自穩(wěn)能力的Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖,由于其多方面的優(yōu)點(diǎn)在鐵路大斷面隧道已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[2-6]。而雙洞八車道公路隧道在Ⅳ級(jí)圍巖中,單洞開挖斷面達(dá)到220 m2,且小凈距使左右洞相互影響,使用七步臺(tái)階法開挖是否可行是一個(gè)很有意義的課題。因此,本文依托廣深沿江高速公路牛頭山隧道,利用有限差分軟件研究雙洞八車道小凈距公路隧道七步臺(tái)階法施工過程中初期支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力的動(dòng)態(tài)特征,為七步臺(tái)階法在超大斷面公路隧道中的應(yīng)用推廣打下基礎(chǔ)。

2 工程背景

牛頭山隧道為雙洞八車道小凈距公路隧道,全長373 m。圍巖主要是中、強(qiáng)、全風(fēng)化混合片麻巖。隧道埋深30 m,左、右線隧道開挖跨度均為20 m,左、右線隧道間凈距為18 m,初期支護(hù)采用厚27 cm C25微纖維全環(huán)濕噴混凝土,φ25 mm中空注漿錨桿4.5 m@(縱×環(huán))0.75 m×1 m,I20a型鋼間距0.75 m,中間巖柱加固采用φ25自進(jìn)式錨桿6 m@(縱×環(huán))0.75 m×1 m及φ43 mm注漿錨管4.5 m@(縱×環(huán))0.75 m×1 m,采用七步臺(tái)階法施工,開挖步序見圖1。

圖1 開挖步序

3 計(jì)算模型

本次計(jì)算采用有限差分軟件Flac進(jìn)行,模型水平方向?yàn)?00 m,每邊100 m,約5倍跨徑,豎向?yàn)?20 m,其中洞頂以上按埋深取30 m,洞底以下約55 m；隧道縱向方向取1 m,按照平面力學(xué)問題計(jì)算?？傆?jì)劃分網(wǎng)格25 440個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)51 502個(gè)。模型中注漿加固區(qū)、初期支護(hù)、圍巖均采用實(shí)體單元。圍巖本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型,并服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[7-8]。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

4 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJD07—2004)[9],選?、艏?jí)圍巖計(jì)算參數(shù)。錨桿的加固效果根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)來模擬[10]。鋼拱架的作用采用抗彎剛度等效予以考慮,即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土。具體參數(shù)見表1。

表1 Ⅳ級(jí)圍巖計(jì)算參數(shù)

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 初期支護(hù)應(yīng)力

由于篇幅有限,僅列舉部分施工步序的最大和最小主應(yīng)力云圖,見圖3。

由圖3可知：

(1)洞周邊最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力,最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力,但是應(yīng)力的絕對(duì)值以最小應(yīng)力最大,它們各自控制著巖體的拉伸破壞與壓縮破壞；

(2)隧道支護(hù)最大拉應(yīng)力主要發(fā)生在拱頂和仰拱中部,最大壓應(yīng)力主要發(fā)生在各部開挖后的拱腳或墻角,因此施工各部時(shí)應(yīng)加強(qiáng)拱腳或墻角支護(hù),設(shè)置鎖腳錨桿(管)、鋼架縱向連接鋼筋等。

(3)左洞各導(dǎo)坑步開挖完成后,初期支護(hù)最大壓應(yīng)力為9.7 MPa,最大拉應(yīng)力為0.104 MPa,當(dāng)右洞開外完成時(shí),最大壓應(yīng)力為11.6 MPa,最大拉應(yīng)力0.227 MPa,最大壓應(yīng)力增加量為19.6%,最大拉應(yīng)力增加量為118.3%。

(4)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力滿足規(guī)范[9]要求,初期支護(hù)處于安全狀態(tài)。

5.2 初期支護(hù)軸力

為了解初期支護(hù)內(nèi)力隨施工步序變化情況,設(shè)置了以下內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,如圖4所示。

圖4 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

隧道初期支護(hù)各測(cè)點(diǎn)軸力隨施工步序變化規(guī)律見圖5。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力隨施工步序變化規(guī)律

由圖5可知：

(1)左右洞所有測(cè)點(diǎn)軸力均為壓力(負(fù)值),左洞先開挖且受右洞開挖影響,初期支護(hù)內(nèi)力整體大于右洞。

(2)左洞初期支護(hù)最大軸力分布在右邊墻上部(測(cè)點(diǎn)5),左邊墻(測(cè)點(diǎn)7)、右邊墻中部(測(cè)點(diǎn)8)和右拱腳(測(cè)點(diǎn)4)軸力也較大,這是由于隧道扁平,左右邊墻承受拱部傳遞的荷載大,而右洞開挖對(duì)中巖柱擾動(dòng)使左洞右邊墻及右拱腳軸力更大；最小軸力分布在仰拱中部(測(cè)點(diǎn)11)。右洞初期支護(hù)最大軸力分布在左邊墻中部(測(cè)點(diǎn)8),最小軸力分布在兩拱腰(測(cè)點(diǎn)4、6)和仰拱中部(測(cè)點(diǎn)11)。

(3)左洞部分測(cè)點(diǎn)(3、5、7)由于后續(xù)施工步序開挖對(duì)圍巖多次擾動(dòng),圍巖應(yīng)力重分布導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力波動(dòng),隨著施工步不斷推進(jìn),支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力逐漸增加,當(dāng)施工步序開挖至12步時(shí),軸力逐漸趨于穩(wěn)定。右洞部分測(cè)點(diǎn)(2、5、7)軸力亦有波動(dòng),后逐漸趨于穩(wěn)定。

(4)左洞開挖完畢后,初期支護(hù)拱頂軸力約為-1 105.2 kN,右邊墻上部軸力量值約為-2 267.96 kN,左邊墻上部軸力量值約為-2 106.00 kN；當(dāng)右洞開挖完畢后,拱頂軸力約為-1 271.93 kN,右邊墻上部軸力量值約為-2 710.63 kN,左邊墻上部量值約為-2 398.97 kN,左右邊墻軸力增加分別為19.5%和14%。

5.3 初期支護(hù)彎矩

隧道初期支護(hù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)彎矩隨施工步序變化規(guī)律見圖6。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)彎矩隨施工步序變化規(guī)律

由圖6可知：

(1)除左洞兩拱腰(測(cè)點(diǎn)4、6)彎矩為正,其余彎矩為負(fù)(內(nèi)側(cè)受拉,外側(cè)受壓),在彎矩值上,左右兩洞相差小。

(2)左洞負(fù)彎矩中最大彎矩分布在拱頂左側(cè)(測(cè)點(diǎn)2),左邊墻上部(測(cè)點(diǎn)7)、右邊墻中部(測(cè)點(diǎn)8)和仰拱右側(cè)(測(cè)點(diǎn)12)彎矩值也較大,最小彎矩分布在仰拱中部(測(cè)點(diǎn)11)。右洞最大彎矩分布在拱頂右側(cè)(測(cè)點(diǎn)3),拱頂左側(cè)(測(cè)點(diǎn)2)和左邊墻中部(測(cè)點(diǎn)8)彎矩值也較大,最小彎矩分布在仰拱中部(測(cè)點(diǎn)11)。

(3)左洞部分測(cè)點(diǎn)(2、3、5、7)和右洞部分測(cè)點(diǎn)(2、3、5、7)由于后續(xù)施工步序開挖對(duì)圍巖多次擾動(dòng),圍巖應(yīng)力重分布導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩波動(dòng),隨著施工步不斷推進(jìn),支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩逐漸增加,并逐漸趨于穩(wěn)定。

(4)左洞除測(cè)點(diǎn)8、10、12外,其他各點(diǎn)在左洞開挖完畢后,逐漸趨于穩(wěn)定,右洞開挖對(duì)其影響較小。左洞右邊墻中部(測(cè)點(diǎn)8)、仰拱左側(cè)(測(cè)點(diǎn)10)和仰拱右側(cè)(測(cè)點(diǎn)12)在左洞開挖完成和右洞完成后的彎矩值分別是-10.08、-3.87、-4.06和-12.17、-5.9、-10.7 kN·m,增幅分別為20.7%、52.5%、163.5%,說明右洞開挖對(duì)左洞這些部位影響明顯。

5.4 初期支護(hù)位移

隧道周邊5個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)見圖7。

隧道周邊位移的計(jì)算值見圖8。

注：1點(diǎn)為拱頂,2點(diǎn)為左拱腰,3點(diǎn)位右拱腰,4點(diǎn)為左拱腳,5點(diǎn)為右拱腳。

圖8 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化規(guī)律

由圖8可知：

(1)左右洞拱頂位移值均為最大,左洞右拱腳、右洞左拱腳位移值最小,這是因?yàn)樾艟嗍箖啥锤髯赃h(yuǎn)離中巖柱的一側(cè)變形較小；

(2)左洞開挖初期位移快速增加,第4步后趨于平穩(wěn),在右洞開挖(第7步)后有突然增大,后又趨于穩(wěn)定；右線隧道開挖后位移有增加現(xiàn)象,在第11步后趨于穩(wěn)定；

(3)左洞施工完畢后,其拱頂沉降量最大13.2 mm,當(dāng)右洞施工完成,左洞拱頂沉降量增加至15.5 mm,增加17.4%。

6 結(jié)論

(1)隧道支護(hù)最大拉應(yīng)力主要發(fā)生在拱頂和仰拱中部,最大壓應(yīng)力主要發(fā)生在各部開挖后的拱腳或墻角,因此施工各部時(shí)應(yīng)加強(qiáng)拱腳或墻角支護(hù),設(shè)置鎖腳錨桿(管)、鋼架縱向連接鋼筋等。

(2)左右洞初期支護(hù)軸力均為壓力(負(fù)值),左洞軸力值整體大于右洞。彎矩主要為負(fù)(內(nèi)側(cè)受拉,外側(cè)受壓),且彎矩值左右兩洞相差小。

(3)左右洞軸力、彎矩隨各部開挖有波動(dòng),但逐漸趨于穩(wěn)定。左右洞最大軸力分布在兩洞靠近中間巖柱的邊墻和墻角,左洞軸力值更大；最大彎矩分布在拱頂,邊墻和仰拱彎矩值也較大。

(4)右洞開挖使左洞的右邊墻中部、仰拱左側(cè)和仰拱右側(cè)的彎矩明顯增大,表明右洞開挖對(duì)這些部位影響明顯。右洞開挖使左洞軸力的增加約20%,即對(duì)左洞軸力影響較小。

(5)左右洞拱頂位移最大,遠(yuǎn)離中間巖柱的拱腳和拱腰相對(duì)于靠近中間巖柱的拱腳和拱腰位移值較??；各部位移初期快速增大,后趨于穩(wěn)定；右洞開挖對(duì)左洞位移影響較小。

(6)根據(jù)初期支護(hù)施工位移和內(nèi)力,七步臺(tái)階法在雙洞八車道小凈距公路隧道施工中是可行的。

[1] 鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.鐵路大斷面隧道三臺(tái)階七步開挖法施工作業(yè)指南(試行)[S].北京:中國鐵道出版社，2007．

[2] 陳立保.三臺(tái)階法在客運(yùn)專線山嶺隧道軟弱圍巖中的推廣應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(12):72-74．

[3] 杜強(qiáng).淺埋富水黃土隧道快速施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(S):125-128．

[4] 計(jì)孝龍.三臺(tái)階七步開挖法在軟巖土質(zhì)隧道中的應(yīng)用[J].山西建筑,2011,37(17):183-184．

[5] 傅才芝.三臺(tái)階七步開挖法在蘭渝鐵路白家坡隧道中的應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù),2010,46(9):51-61．

[6] 崔小鴨,孫韶峰,王廣宏,侯敏.CRD工法及三臺(tái)階七步開挖工法的對(duì)比和改進(jìn)[J].隧道建設(shè),2010,30(2):131-178．

[7] 席俊杰,李德武.紙坊隧道三臺(tái)階與兩臺(tái)階開挖數(shù)值模擬對(duì)比分析[J].隧道建設(shè),2010,30(2):147-150．

[8] 蘇江.高速鐵路超大斷面隧道施工方法數(shù)值模擬研究[J].襄樊學(xué)院學(xué)報(bào),2011,32(5):42-47．

[9] 中華人民共和國交通部.JTJ D07—2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004．

[10] 湯勁松,劉松玉,童立元,喻軍.破碎巖體淺埋大跨公路隧道開挖方案對(duì)比研究[J].巖土力學(xué),2007,28(S):469-473.