白 寶

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

隧道洞口段地層一般較軟弱破碎，多屬坡積、堆積、風(fēng)化嚴(yán)重、節(jié)理裂隙發(fā)育的地層，穩(wěn)定性差，且由于隧道洞口段施工工序繁多，圍巖多次擾動，其應(yīng)力及支護(hù)受力情況復(fù)雜，因此，選擇合理的掘進(jìn)工藝及支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，充分認(rèn)識圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征對保證隧道洞口段安全施工具有重要意義。

文章以連云港北固山隧道為工程背景，根據(jù)隧址工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征，結(jié)合數(shù)值仿真分析及現(xiàn)場監(jiān)控量測，闡述了復(fù)雜地質(zhì)條件下淺埋隧道洞口段施工工藝，研究成果將對同類條件下隧道的設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

連云港主體港區(qū)北疏港高速公路北固山隧道是連云港疏港道路的重要組成部分，隧道隧址區(qū)表層為第四系坡積物，土性主要為可塑～硬塑狀粉質(zhì)粘土層，含少量礫石，局部夾碎石或滾石，薄層狀分布。隧址區(qū)局部地段見綠片巖，多呈夾層狀產(chǎn)出，巖體裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，綜合評定為Ⅴ級圍巖，施工時易坍塌。

2 施工方案及仿真模型的建立

2.1 隧道洞口段掘進(jìn)及支護(hù)工藝

根據(jù)隧道進(jìn)口段地質(zhì)特征，結(jié)合現(xiàn)場勘查初步?jīng)Q定采用拱部環(huán)形開挖留核心土法開挖，具體施工工藝為:

1)超前支護(hù);2)上弧導(dǎo)開挖;3)上弧導(dǎo)初期支護(hù);4)核心土開挖;5)下部開挖;6)下部初期支護(hù);7)仰拱開挖;8)施作仰拱;9)施作二襯。

隧道開挖工序示意圖如圖1所示，具體支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 上弧形導(dǎo)坑施工工序示意圖

2.2 施工方案的動態(tài)仿真分析

結(jié)合現(xiàn)場施工情況，截至2012年6月，隧道左線并未掘進(jìn)，右線先行施工，故此處單洞建模，根據(jù)隧道現(xiàn)場實(shí)際施工情況選定進(jìn)口段里程樁號為YK3+380作為分析斷面。該斷面埋深47.54 m，取模型寬Lx=100 m，高Ly=90 m，如圖3所示。

圖2 Ⅴ級圍巖進(jìn)口淺埋段支護(hù)方案

圖3 仿真模型

采用平面4節(jié)點(diǎn)等參單元模擬圍巖體和二襯，初期支護(hù)采用梁單元模擬［1］，其計(jì)算方法為:

將超前加固范圍內(nèi)的圍巖級別提高一級來模擬［2］。錨桿的作用通過ANSYS中桿單元模擬。圍巖及支護(hù)的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)

模型建立后，根據(jù)文獻(xiàn)［3］所提到的方法來模擬隧道開挖與支護(hù)的時空效應(yīng)進(jìn)行動態(tài)施工模擬，模擬采用彈塑性平面模型，根據(jù)DP準(zhǔn)則可以得到較為精確的結(jié)果［4，5］。Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則表達(dá)式為:

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移分析

圖4給出了隧道洞口段拱頂和拱底的位移隨荷載步的時空曲線。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析可知，采用弧導(dǎo)法掘進(jìn)時，洞頂、底位移在弧形導(dǎo)坑開挖時已完成總位移的大部分，分別占到57%和53%，總體來說采用弧導(dǎo)法施工拱底下沉在20 mm以內(nèi)，處于安全可控的范圍，這是因?yàn)榛⌒螌?dǎo)坑預(yù)留核心土的工法則由于上部預(yù)留的核心土可以支擋開挖工作面，增加開挖工作面的穩(wěn)定，有利于減少拱頂沉降。

圖4 拱頂、底位移曲線

3.2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

選取左、右拱腰，拱頂、拱底作為關(guān)鍵點(diǎn)來分析隧道開挖后圍巖受力狀況，選取圍巖擾動區(qū)δe/δy來反映土體破壞的情況，表2為控制點(diǎn)應(yīng)力大小，圖5反映了圍巖破壞狀況，圖6為錨桿內(nèi)力，圖7為初期支護(hù)內(nèi)力。

圖5 δe/δy計(jì)算結(jié)果

圖6 錨桿內(nèi)力

圖7 初支內(nèi)力

表2中列出了采用弧導(dǎo)法開挖圍巖代表點(diǎn)的最大拉、壓應(yīng)力值，拱腰處開挖后處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力達(dá)到2.801 MPa，從圖5可以看出仰拱與邊墻交接處有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，初步分析與超前注漿有關(guān)。從圖6，圖7可以看出，采用上弧形導(dǎo)坑法，最大初支軸力為782 kN，出現(xiàn)在拱肩腰，錨桿最大拉力出現(xiàn)在左右邊墻，為34 kN，均未超過預(yù)警值，說明支護(hù)方式是合理的。

表2 圍巖代表點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

4 施工方案效果評價(jià)

從上述分析可知，按設(shè)計(jì)的掘進(jìn)及支護(hù)方案進(jìn)行施工，無論從圍巖變形還是支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力都在合理的范圍內(nèi)。在北固山隧道右洞YK3+380設(shè)置了監(jiān)測斷面，進(jìn)行洞周水平收斂和拱頂下沉監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖8所示，監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

圖8 測點(diǎn)布置圖

圖9 斷面監(jiān)測曲線

圖9是YK3+380斷面的洞周收斂位移和下沉隨時間的變化曲線，從圖9b)中可看出，測點(diǎn)A，B，C位移發(fā)展規(guī)律基本一致，在隧道掘進(jìn)后20 d內(nèi)基本完成沉降，最大位移測點(diǎn)A＞B＞C，測點(diǎn)A約為3 mm，測點(diǎn)B，C約為2.5 mm。分析表明，結(jié)合Ⅴ級圍巖進(jìn)口淺埋段支護(hù)設(shè)計(jì)方案，采用上弧形導(dǎo)坑施工，圍巖位移較小，趨于穩(wěn)定快，說明所選用的施工方案及支護(hù)方式是合理的。

5 結(jié)語

根據(jù)仿真分析結(jié)果及現(xiàn)場施工效果的檢驗(yàn)，連云港北固山隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下淺埋隧道進(jìn)口段施工工藝采用上弧形導(dǎo)坑開挖配合超前注漿支護(hù)的施工方案是可行的，采取超前注漿加固能良好的使圍巖最大限度發(fā)揮自承能力，洞周位移趨于合理，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮到良好的作用，對類似山嶺隧道工程的建設(shè)具有良好的借鑒意義。

［1］吳 波，高 波，索曉明，等.城市地鐵小間距隧道施工性態(tài)的力學(xué)模擬與分析［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2005，18(3):84-89.

［2］謝旭強(qiáng)，王玉富.大跨隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工力學(xué)行為研究［J］.北方交通，2008(7):146-149.

［3］楊 靈，韓立軍，蔚立元.基于虛擬支撐力的隧道合理支護(hù)時機(jī)探討分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012(1):66-71.

［4］鄭穎人，沈珠江，龔曉南.廣義塑性力學(xué)—巖土塑性力學(xué)原理［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］鄧楚鍵，何國杰，鄭穎人.基于M—C準(zhǔn)則的D—P系列準(zhǔn)則在巖土工程中的應(yīng)用研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(6):735-739.