張建國

(山東交通學(xué)院土木工程系，山東濟南 250357)

對于時速200 km客貨共線雙線大跨度隧道的開挖不僅取決于工程地質(zhì)條件及斷面跨度與形狀，而且在很大程度上受施工方法的影響。大跨度隧道一般采用分步開挖，開挖順序不同，圍巖應(yīng)力分布差別甚大［1］，因此，不同的開挖順序使得圍巖的穩(wěn)定程度存在差異，這就是工程開挖的動態(tài)力學(xué)特性。目前對軟弱圍巖大跨度鐵路隧道較常用的分步施工方法有臺階法、中隔壁法(CD 法)、交叉中隔壁法(CRD 法)［2-3］及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。為了比較各工法的不同開挖效果及施工的安全性，有必要研究開挖過程的動態(tài)特性，以尋求各工況條件下經(jīng)濟有效的合理施工工法。

1 計算條件

時速200 km客貨共線雙線大跨度隧道襯砌斷面見圖1。Ⅳ級和Ⅴ級圍巖在淺埋偏壓情況下的初期支護(hù)參數(shù)見表1。

本文采用了臺階法、CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法4種工法，其中臺階法為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，目的是為了在軟弱圍巖情況下提高開挖面的自穩(wěn)能力。各工法開挖工序見圖2。

圖1 隧道襯砌斷面示意(單位:cm)

2 有限元模型及計算參數(shù)

2.1 有限元模型

為了比較不同施工方法的開挖效果，本文利用三維有限差分程序FLAC3D2.0建立9種有限元模型，并采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則分別對12種工況下的隧道動態(tài)開挖力學(xué)特性進(jìn)行了模擬。

表1 隧道初期支護(hù)參數(shù) cm

圖2 各工法開挖步驟示意

在有限元計算中，邊界約束條件對計算結(jié)果影響較大，考慮到開挖隧道影響范圍為洞跨的3～5倍［4-5］，故模型范圍確定為:上部取至地表，左右各取50m，下部取至隧道仰拱以下45m，隧道長度取60m;隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前方和后方均有垂直其面的約束，地表為自由邊界。各工況下的埋深條件見表2。計算中，用8節(jié)點6面體實體單元模擬圍巖、初期支護(hù)及臨時支護(hù)，每開挖步每次進(jìn)尺1 m。其中CD法計算模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

表2 各工況下的埋深條件

圖3 有限元網(wǎng)格劃分示意

2.2 計算參數(shù)

計算模型中，型鋼的作用采用等效剛度的方法將其折合成混凝土進(jìn)行計算;對系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管注漿的效果，按經(jīng)驗采取提高其黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ值來加以仿真模擬［6-9］，圍巖及支護(hù)材料的力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 不同級別圍巖及其支護(hù)體系力學(xué)參數(shù)

3 支護(hù)體系評價

3.1 初期支護(hù)安全系數(shù)

按破損階段法檢算隧道初期支護(hù)截面強度時，根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的不同荷載組合，在計算中應(yīng)分別選用不同的安全系數(shù)。當(dāng)按所采用的施工方法檢算施工階段強度時，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［10］，要求初期支護(hù)安全系數(shù)不低于表4所列的限值。臨時支護(hù)的安全系數(shù)不得小于1.0。

表4 混凝土初期支護(hù)不同荷載安全系數(shù)限值

3.2 初期支護(hù)位移

對隧道初期支護(hù)周邊控制點位移按隧道初期支護(hù)極限相對位移和穩(wěn)定判別法，按照《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，經(jīng)換算得初期支護(hù)極限位移判定標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 初期支護(hù)極限位移判定標(biāo)準(zhǔn)

4 計算結(jié)果分析

12種工況的計算結(jié)果如表6所示。

表6 各工況計算結(jié)果

由表6可以看出:

1)Ⅳ級石質(zhì)圍巖淺埋

拆撐前，CD法施工的初支安全系數(shù)大于臺階法。臺階法初支最小安全系數(shù)為4.3，CD法為4.6，發(fā)生在先行施工的左導(dǎo)坑邊墻頂部。拆除臨時支護(hù)后CD法初支安全系數(shù)降為3.6，因此，拆臨時支撐安全系數(shù)降低較多，是關(guān)鍵工序。CD法施工時，圍巖位移小于臺階法。采用CD法施工淺埋Ⅳ級石質(zhì)圍巖，不管是從約束圍巖變形還是從支護(hù)受力，取得的效果均較臺階法好。

2)Ⅳ級石質(zhì)圍巖偏壓

先行施工的左導(dǎo)坑初支安全系數(shù)較右導(dǎo)坑小，最小安全系數(shù)為1.8，發(fā)生在邊墻頂部。由于地形偏壓的影響，使得位移并不對稱，拱頂最終位移為13 mm，而最大位移出現(xiàn)在右導(dǎo)坑的拱肩處，為18 mm。最終的位移反映了地形偏壓的影響。因此，采用CD法施工偏壓Ⅳ級石質(zhì)圍巖是可行的，支護(hù)安全系數(shù)能夠得到保證，圍巖變形也能得到有效約束。

3)Ⅳ級土質(zhì)圍巖淺埋

與Ⅳ級石質(zhì)圍巖淺埋的情況相似，無論是從約束圍巖變形還是從支護(hù)受力，采用CD法施工淺埋Ⅳ級土質(zhì)圍巖，取得的效果均較臺階法好。

4)Ⅳ級土質(zhì)圍巖偏壓

先行施工的左導(dǎo)坑初支安全系數(shù)較右導(dǎo)坑小，拆撐后最小安全系數(shù)為1.8，發(fā)生在邊墻頂部。拆除臨時支撐是關(guān)鍵工序，使得安全系數(shù)降低明顯。由于地形偏壓的影響，使得位移不對稱，最大位移出現(xiàn)在右導(dǎo)坑的拱肩處，為11 mm。所以，采取CRD法施工偏壓Ⅳ級土質(zhì)圍巖是可行的，支護(hù)安全系數(shù)能夠得到保證，圍巖變形也能得到有效約束。

5)Ⅴ級圍巖淺埋

從初期支護(hù)的安全性看，臺階法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在拆撐前的最小安全系數(shù)分別為1.9，2.1，2.2，2.3，相差并不大，但是發(fā)生在不同的結(jié)構(gòu)部位。從安全系數(shù)的分布情況看，CRD法施工的安全系數(shù)較CD法大，CD法施工的安全系數(shù)又較臺階法大;CRD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相差不大，但是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布更加均勻，因而效果稍好。從約束圍巖變形的效果來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法＞CRD法＞CD法。

6)Ⅴ級圍巖偏壓

從初期支護(hù)的安全性看，CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在拆撐前的最小安全系數(shù)分別為2.3，1.8，均發(fā)生在邊墻頂部。從安全系數(shù)的分布情況看，CRD法施工的左導(dǎo)坑安全系數(shù)與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法接近，相差較小，而右導(dǎo)坑安全系數(shù)則明顯較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大，也就是說更安全。但是，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布更加均勻。從約束圍巖變形的效果來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法＞CRD法。

另外，在各種工況下，臨時支護(hù)的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，能夠保證施工的安全性。

通過以上分析，綜合對比了各圍巖條件下不同施工工法的初期支護(hù)安全系數(shù)與位移，最終推薦的各工況的合理施工工法見表7。

表7 各工況推薦施工工法

5 結(jié)論

1)對于CD法和CRD法兩種施工工法，安全系數(shù)的最小值均發(fā)生在先行施工一側(cè)，位置在邊墻頂部。

2)對于有臨時支護(hù)的施工工法，臨時支撐的拆除會使得安全系數(shù)明顯降低，是關(guān)鍵工序。

3)在各種工況下，臨時支護(hù)的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，能夠保證施工的安全性。

4)偏壓工況下的最大位移均發(fā)生在拱肩處，反映出地形的影響。

5)通過對各圍巖條件下不同施工工法的初期支護(hù)安全系數(shù)與位移的對比分析，最終給出了各工況的合理施工工法:Ⅳ級石質(zhì)圍巖(包括淺埋及偏壓)及土質(zhì)圍巖淺埋情況可采用CD法施工，Ⅳ級土質(zhì)圍巖偏壓及Ⅴ級圍巖淺埋情況采用CRD法施工較好，而Ⅴ級圍巖偏壓情況建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

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