陳山泉

(中冶賽迪建筑市政設(shè)計(jì)有限公司市政所，重慶 400013)

目前，為了提高施工速度，在軟弱圍巖中，大部分兩車道公路隧道仍采用上下臺(tái)階法施工，其施工工藝是先開挖上半斷面，待開挖至一定長(zhǎng)度后同時(shí)開挖下半斷面，上、下半斷面同時(shí)并進(jìn)的施工方法。該開挖法的優(yōu)點(diǎn)是可以有足夠的工作空間和較快的施工速度，但上、下部作業(yè)有干擾；臺(tái)階開挖雖增加了對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)，但臺(tái)階有利于開挖面的穩(wěn)定，尤其是上部開挖支護(hù)后，下部作業(yè)就較為安全[1-4]。

有的施工單位從機(jī)械、工期等因素出發(fā)，在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖級(jí)施工中，上半斷面開挖高度及上下臺(tái)階之間的長(zhǎng)度取值均不同，從而在一些工程中造成上臺(tái)階掌子面失穩(wěn)等安全事故的發(fā)生，如丹通高速公路某隧道由于上臺(tái)階高度過大而發(fā)生掌子面坍塌。

因此，進(jìn)行臺(tái)階法主要施工參數(shù)的研究有保證隧道施工安全，提高隧道施工質(zhì)量與速度；減少建設(shè)投資，節(jié)約成本等工程意義。根據(jù)丹通高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)可知，全線隧道在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖開挖過程中均采用上下臺(tái)階法施工，為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，本文以該項(xiàng)目的錯(cuò)草溝隧道為依托工程進(jìn)行此類問題的研究。

1 研究方法

目前對(duì)隧道工程的研究手段主要有室內(nèi)相似模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值計(jì)算。針對(duì)本文的研究?jī)?nèi)容，考慮時(shí)間的緊迫性、內(nèi)容的重復(fù)性及成本低廉性等，本次選用數(shù)值計(jì)算作

為研究手段。本次選取錯(cuò)草溝隧道丹東段洞口進(jìn)行計(jì)算分析，該洞口圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化礫巖，屬Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖，計(jì)算中按實(shí)際埋深進(jìn)行建模分析。根據(jù)有限元理論，其建模思路如下：

(1)圍巖采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，采用平面應(yīng)變(實(shí)體)單元模擬；

(2)隧道初期支護(hù)采用梁(殼)單元模擬；

(3)為了分析圍巖在最不利情況的穩(wěn)定性，本次計(jì)算不考慮二次襯砌的作用；

(4)為了考慮管棚等超前支護(hù)的作用，本次采用等代層進(jìn)行模擬，即采用剛度等效原則，其強(qiáng)度參數(shù)按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D70-2004的建議，提高30 %考慮[5]；

(5)在計(jì)算中，只考慮各臺(tái)階底部鎖腳錨桿的作用，其它系統(tǒng)錨桿未考慮，作為安全儲(chǔ)備；

(6)為了減小邊界條件對(duì)計(jì)算的影響，模型左右和下邊界各取隧道洞徑的三倍，上邊界取至地面；

(7)隧道左右邊界進(jìn)行水平約束，底邊采用豎向約束，頂面自由；

(8)計(jì)算荷載為自重；

(9)上臺(tái)階計(jì)算模擬開挖步驟為：①上臺(tái)階開挖→②上臺(tái)階支護(hù)→③下臺(tái)階開挖→④下臺(tái)階支護(hù)。

隧道圍巖的計(jì)算參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D70-2004建議值選取，如表1所示[5]。

表1 錯(cuò)草溝隧道丹東洞口段力學(xué)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)以上建模方法，可建立該隧道計(jì)算模型(圖1)。

(a)上臺(tái)階開挖高度計(jì)算模型

(b)臺(tái)階之間長(zhǎng)度計(jì)算模型圖1 有限元分析模型

2 上臺(tái)階合理開挖高度分析

為了計(jì)算不同上臺(tái)階開挖高度對(duì)圍巖變形的影響，本次對(duì)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖分別計(jì)算了4種不同開挖高度的工況，即上臺(tái)階開挖高度分別為3 m、4 m、5 m、6 m。根據(jù)上述計(jì)算模型，可計(jì)算出不同上臺(tái)階開挖高度下的圍巖變形情況，計(jì)算結(jié)果見圖2、圖3所示。

2.1 Ⅳ級(jí)圍巖開挖時(shí)變形規(guī)律

從圍巖拱頂沉降、周邊位移及拱腳沉降分析可知，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，圍巖變形隨上臺(tái)階開挖高度的變形規(guī)律主要為：

(1)雖然隧道開挖完成后，各計(jì)算工況的拱頂沉降最終相同，但上臺(tái)階開挖高度為5 m時(shí)，拱頂沉降在下臺(tái)階開挖之前，該工況拱頂沉降值最大。

(2)通過周邊收斂數(shù)據(jù)分析，當(dāng)上臺(tái)階開挖高度為5 m時(shí)，周邊收斂最大。

(3)拱腳位移隨上臺(tái)階開挖高度的增加，最終沉降值呈減小趨勢(shì)，其減小幅度尤其為上臺(tái)階開挖高度為5 m時(shí)最為明顯。

(4)當(dāng)上臺(tái)階開挖高度為6 m時(shí)，隧道上臺(tái)階開挖至下臺(tái)階初支施做，各位移指標(biāo)增值幅度最小，即圍巖的應(yīng)力增量最小，并且各位移指標(biāo)均在允許范圍內(nèi)。

因此，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，推薦上臺(tái)階開挖高度為6 m，即扁平率宜在0.5～0.58之間。

(a)拱頂沉降隨開挖高度變化曲線

(b)周邊收斂隨開挖高度變化曲線

(c)拱腳沉降隨開挖高度變化曲線圖2 Ⅳ級(jí)圍巖變形隨上臺(tái)階開挖高度H的變化曲線圖

2.2 Ⅴ級(jí)圍巖開挖時(shí)變形規(guī)律

(1)雖然隧道開挖完成后，拱頂沉降最終值幾乎相同，但隨著上臺(tái)階開挖高度的增加，拱頂沉降呈增加趨勢(shì)。

(2)根據(jù)周邊收斂曲線可知，當(dāng)上臺(tái)階開挖高度為4 m時(shí)，周邊收斂最小，當(dāng)上臺(tái)階開挖高度超過4 m時(shí)，呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(3)拱腳位移隨上臺(tái)階開挖高度的增加，在上臺(tái)階開挖完成后至下臺(tái)階開挖前，沉降值均呈減小趨勢(shì)。

綜合以上分析，考慮施工機(jī)械作業(yè)空間，對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，推薦上臺(tái)階開挖高度為4 m，但其拱腳沉降值較明顯，因此，應(yīng)做好上臺(tái)階的鎖腳錨管(束)的質(zhì)量。根據(jù)其塑性區(qū)分布可知，塑性區(qū)在上下臺(tái)階交接處最大，約3 m，因此，錨桿及鎖腳錨管(束)的長(zhǎng)度不得低于4 m。

3 上下臺(tái)階間合理長(zhǎng)度的確定

對(duì)于軟弱圍巖，采用臺(tái)階法施工時(shí)，其臺(tái)階長(zhǎng)度、掌子面擠出效應(yīng)及支護(hù)封閉時(shí)機(jī)是影響隧道施工安全的重要因素之一。因此，本文通過三維有限元模型計(jì)算分析Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下，不同上下臺(tái)階之間的長(zhǎng)度對(duì)掌子面穩(wěn)定的影響。根據(jù)圖2計(jì)算模型，可計(jì)算出在上述最佳上臺(tái)階開挖高度情況下，掌子面擠出及圍巖橫向變形效應(yīng)的結(jié)果，具體見表2、圖4、圖5所示。

(a)拱頂沉降隨開挖高度變化曲線

(b)周邊收斂隨開挖高度變化曲線

(c)拱腳沉降隨開挖高度變化曲線

(d)塑性應(yīng)變分布

mm

圖4 Ⅳ級(jí)圍巖隨上臺(tái)階長(zhǎng)度位移

圖5 Ⅴ級(jí)圍巖隨上臺(tái)階長(zhǎng)度位移

根據(jù)不同上下臺(tái)階之間的距離對(duì)圍巖變形及掌子面擠出效應(yīng)分析，在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下，其主要變形規(guī)律主要為：

(1)Ⅳ級(jí)圍巖段的洞室變形受上臺(tái)階長(zhǎng)度變化的影響較小，在施工中可不做強(qiáng)制要求，只需滿足機(jī)械化施工長(zhǎng)度即可。

(2)Ⅴ級(jí)圍巖段拱頂沉降、周邊收斂均隨上臺(tái)階長(zhǎng)度的增加而增加，但當(dāng)上臺(tái)階長(zhǎng)度超過6 m時(shí)，其位移均發(fā)生突變。

(3)Ⅴ級(jí)圍巖段掌子面擠出變形隨上臺(tái)階長(zhǎng)度的增加而減小，但當(dāng)上臺(tái)階長(zhǎng)度超過6 m時(shí)，其掌子面位移對(duì)上臺(tái)階長(zhǎng)度的變化影響較小。

因此，Ⅴ級(jí)圍巖隧道開挖后初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)施作并封閉成環(huán)、封閉位置距離掌子面不得大于6 m。

4 小結(jié)

(1)通過圍巖變形位移分析，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，上臺(tái)階開挖高度最不利高度為5 m，最佳為6 m，即扁平率宜在0.5～0.58之間。

(2)對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，上臺(tái)階開挖高度以4 m為宜，并應(yīng)做好上臺(tái)階的鎖腳錨管(束)的質(zhì)量，其長(zhǎng)度不得低于4 m。

(3)根據(jù)洞室變形及掌子面擠出變化規(guī)律隨上下臺(tái)階長(zhǎng)度的影響分析，Ⅳ級(jí)圍巖段的洞室變形受上臺(tái)階長(zhǎng)度變化的影響較小，在施工中可不做強(qiáng)制要求，只需滿足機(jī)械化施工長(zhǎng)度即可。Ⅴ級(jí)圍巖隧道開挖后初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)施作并封閉成環(huán)、封閉位置距離掌子面不得大于6 m。

[1] 王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010：237-274

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[5] JTC D70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]