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秦巴山區(qū)某軟巖公路隧道合理施工方法研究*

鄧博團1，蘇三慶1，2，任建喜1，孟昌1

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

摘要：以秦巴山區(qū)某軟巖公路隧道為工程背景，采用FLAC數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法對該隧道合理施工方法進行了研究。建立3種不同施工方法下的計算模型，數(shù)值計算結(jié)果顯示，相比于臺階法施工和單側(cè)導坑法，采用留核心土法施工引起的隧道圍巖變形較小，能夠滿足設計要求，從經(jīng)濟和施工工期角度來看，留核心土法是該地區(qū)軟巖隧道最為合理的施工方法。為了驗證數(shù)值計算結(jié)果的可行性，在隧道周圍設置了變形監(jiān)測點，實測結(jié)果表明，采用留核心土法施工后，隧道最大周邊收斂14.81 mm，最大拱頂沉降值為27.11 mm，隧道變形在允許范圍之內(nèi)。隧道圍巖變形的實測值與預測值變化趨勢基本一致，表明FLAC數(shù)值模擬可在隧道施工前對隧道施工方法的合理性做出評價，具有超前指導意義。

關鍵詞：數(shù)值模擬；公路隧道；施工方法；圍巖變形規(guī)律；支護參數(shù)

0引言

隧道施工方法選擇對于隧道建設工程十分重要，既需要保證隧道施工過程結(jié)構的安全性和可靠性，還必須達到施工過程簡單、施工進度快的要求，同時還需滿足造價要求[1-3]。隧道施工方法的選定，即就是根據(jù)隧道掌子面的圍巖情況來選定開挖斷面的尺寸及相關的支護參數(shù)[4-5]。選擇合理施工方法是確保安全、快速施工的關鍵[6-8]，國內(nèi)學者在這方面進行了許多研究，也取得了不少成果，指導了工程實踐。譬如文獻[9]針對大跨度軟弱圍巖隧道自身穩(wěn)定特點，采用ANYSYS有限元法分析了上半斷面超前法、兩側(cè)超前施工法和中壁CRD法3種不同施工方案下隧道圍巖的應力場和位移場，最終提出采用上半斷面超前法施工。文獻[10]對大跨度隧道施工方法進行了探討，提出不同地質(zhì)情況和圍巖級別下應采取不同的施工方法，同時應做好信息化設計與施工，從而確保隧道施工過程掌子面的安全穩(wěn)定。文獻[11-12]等認為在進行隧道施工設計與施工時，首先應該進行圍巖等級分析，其次按照不同等級進行隧道施工方法設計和施工。但是，山嶺軟巖隧道地質(zhì)條件往往復雜多變，具有很大的不確定因素，其施工方法不能盲目地借鑒別的工程，否則極有可能引起掌子面失穩(wěn)破壞，甚至造成隧道塌方。因此，復雜地質(zhì)條件下軟巖隧道的施工方法仍需研究。文中以十天線高速公路穿過秦巴山區(qū)，該地區(qū)崇山峻嶺，地質(zhì)復雜，隧道較多，施工過程難度較大。因此，文中采用FLAC數(shù)值模擬方法對秦巴山區(qū)某軟巖公路隧道的合理施工方法進行研究，以便尋找一種安全、快速的施工方法，為同類地質(zhì)條件下軟巖公路隧道施工方法的合理確定提供參考依據(jù)。

1工程概況

秦巴山區(qū)某隧道左線全長4 893 m，右線全長4 925 m，隧道最大埋深約370 m.該隧道K35+720～ K38+073區(qū)段地質(zhì)條件復雜，巖性多變，屬于Ⅴ級軟巖，且隧道斷面較大，隧道凈寬10.15 m，凈高8.2 m.在客觀條件上提高了隧道的工程施工難度及強度，巖體多由千枚巖、泥質(zhì)灰?guī)r組成，地下水豐富、斷層和結(jié)構面等構造相當發(fā)育，穩(wěn)定性較差。

2軟巖公路隧道施工過程的FLAC3D實現(xiàn)

目前，公路隧道主要施工方法有全斷面法、上下臺階法、留核心土法、單側(cè)壁導坑法以及雙側(cè)壁導坑法。隧道施工方法的選擇，都是在已有的地質(zhì)條件下盡量減少開挖對圍巖的擾動，從而保證隧道施工經(jīng)濟、安全。不同的開挖方法對隧道圍巖的擾動不同，施工進度也會存在差異，因此，在選擇隧道合理的施工方法時，需要考慮施工造成的圍巖穩(wěn)定性和施工速度。

2.1　計算模型建立

采用FLAC3D軟件對軟巖隧道Ⅴ級圍巖條件下不同施工方法進行數(shù)值計算，計算工況有：

工況一：上下臺階法；工況二：留核心土法；工況三：單側(cè)導洞法。

隧道洞室周圍距離取洞室中心點3～5倍洞徑，模型寬度為130 m，高度為90 m，厚6 m.地表面為自由邊界，不受任何約束；模型的左右邊界受X軸方向的位移約束，模型的地層下部邊界受到Y(jié)軸方向的位移約束。三種工況的計算模型如圖1所示。

圖1　3種工況下的隧道計算模型Fig.1　Tunnel calculation model under three conditions(a) 上下臺階法　(b)留核心土法　(c) 單側(cè)導洞法

2.2　開挖與支護模擬

數(shù)值計算采用莫爾-庫倫本構模型，各工況首先進行自重應力求解，然后嚴格按照各種工法的施工工藝進行真實地計算模擬。采用calle單元進行錨桿支護，采用空單元實現(xiàn)隧道斷面的開挖，在進行分步開挖時，按照實際施工順序，并且做到及時支護。

空單元代表從建立的模型中移去巷道實際開挖斷面的那部分單元，開挖過程就是巷道圍巖的卸載過程，因而挖掉其內(nèi)部的單元后，開挖區(qū)域的單元應力自動清零，沒有體力，即

(1)

式中N為節(jié)點；σij為點的應力狀態(tài)，包含9個應力分量。

2.3　支護方式及計算參數(shù)

由于研究的對象為軟巖公路隧道的施工方法，結(jié)合大量工程實踐經(jīng)驗，采用的支護方式為鋼拱架+錨網(wǎng)噴，具體支護參數(shù)：I20b鋼拱架間距60 cm，φ22縱向連接筋，間距1 m；φ22早強砂漿錨桿L=4 m，間距100 cm×60 cm；網(wǎng)格尺寸為200 mm×200 mm的φ8鋼筋網(wǎng)；厚260 mm的C20噴射混凝土。通過室內(nèi)試驗得到隧道巖層物理力學參數(shù)，見表1.

表1　數(shù)值計算物理力學參數(shù)

3軟巖公路隧道施工方案FLAC3D數(shù)值計算結(jié)果分析

從圍巖變形、應力變化以及塑性區(qū)變化3方面進行比較。計算過程中在隧道拱頂、兩幫和底板中心設置監(jiān)測點，計算得出各監(jiān)測點的位移值和應力值。

3.1　圍巖變形分析

限于篇幅，這里僅給豎向位移云圖，圍巖變形計算結(jié)果見表2.

表2不同開挖方式下隧道各關鍵點計算位移值(mm)

Tab.2The key points displacement value of tunne1

under different excavation types(mm)

圖2　不同工況下隧道豎向位移云圖(m)Fig.2　Vertical displacement contours oftunnel in different conditions(m)(a) 工況一：臺階法　(b) 工況二：留核心土　(c) 工況三：單側(cè)壁導坑

從表2可以看出，上下臺階法施工引起的拱頂沉降和底板隆起最大，分別達到38.12 mm和22.42 mm，水平收斂為21.92 mm，圍巖變形較大，不能滿足隧道安全穩(wěn)定的要求。而留核心土法和單側(cè)壁導洞法施工引起的圍巖變形值相差不大，其拱頂沉降分別為14.87和13.32 mm，底板隆起量分別為8.98和12.32 mm，圍巖變形均較小，表明留核心土施工方法和單側(cè)壁導洞施工方法能夠確保隧道安全穩(wěn)定。此外，左幫水平位移普遍略大于右?guī)?，說明隧道存在一定的偏壓。

3.2　應力分析

圖3　不同工況下隧道豎向應力云圖(Pa)Fig.3　Vertical stress contours in different conditions(Pa)(a)工況一：臺階法　(b)工況二：留核心土(c)工況三：單側(cè)壁導坑

限于篇幅，這里僅給豎向應力云圖，從圖3可以看出，3種施工方法中上下臺階法拱頂豎向應力最大，為-6.35 MPa，底板豎向應力也是最大，為2.28 MPa；相比于上下臺階法，留核心土法和單側(cè)壁導洞法引起的隧道拱頂和底板豎向應力較小，其中留核心土法更小，分別為-3.17 MPa和-3.01 MPa，這是由于預留的核心土有效地保證掌子面的穩(wěn)定，致使頂板圍巖受擾動較小，處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.3　圍巖塑性區(qū)分析

圖4　不同開挖方式下隧道圍巖塑性區(qū)Fig.4　State of tunnel surrounding rock indifferent construction methods(a)上下臺階法　(b)留核心土法　(c)單側(cè)壁導坑法

從圖4可以看出，3種工況下隧道圍巖塑性區(qū)均表現(xiàn)為拱肩、拱腳以及底板塑性區(qū)較明顯，因為隧道開挖后圍巖應力得到釋放，在圍巖自重作用和水平應力作用下，拱肩將發(fā)生剪切破壞，同時拱腳出現(xiàn)應力集中。從塑性區(qū)大小可以看出，圖4(a)中的拱腳和拱肩塑性變形較大，影響范圍3 m，圖4(b)的拱腳和拱肩塑性變形較小，影響范圍2 m左右，圖4(c)的拱腳和拱肩塑性變形較小，影響范圍2.5 m左右。分析表明，采用留核心土法施工引起隧道圍巖發(fā)生塑性變形區(qū)域最小，這樣可以有效減小錨桿錨索長度，從而降低支護成本。

綜上可知，與留核心土法和單側(cè)壁導坑法相比，采用上下臺階法開挖誘發(fā)的隧道圍巖變形、圍巖應力和塑像區(qū)域均較大，僅僅增大錨桿(索)長度，不能滿足隧道施工的安全穩(wěn)定。單側(cè)壁導坑法和留核心土法施工則對圍巖穩(wěn)定性影響較小，在可控范圍之內(nèi)，但是從施工工藝方面來講，單側(cè)壁導坑法開挖時要做臨時隔墻，開挖方式復雜，工序復雜，對于施工爆破精度等要求比較高。因此，秦巴地區(qū)軟巖公路隧道采用留核心土開挖方式最為合理有效。

4隧道變形現(xiàn)場實測

4.1　現(xiàn)場實測結(jié)果分析

為了得到該隧道圍巖變形規(guī)律，在隧道掘進施工過程中布置了多個圍巖變形監(jiān)測斷面，主要監(jiān)測左右線隧道拱頂沉降和幫部收斂。這里以典型的K35+720斷面和K38+073斷面為例，通過現(xiàn)場實測得到圍巖變形與時間關系曲線，如圖5～8所示。

圖5　K35+720周邊收斂與時間關系曲線Fig.5　Relation curve of peripheral convergenceand time in K35+720 section

圖6　K35+720拱頂收斂與時間關系曲線Fig.6　Relation curve of arch crown subsidenceand time in K35+720 section

圖7　K38+073周邊收斂與時間關系曲線Fig.7　Relation curve of peripheral convergenceand time in K38+073 section

圖8　K38+073拱頂下沉與時間關系曲線Fig.8　Relation curve of arch crown subsidenceand time in K38+073 section

從圖5～圖8可以看出，隧道圍巖在前18～22 d收斂速率較快，周邊收斂和拱頂下沉曲線上升幅度大，30～ 35 d以后圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，周邊最大收斂值達到12.33～14.81 mm，拱頂最大沉降值20.39～27.11 mm.開挖支護完成后，經(jīng)過較長一段時間后圍巖變形才趨于穩(wěn)定，該區(qū)段隧道具有明顯的時空效應，圍巖自身存在一定的流變性。隧道圍巖變形均在允許范圍之內(nèi)，表明支護參數(shù)能夠滿足設計要求，開挖方式合理。

4.2現(xiàn)場實測值與數(shù)值模擬預測值對比

為了驗證數(shù)值計算的準確性，將留核心土法三維數(shù)值計算結(jié)果中的周邊收斂和拱頂下沉計算值值與現(xiàn)場實測值進行比較。

拱腰水平方向位移預測值為12.01 mm，實測數(shù)值回歸結(jié)果為14.81 mm，以實測值為基準，兩者相差2.6 mm，相差18.9%.拱頂下沉預測值為24.73 mm，實測數(shù)值為27.11 mm，以實測值為基準，兩者相差1.283 mm，相差8.7%.

結(jié)果表明：現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬分析結(jié)果比較吻合，所采用的研究方法及結(jié)果可靠，預測值略小于實測值，原因在于數(shù)值計算過程中未能考慮到圍巖流變特性。在今后的工作中可以進一步研究。

5結(jié)論

1)FLAC數(shù)值計算表明，相比于上下臺階法和單側(cè)導坑法，留核心土法是該隧道Ⅴ級圍巖最為合理的開挖方式，這種開挖方式能夠確保隧道安全快速施工；

2)現(xiàn)場監(jiān)測表明，采用留核心土法進行施工，隧道最大周邊收斂值為14.81 mm，最大拱頂沉降值為27.11 mm，變形均在允許范圍之內(nèi)，開挖方法合理，支護參數(shù)滿足設計要求；

3)對本工程中所采用的不同施工方法建立的復雜地質(zhì)條件下軟巖隧道位移場和應力場模型對以后類似工程的設計和施工具有一定的指導意義。

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Reasonable methods of constructing highway soft-rock tunnel in Qinba mountains

DENG Bo-tuan1，SU San-qing1，2，REN Jian-xi1，MENG Chang1

(1.CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；

2.SchoolofCivilEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China)

Abstract：Taking the background of a highway soft-rock tunnel in Qinba mountainous，with the means of FLAC numerical simulation and site monitoring，the reasonable method of constructing a highway soft-rock tunnel in Qinba mountainous was researched.Three different construction ways were put forward.Compared with the step method and Single Side Heading Method，the result of numerical simulation showed that the core soil-retained construction method could lead the surrounding rock deformation to be little and met the construction requirement.From the view of economic and construction period，the core soil-retained was the best construction method for the soft rock tunnel excavation.Depended on the site measurement，after taking the core soil-retained construction method，the feasibility of numerical simulation result was verified.The result of site measurement indicated that the maximum peripheral convergence was 14.81 mm and the maximum crown settlement was 27.11 mm.So，the tunnel deformation was in the permissible range.Besides，the measured values trend of surrounding rock deformation was similar to the predictive value，which indicated that the the FLAC could serve as a evaluation method to verify the reasonableness of construction method before construction，which had advanced guiding significance.

Key words：numerical simulation；highway tunnel；construction method；surrounding rock deformation law；supporting parameters

中圖分類號：U 459.2

文獻標志碼：A

通訊作者：鄧博團(1981-)，男，陜西乾縣人，博士研究生，工程師，E-mail：345312719@qq.com

基金項目：國家自然科學基金(51478383)

收稿日期：*2015-08-12責任編輯：高佳

文章編號：1672-9315(2016)01-0092-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0116