鄧建林

(中鐵隧道集團(tuán)杭州公司，浙江 杭州　310000)

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基于強(qiáng)度折減法的軟硬不均地層隧道開挖方法轉(zhuǎn)換時機(jī)研究

鄧建林

(中鐵隧道集團(tuán)杭州公司，浙江 杭州310000)

摘要：為確定隧道穿越軟硬不均地層區(qū)段中隔壁臺階法向三臺階七步開挖法的工法轉(zhuǎn)換時機(jī)，以某地下公路隧道為工程背景，考慮掌子面與軟硬地層分界面不同相交位置關(guān)系，應(yīng)用強(qiáng)度折減法對不同工況下隧道安全系數(shù)進(jìn)行計算，獲得掌子面與地層分界面相交位置改變時隧道安全系數(shù)的變化規(guī)律，通過數(shù)值計算，分析不同工況下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力特征，進(jìn)而確定隧道開挖及支護(hù)方法轉(zhuǎn)換的合理時機(jī)。研究結(jié)果表明：1)當(dāng)基巖覆蓋拱頂厚度達(dá)4 m后，隧道安全系數(shù)增長速率減慢并很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；2)基巖覆蓋拱頂厚度達(dá)3 m后，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；3)確定當(dāng)基巖覆蓋拱頂厚度為4 m時由中隔壁臺階法轉(zhuǎn)換為三臺階法，并通過工程實(shí)踐對此轉(zhuǎn)換時機(jī)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：隧道；強(qiáng)度折減法；安全系數(shù)；軟硬不均地層；工法轉(zhuǎn)換

0引言

多數(shù)隧道施工是在相對單一的地層中進(jìn)行，當(dāng)在軟硬不均特殊地層中進(jìn)行隧道施工時，出于安全、成本及進(jìn)度等綜合考慮，單一的開挖方法往往不能滿足施工要求[1]，需依據(jù)地質(zhì)情況變化動態(tài)地采取適宜的開挖方法。而隧道施工方法的轉(zhuǎn)換會引起圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的改變，工法轉(zhuǎn)換時機(jī)合理將減輕工法轉(zhuǎn)換對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的擾動影響，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)體系受力狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)化，而工法轉(zhuǎn)換時機(jī)不當(dāng)對施工安全產(chǎn)生不利影響，同時本工程受工期限制合理選擇中隔壁臺階法向三臺階七步開挖法轉(zhuǎn)換時機(jī)尤為重要，故針對軟硬不均地層中隧道施工方法合理轉(zhuǎn)換時機(jī)進(jìn)行研究顯得尤為重要。在軟硬不均地層中的隧道施工國內(nèi)外研究較少：刁志剛等[1]采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測手段，針對大跨超淺埋隧道穿越軟硬不均地層，提出了“先臺階，后設(shè)撐”的隧道施工方法；劉松濤等[2]對軟硬不均地層鐵路隧道下穿既有高速公路的施工方法進(jìn)行研究，提出了采用“上部中隔墻法”可有效保證隧道施工的安全及進(jìn)度的結(jié)論；張潔溪等[3]對軟硬不均地層中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與單拱大空間法適應(yīng)性進(jìn)行比選分析，確定了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在變形控制方面優(yōu)于單拱大空間法；劉輝等[4]、朱宏海[5]針對軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行了探討；李偉堅[6]對軟硬不均圍巖雙連拱隧道取消仰拱的可行性進(jìn)行了研究。此外，劉濤等[7]、王旭東等[8]、王志偉等[9]分別對軟硬不均地層車站拆撐安全性、覆跨比及松動壓力進(jìn)行了研究。已有研究多是側(cè)重于軟硬不均地層施工方法的選擇及施工技術(shù)的優(yōu)化，對于施工方法轉(zhuǎn)換時機(jī)的研究涉及較少。

本文以杭州某隧道穿越軟硬不均地層區(qū)段為研究對象，基于強(qiáng)度折減法與數(shù)值計算，分析掌子面與軟硬不均地層分界面位置關(guān)系變化時隧道安全系數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力的變化規(guī)律，進(jìn)而確定工法轉(zhuǎn)換的正確時機(jī)。

1工程背景

杭州某地下公路隧道全長14.4 km，分為U型槽段、明挖段、淺埋暗挖段及新奧法段，本文研究的淺埋暗挖段隧道設(shè)計為雙線雙向4車道，跨度為12.8 m，高9.7 m，開挖面積為102.8 m2。淺埋暗挖段隧道以V級圍巖為主，總體軟硬不均，地質(zhì)縱斷面如圖1所示。隨隧道的不斷掘進(jìn)，凝灰質(zhì)粉砂巖開始侵入掌子面，掌子面入巖深度不斷增加。原設(shè)計采用CRD法、中隔壁臺階法和三臺階七步法施工，各施工方法對應(yīng)里程如圖1所示。中隔壁臺階法施工，工作面被分割成多處小空間，只能人工或小型機(jī)械開挖，嚴(yán)重阻礙施工進(jìn)度。由于隧道埋深較小，且周邊環(huán)境復(fù)雜，鄰近建(構(gòu))筑物眾多，爆破對周邊擾動大，不適宜采用爆破施工。綜合考慮地質(zhì)條件、圍巖成拱能力、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、施工安全及進(jìn)度等因素的影響，擬提前考慮進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，采用三臺階七步法施工。

圖1　地質(zhì)縱斷面圖

2隧道安全系數(shù)分析

2.1強(qiáng)度折減法基本理論

強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用已相當(dāng)成熟，鄭穎人等[10-11]從屈服準(zhǔn)則、失穩(wěn)判據(jù)、計算精度等方面對有限元強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。近年來，強(qiáng)度折減法逐步被引入到隧道的穩(wěn)定性研究之中[12]?？凳诘萚13]將強(qiáng)度折減法引入剛體平動運(yùn)動單元上限有限元，針對橢圓形毛洞隧道圍巖穩(wěn)定性和破壞模式開展計算分析；宋應(yīng)潞等[14]運(yùn)用剛度退化的基本原理和方法，將泊松比和彈性模量進(jìn)行調(diào)整，提出變剛度隧道圍巖強(qiáng)度折減法基于強(qiáng)度折減法確定的隧道安全系數(shù)可以作為圍巖安全性評價的重要指標(biāo)。強(qiáng)度折減法按照式(1)和式(2)對其抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，直到巖體達(dá)到極限狀態(tài)為止，即可求得安全系數(shù)，同時找出圍巖塑性應(yīng)變發(fā)生突變時塑性區(qū)各斷面中塑性應(yīng)變值最大的點(diǎn)，并將其連成線，就可得到圍巖的潛在破壞面[15]。

cF=c0/K。

(1)

φF=tan-1((tan φ0)/K)。

(2)

式中：c0、cF為初始黏聚力和極限狀態(tài)黏聚力；φ0、φF為初始內(nèi)摩擦角和極限狀態(tài)內(nèi)摩擦角；K為安全系數(shù)。

2.2計算模型及工況設(shè)計

隧道拱頂下沉作為隧道監(jiān)測的必測項(xiàng)目，是圍巖穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵變形控制變量。本文以拱頂下沉發(fā)生突變作為隧道發(fā)生破壞的判據(jù)[15]。數(shù)值計算模型所有單元采用統(tǒng)一的折減系數(shù)，統(tǒng)計模型在各折減系數(shù)下的拱頂下沉量，以拱頂下沉發(fā)生突變時的折減系數(shù)作為安全系數(shù)。計算模型橫向?yàn)?0 m，豎向總高度為60 m。采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，按照平面應(yīng)變問題來處理，開挖方式為全斷面開挖。將模型豎向簡化劃分為上下2種地層，上層為粉質(zhì)黏土混碎石層，下層為中風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖層。地層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　地層力學(xué)參數(shù)表

為了分析地層分界面與隧道不同相對位置關(guān)系時安全系數(shù)的變化規(guī)律，假定豎向地層分界面與隧底平行時為y=0坐標(biāo)線，沿模型豎向長度選取如表2所示的14種工況進(jìn)行分析。計算工況設(shè)計圖如圖2所示。

表2　計算工況設(shè)計表

圖2　計算工況圖

2.3安全系數(shù)分析

部分工況的拱頂下沉隨折減系數(shù)變化曲線如圖3所示。以工況8為例說明安全系數(shù)的確定方法，圖3(a)為工況8的拱頂下沉隨折減系數(shù)變化曲線。由圖3(a)可知，折減系數(shù)從1增至 1.4期間，拱頂下沉隨折減系數(shù)增大而緩慢增加，兩者基本呈線性關(guān)系，表明在此階段圍巖處于彈塑性變形，能夠繼續(xù)承受荷載。當(dāng)折減系數(shù)大于 1.4時，拱頂下沉幾乎與縱軸平行，表明臨空面近處圍巖出現(xiàn)剛性位移開始脫離母體而出現(xiàn)松動塌落。由此可求得此工況下隧道的安全系數(shù)為1.4。同樣的方法可以確定各工況下隧道的安全系數(shù)。部分工況極限狀態(tài)時圍巖塑性區(qū)分布及潛在破裂面如圖4所示。由圖4可知，各工況下塑性區(qū)分布形式基本一致，潛在破裂面基本成“V”字型。由圖4(d)工況11可知，地層分界線位于拱頂以上7.3 m時，圍巖進(jìn)入極限狀態(tài)時，塑性區(qū)貫通至地表。

(a) 工況8

(b) 工況9

(c) 工況11

(d) 工況14

Fig.3Variation curves showing relationship between crown settlement and reduction coefficient

圖4　部分工況極限狀態(tài)塑性區(qū)分布圖及潛在破裂面位置

Fig.4Distributions of plastic zones and locations of potential failure faces

隧道安全系數(shù)變化曲線如圖5所示。隨著地層分界面由隧底以下10 m逐漸升高至地表，隧道安全系數(shù)變化大致可分為3個階段：1)從工況1—7，即基巖未完全覆蓋掌子面之前，安全系數(shù)呈現(xiàn)微小升高趨勢，但總體安全系數(shù)水平較低，最大安全系數(shù)僅為1.18；2)從工況7—9，即基巖完全覆蓋掌子面階段，安全系數(shù)驟然增大，由1.18提高至1.8；3)從工況9—14，即基巖覆蓋拱頂厚度大于3 m以后，安全系數(shù)呈現(xiàn)微小升高趨勢，最大值為2.1。上述分析表明，當(dāng)基巖未完全覆蓋掌子面時，隧道安全系數(shù)較低，當(dāng)粉砂巖地層覆蓋拱頂達(dá)到4 m后，安全系數(shù)基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5　安全系數(shù)變化曲線圖

3支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形特征分析

為了預(yù)測及分析隨入巖深度變化圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的改變情況，通過有限元計算分別對不同入巖深度各種工況進(jìn)行二維開挖支護(hù)模擬分析。

3.1計算模型及工況設(shè)計

模型尺寸、材料參數(shù)及設(shè)計工況均與2.2節(jié)一致，開挖及支護(hù)模擬與中隔壁臺階法一致，工況1的計算模型圖見圖6。變形及應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置圖見圖7。

圖6　計算模型圖

(a) 變形監(jiān)測點(diǎn)

(b) 應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)

3.2變形分析

拱頂下沉、拱腳下沉、地表下沉及隧底隆起值變化曲線見圖8，由圖8可得出以下結(jié)論。

1)拱頂及地表下沉的變化曲線大致可以分為4個階段：①從工況1—3，即基巖還未侵入隧道掌子面時，隨著入巖深度的增加，拱頂沉降小幅度減小；②從工況3—6，即基巖出現(xiàn)在掌子面下臺階時，拱頂沉降隨入巖深度的增加快速減??；③從工況6—8，基巖侵入上臺階后，減小速率降低；④從工況8—14，即基巖完全覆蓋隧道拱頂后，拱頂沉降基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

2)拱腳沉降變化曲線大致可以分為2個階段：①從工況1—7，拱腳沉降值隨著入巖深度的增加而逐漸減?。虎趶墓r7—14，即當(dāng)基巖覆蓋上臺階拱腳后，拱腳沉降基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。①階段向②階段轉(zhuǎn)換，即工況6—7巖層剛覆蓋拱腳時，拱腳沉降值從3.04 cm減小到0.82 cm，減小幅度最大。

3)隧底隆起變化曲線大致可以分為2個階段：①從工況1—4，即基巖未侵入隧道掌子面時，隧底隆起值隨著入巖深度的增加而逐漸減??；②從工況4—14，即當(dāng)基巖進(jìn)入隧道掌子面后，隧底隆起基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

上述分析表明，當(dāng)基巖覆蓋相應(yīng)的變形監(jiān)測點(diǎn)后，各測點(diǎn)的變形值基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8　變形變化曲線

3.3應(yīng)力分析

選取ABAQUS輸出的與主應(yīng)力有關(guān)的等效應(yīng)力σs為分析指標(biāo)，支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂、拱腳、中隔壁、臨時仰拱及仰拱位置應(yīng)力值變化曲線如圖9所示，由圖9可得出以下結(jié)論。

1)初期支護(hù)拱頂位置應(yīng)力變化曲線大致可以分為3個階段：①從工況1—4，即基巖未侵入隧道掌子面時，應(yīng)力值隨著入巖深度的增加而基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；②從工況4—7，即當(dāng)基巖侵入隧道掌子面后，總體上應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增加趨勢；③從工況7—9，應(yīng)力值逐漸減小，之后基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。①階段向②階段轉(zhuǎn)換，即工況4—5基巖剛侵入掌子面時，應(yīng)力值突增，由3.68 MPa增至5.34 MPa，增加幅度達(dá)到45%；②階段向③階段轉(zhuǎn)換，即工況8—9基巖完全覆蓋掌子面時，應(yīng)力值突減，由5.87 MPa減至3.93 MPa，減小幅度達(dá)49%。

2)工況1—7區(qū)間，左拱腳處初期支護(hù)應(yīng)力沒有明顯的變化規(guī)律，工況3—4、工況5—6均出現(xiàn)突增，當(dāng)基巖覆蓋隧道拱頂后，應(yīng)力值先緩慢減小，而后基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。臨時支護(hù)上應(yīng)力變化規(guī)律同樣不明顯，尤其在工況4—8區(qū)間時，呈現(xiàn)突增突減交替發(fā)生現(xiàn)象。當(dāng)基巖完全覆蓋隧道后，此現(xiàn)象逐漸減弱，應(yīng)力值也基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)從工況1—5來看，中隔壁位置應(yīng)力值總體上也呈現(xiàn)逐漸增加的態(tài)勢，當(dāng)基巖侵入掌子面上臺階后，應(yīng)力值基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

上述分析表明，當(dāng)基巖完全覆蓋隧道后，各個位置的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力都很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)?shù)貙臃纸缑媾c掌子面相交時，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)受到較大影響，尤其是對于拱腳及臨時仰拱，應(yīng)力呈現(xiàn)突增突減交替變化趨勢。工況10即基巖覆蓋拱頂4 m時，拱頂、仰拱及中隔壁測點(diǎn)的應(yīng)力值基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，拱腳與臨時仰拱測點(diǎn)應(yīng)力先減小而后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，故可確定應(yīng)保證基巖覆蓋拱頂4 m后進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響較小。

圖9　應(yīng)力變化曲線

4工法轉(zhuǎn)換時機(jī)確定

上述研究表明：當(dāng)?shù)貙臃纸缑媾c隧道掌子面相交且位置逐漸升高時，隧道安全系數(shù)呈增大趨勢，拱頂及地表下沉呈減小趨勢，但均未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，且支護(hù)結(jié)構(gòu)部分位置應(yīng)力呈突增突減交替變化；當(dāng)基巖覆蓋拱頂后，各指標(biāo)均迅速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；安全系數(shù)在地層分界面覆蓋拱頂4 m后增大速率顯著減小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力在覆蓋3 m后也基本處于穩(wěn)定狀態(tài)?；谏鲜龇治觯C合考慮施工安全、進(jìn)度等方面因素，認(rèn)為當(dāng)基巖覆蓋拱頂4 m后進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換是較為合適的。

現(xiàn)場施工中按照本文所確定的時機(jī)進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，將中隔壁臺階法轉(zhuǎn)換為三臺階七步法開挖，現(xiàn)場實(shí)際轉(zhuǎn)換里程為K13+198.6?，F(xiàn)場監(jiān)測到的拱頂沉降累積變形時程曲線如圖10所示，其沉降速率曲線如圖11所示。由圖10可知，工法轉(zhuǎn)換后三臺階法施工初期拱頂沉降速率較大，累積沉降迅速增加；但經(jīng)過15 d后，沉降基本穩(wěn)定，累計沉降處于可控狀態(tài)。工法轉(zhuǎn)換前采用中隔壁臺階法時拱頂沉降收斂值約為32 mm，轉(zhuǎn)換后拱頂沉降收斂值約為24 mm；而由圖11可知，經(jīng)過15 d后，拱頂沉降速率也趨于穩(wěn)定。由此，本工法轉(zhuǎn)換時機(jī)是合理的，工法轉(zhuǎn)換后的施工過程中，圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，整體變形可控?，F(xiàn)場實(shí)際隧道開挖及支護(hù)方法對應(yīng)里程如表3所示。

(a) 中隔壁臺階法

(b) 三臺階法

圖11　拱頂沉降變形速率時程曲線(2014年)

施工方法 起點(diǎn)里程 終點(diǎn)里程 長度/mCRD法K13+587.1K13+475.6111.5中隔壁臺階法K13+475.6K13+198.6277.0三臺階七步法K13+198.6K12+710488.6

5結(jié)論與討論

1)基于強(qiáng)度折減法對地層分界面與隧道不同位置關(guān)系的各個工況進(jìn)行安全系數(shù)計算，表明當(dāng)基巖未完全覆蓋掌子面時，隧道安全系數(shù)較低，當(dāng)基巖覆蓋拱頂達(dá)到 4 m后，安全系數(shù)基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。研究表明，各工況圍巖處于極限狀態(tài)時，潛在破裂面基本成“V”字型。

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力隨地層分界面位置的不同而改變，變形變化規(guī)律較為明顯，當(dāng)基巖覆蓋拱頂達(dá)3 m后，變形迅速趨于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)分界面與掌子面相交期間，支護(hù)結(jié)構(gòu)部分位置應(yīng)力呈突增突減變化，同樣當(dāng)基巖覆蓋拱頂達(dá)3 m后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)本文通過安全系數(shù)及應(yīng)力變形的變化趨勢確定工法轉(zhuǎn)換的合理時機(jī)，但對于安全系數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)值還有待進(jìn)一步研究。

4)以往研究多側(cè)重于不同地層施工方法的選擇及施工技術(shù)的優(yōu)化，而本文研究立足現(xiàn)場實(shí)際問題，對中隔壁臺階法向三臺階七步開挖法轉(zhuǎn)換時機(jī)進(jìn)行研究，以取得盡早進(jìn)入三臺階七步開挖法的適宜時機(jī)。

5)研究確定當(dāng)基巖覆蓋拱頂4 m后進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，工程實(shí)踐中證明此轉(zhuǎn)換時機(jī)合理，工程的安全及經(jīng)濟(jì)效益得到滿足，可為類似工程提供借鑒。

6)本文研究基于軟件模擬，對各工況的沉降和變形缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)對比，可進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)以取得實(shí)際數(shù)據(jù)對本課題進(jìn)一步研究。

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Study of Excavation Method Conversion Time in Heterogeneous Ground Based on Strength Reduction Method

DENG Jianlin

(Hangzhou Company of China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,Zhejiang,China)

Abstract:The tunnel safety factors under different construction cases are calculated by means of strength reduction method.The variation rules of tunnel safety factor vs.relationship between rock and soil interface and tunnel working face are obtained.The deformation and stress of tunnel support structure under different construction cases are analyzed by means of numerical calculation;and then the excavation method conversion time is decided.The study results show that:1) The variation speed of tunnel safety factor becomes slow when the distance between crown roof and siltite is larger than 4 m.2) The deformation and stress of support structure becomes stable when the distance between crown roof and siltite is larger than 3 m.3) When the distance between crown roof and siltite reaches 4 m,it is the time for construction method conversion.

Keywords:tunnel;strength reduction method;safety factor;heterogeneous ground;construction method conversion

收稿日期：2016-02-20;修回日期:2016-04-23

基金項(xiàng)目：中鐵隧道集團(tuán)科技計劃項(xiàng)目(隧研合2013-30)

作者簡介：鄧建林(1968—)，男，四川大邑人，1991年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，隧道與地下工程專業(yè)，本科，高級工程師，從事鐵路、公路、市政、地鐵等領(lǐng)域的橋梁、隧道及地下工程等方面的施工管理和技術(shù)研究工作。E-mail：djl20088569@126.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.004

中圖分類號：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0676-07