李文劍

（中山市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，廣東 中山 528400）

城市隧道施工過(guò)程結(jié)構(gòu)分析研究

李文劍

（中山市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，廣東 中山 528400）

以實(shí)際隧道工程為研究背景，針對(duì)此工程中穿越淺埋地段復(fù)雜多變的地質(zhì)情況：粉質(zhì)黏土層與軟弱破碎V級(jí)圍巖，采用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析隧道臺(tái)階法動(dòng)態(tài)施工過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)留核心土臺(tái)階法的臺(tái)階高度與初期噴錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，對(duì)比不同的上臺(tái)階開(kāi)挖高度、錨桿長(zhǎng)度、網(wǎng)噴混凝土厚度情況下圍巖的力學(xué)特征。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及規(guī)律，提出該淺埋偏壓軟弱圍巖段隧道的合理的設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)及施工對(duì)策。研究結(jié)果直接指導(dǎo)該隧道施工過(guò)程和支護(hù)措施的改進(jìn)優(yōu)化與設(shè)計(jì)控制措施，較好地解決工程實(shí)際問(wèn)題?？蔀樗淼篮罄m(xù)設(shè)計(jì)和施工或類似穿越淺埋軟弱圍巖等復(fù)雜地層條件下隧道施工過(guò)程及超前注漿孔的合理布置提供理論支持。

隧道工程；臺(tái)階法；數(shù)值模擬；施工對(duì)策

0　引　言

位于城市中的交通隧道,它在發(fā)揮縮短行車(chē)?yán)锍獭⑻岣呓煌ㄐб孀饔玫耐瑫r(shí),對(duì)于優(yōu)化城市路網(wǎng)、改善道路通行條件等方面將給城市建設(shè)帶來(lái)更大的社會(huì)效益。針對(duì)中山市某隧道工程建設(shè)，對(duì)城市隧道的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定了合理的隧道施工步驟和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)[1-11]。

1　工程概況

以廣東省中山市某隧道工程建設(shè)為工程背景。隧道全長(zhǎng)約400 m。其中洞身段穿越復(fù)雜越軟弱破碎的山體表層粉質(zhì)黏土，且該層土質(zhì)不均勻夾有卵、礫石，最小埋深僅為18 m。該破碎段隧道圍巖級(jí)別為V級(jí)，系泥盆系中統(tǒng)石英片巖，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部見(jiàn)有碎裂巖、斷層角礫，圍巖整體穩(wěn)定性差。為小凈距淺埋偏壓軟弱圍巖隧道工程。為方便研究，取該段破碎軟弱圍巖段為典型區(qū)段進(jìn)行研究。

2　隧道施工工法

隧道采用臺(tái)階法施工。施工步驟見(jiàn)圖1。第1步，導(dǎo)坑上臺(tái)階開(kāi)挖。環(huán)向開(kāi)挖導(dǎo)坑上臺(tái)階，預(yù)留核心土。上臺(tái)階開(kāi)挖高度不小于開(kāi)挖跨度的0.3倍。開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)1.5 m。上臺(tái)階核心土長(zhǎng)度(隧道縱向)3～5 m，高度為1.5～2.5 m，寬度為上臺(tái)階開(kāi)挖跨度的1/3～1/2。開(kāi)挖后應(yīng)立即施作初期支護(hù),在拱部初期支護(hù)完成后進(jìn)行下道工序。

圖1　施工步驟示意圖

第2步，左右兩側(cè)中臺(tái)階開(kāi)挖:開(kāi)挖時(shí)左右應(yīng)錯(cuò)開(kāi)2～3 m,最大進(jìn)尺1.5 m，開(kāi)挖高度為隧道總開(kāi)挖高度(不含仰拱)減去上臺(tái)階開(kāi)挖高度后除以2。開(kāi)挖后立即施作初期支護(hù)。

第3步，下臺(tái)階左右兩側(cè)開(kāi)挖:開(kāi)挖時(shí)應(yīng)錯(cuò)開(kāi),最大1.5 m，開(kāi)挖后及時(shí)施作初期支護(hù)。

第4步，開(kāi)挖預(yù)留的核心土：分別開(kāi)挖上、中、下臺(tái)階預(yù)留的核心土，開(kāi)挖進(jìn)尺與各臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺一致。

第5步，隧道底部開(kāi)挖：每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺與上、中、下臺(tái)階一致，開(kāi)挖后及時(shí)施作初期支護(hù)。

3　有限元分析

3.1三維計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算采用摩爾庫(kù)倫理論本構(gòu)模型有限元軟件建立三維數(shù)值模擬。選取典型隧道區(qū)段模擬長(zhǎng)、寬為120 m范圍地形。邊界條件為：前、后、左、右邊界施加水平方向約束，底面限制垂直位移，頂面為自由面。根據(jù)該工程水文條件地下水不發(fā)育故不考慮地下水的影響；假定錨噴初期支護(hù)體系承擔(dān)100%地應(yīng)力及施工階段荷載，不考慮巖體變形的時(shí)間效應(yīng)。初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)的影響。根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)情況和工程地質(zhì)勘察報(bào)告取計(jì)算參數(shù)。

3.2隧道施工荷載施加步驟

結(jié)合該隧道施工過(guò)程，在初期自重應(yīng)力場(chǎng)下進(jìn)行開(kāi)挖。模型考慮模擬地應(yīng)力釋放和初期支護(hù)及噴射混凝土的硬化時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)，施工時(shí)荷載的施加步驟見(jiàn)表1。

表1　隧道施工加荷步驟

4　支護(hù)結(jié)構(gòu)及對(duì)策

重點(diǎn)對(duì)典型段穿越粉質(zhì)黏土的近接施工過(guò)程參數(shù)做深入研究。分別以留核心土臺(tái)階法的臺(tái)階高度與初期噴錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比不同的上臺(tái)階開(kāi)挖高度及支護(hù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)隧道設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，提出隧道施工階段的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)策。

4.1臺(tái)階開(kāi)挖高度

在超前支護(hù)、施工步距等相同的施工條件下對(duì)比不同上臺(tái)階開(kāi)挖高度所形成“毛洞”時(shí)對(duì)隧道沉降的影響，見(jiàn)圖2。

圖2　臺(tái)階開(kāi)挖高度影響

4.2錨桿長(zhǎng)度

在上臺(tái)階開(kāi)挖高度4.5 m的施工條件下對(duì)比錨桿長(zhǎng)度對(duì)沉降與拱頂位移變化影響，見(jiàn)圖3。

圖3　錨桿長(zhǎng)度的影響

4.3網(wǎng)噴混凝土厚度

在超前支護(hù)、施工步距、開(kāi)挖方案、3.5 m錨桿類型相同的施工條件下對(duì)比不同網(wǎng)噴混凝土厚度對(duì)拱頂位移和洞周收斂的變化影響，見(jiàn)圖4。

圖4　網(wǎng)噴混凝土厚度影響

4.4支護(hù)對(duì)策

隧道開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，以減少圍巖的暴露時(shí)間,不同的圍巖地段，分別按不同的復(fù)合支護(hù)參數(shù)，采用不同的支護(hù)類型。初期支護(hù)包括素噴混凝土和噴射鋼纖維混凝土、中空注漿錨桿和超前砂漿錨桿及基礎(chǔ)加固砂漿錨桿,以及鋼拱架支撐與管棚等。

（1）洞口超前管棚施工

隧道進(jìn)、出口端均為軟弱破碎圍巖地段，采用長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)。長(zhǎng)管棚采用熱扎無(wú)縫鋼管Ф108 mm，壁厚6 mm，節(jié)長(zhǎng)4 m及6 m，潛孔鉆機(jī)鉆孔，先施工有孔鋼花管，進(jìn)行注漿后，再施作無(wú)孔鋼管并壓注砂漿。打設(shè)長(zhǎng)管棚后，利用鋼管的強(qiáng)度和剛度加強(qiáng)支護(hù)，注漿固結(jié)圍巖后，在拱圈外形成防水帷幕進(jìn)行防水，增強(qiáng)圍巖的自承能力。

（2）超前小導(dǎo)管與中空注漿錨桿

V級(jí)圍巖設(shè)小導(dǎo)管超前支護(hù),其中級(jí)圍巖小導(dǎo)管環(huán)向間距為50 cm，級(jí)圍巖小導(dǎo)管環(huán)向間距為40 cm。中空錨桿用風(fēng)鉆打眼至設(shè)計(jì)深度，再用風(fēng)鉆將中空錨桿送入到鉆孔中，安裝止?jié){塞進(jìn)行注漿。然后將環(huán)向錨桿、超前錨桿尾部和型鋼拱焊接為一體，噴鋼纖維混凝土至設(shè)計(jì)厚度。中墻基礎(chǔ)及邊墻基礎(chǔ)混凝土澆注前，按圍巖復(fù)合支護(hù)參數(shù)，打設(shè)基礎(chǔ)加固砂漿錨桿。

（3）噴射混凝土及鋼拱架施工

隧道臺(tái)階開(kāi)挖后，及時(shí)噴射一層素混凝土，然后噴射鋼纖維混凝土，表層噴1～1.5 cm素混凝土，封閉開(kāi)挖面。安裝時(shí)注意控制兩拱腳標(biāo)高、拱頂標(biāo)高及兩側(cè)拱腰，尤其在圍巖破碎超挖較多處注意檢核拱腰位置是否準(zhǔn)確，防止個(gè)別聯(lián)接板未密貼造成拱腰處一側(cè)欠挖另一側(cè)超挖出現(xiàn)。

5　結(jié)　論

（1）鑒于此隧道控制段圍巖為軟弱破碎的V級(jí)圍巖，因此本工程中應(yīng)以防止地層塌方為核心。上臺(tái)階的合理開(kāi)挖高度是重要參數(shù)，控制段隨著開(kāi)挖高度從3.5～5.5 m的增加洞周收斂和拱頂位移均呈增大趨勢(shì)，尤其洞周收斂較為明顯。適當(dāng)控制臺(tái)階開(kāi)挖高度有利于地層穩(wěn)定，但當(dāng)臺(tái)階開(kāi)挖高度過(guò)小時(shí)影響后續(xù)工序。

（2）通過(guò)對(duì)比錨桿長(zhǎng)度的變化對(duì)底層影響是比較明顯的，隨錨桿長(zhǎng)度的增加，沉降成折現(xiàn)形式變化，起初隨錨桿長(zhǎng)度的增加變形圍巖變形減小。但是當(dāng)長(zhǎng)度超過(guò)3.5 m時(shí)，控制作用不明顯。錨桿長(zhǎng)度為3.5 m時(shí)能打入巖體的穩(wěn)定區(qū)域此時(shí)最有有效控制圍巖變形，這時(shí)圍巖變形最小，有利于圍巖松動(dòng)圈的控制。

（3）初期支護(hù)中網(wǎng)噴混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)在15～ 25 cm時(shí)對(duì)圍巖的沉降控制不明顯，隨著網(wǎng)噴混凝土的厚度的增加，圍巖的沉降也會(huì)減小，但是幅度較小。因此，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臏p少初期支護(hù)中網(wǎng)噴混凝土的厚度，以達(dá)到降低成本，縮短工期的效果。采用15 cm的網(wǎng)噴混凝土厚度也能夠達(dá)到穩(wěn)定圍巖的目的。

（4）加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)策可以采取：縮短隧道開(kāi)挖進(jìn)尺，加強(qiáng)初支結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采取超前預(yù)加固措施、特殊地段地表處理等施工方法。施工過(guò)程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告結(jié)果與設(shè)計(jì)要及時(shí)進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)調(diào)整臺(tái)階長(zhǎng)度或施工方法，適時(shí)對(duì)初期支護(hù)參數(shù)和二次襯砌厚度進(jìn)行調(diào)整。

[1]LI Wenjian,ZHANG Yemin,LI Jincai.Based on the theory of catastrophe ultra-shallow railway tunnel construction process of numerical simulation[A].3rd Int.conf.on Transportation Engineering [C].American Society of Civil Engineers,Transportation Facilities, Infrastructure,and Pavements,2011,1830-1835.

[2]張業(yè)民,李文劍.PHC管樁在復(fù)雜軟土地基條件下的設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用研究 [J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2010,30(3): 157-161.

[3]張業(yè)民,李文劍,李進(jìn)才.深埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)特征數(shù)值模擬研究[J].力學(xué)與實(shí)踐,2011(2):46-51.

[4]張業(yè)民,欒茂田,李順群.尖點(diǎn)突變模型描述土應(yīng)力應(yīng)變特性的可行性[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(8):38-40.

[5]張業(yè)民,宋長(zhǎng)清,劉義賢,等.軟粘土流動(dòng)性的尖頂突變模型分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),1995,17(4):67-70.

[6]張業(yè)民,郝冬雪,欒茂田.尖點(diǎn)突變模型在平板荷載試驗(yàn)中應(yīng)用及預(yù)測(cè)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,47(3):392-397.

[7]張業(yè)民,欒茂田,李順群,等.基于突變理論的液化評(píng)估方法_英文[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2008,25(2):237-239.

[8]OCAK I.Control of Surface Settlements with Umbrella Arch Method in Second Stage Excavations of Istanbul Metro[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2008,23(6):674-681.

[9]張德華,劉士海.基于圍巖支護(hù)特征理論的高地應(yīng)力軟巖隧道初期支護(hù)選型研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2015,48(1):139-48.

[10]左殿軍,史林,李銘銘,等.深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道影響數(shù)值計(jì)算分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2014,36(2):391-395.

[11]段慧玲,張林.大跨度公路隧道合理開(kāi)挖方法對(duì)比研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2009,42(9):114-119.

TU997

A

1009-7716（2016）04-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.043

2015-28-28

李文劍（1985-），男，廣東中山人，工程師，從事橋梁與隧道工程方面的研究工作。