王克忠，朱海斌，孔令民，梁其東，張海軍

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.日照市供水管理處，山東 日照 276800)

新意法在野豬山隧道施工中的應(yīng)用研究

王克忠1，朱海斌1，孔令民2，梁其東2，張海軍1

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.日照市供水管理處，山東 日照 276800)

為探討新意法在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工中的可行性，依托具體工程，對(duì)山嶺隧洞出口段進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，研究了新意法和臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)掌子面的縱向內(nèi)空變形和應(yīng)力變化規(guī)律，預(yù)測(cè)了沿隧道軸線方向拱頂沉降的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)比分析了隧道不同開(kāi)挖、臨時(shí)加固方式對(duì)掌子面大變形、失穩(wěn)的影響，得出了掌子面中部易失穩(wěn)，新意法施工可有效抑制掌子面變形的結(jié)論，對(duì)同類隧道工程研究具有一定的理論意義，并對(duì)工程實(shí)踐具有重要參考價(jià)值.

新意法；臺(tái)階法；掌子面；數(shù)值模擬

山嶺隧道出口段圍巖破碎，在隧道開(kāi)挖后，掌子面應(yīng)力解除，圍巖應(yīng)力重分布[1]，隧道出口段坍塌、冒頂和掌子面失穩(wěn)等現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生.多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些專家、學(xué)者采用解析法、模型試驗(yàn)法和經(jīng)驗(yàn)公式法等[2]對(duì)隧道出口段開(kāi)展了大量研究.周藝等[3]以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合數(shù)值仿真模擬，對(duì)比分析了隧道在不同開(kāi)挖方法下的圍巖變形特征、初期支護(hù)和二襯的內(nèi)力變化規(guī)律.趙錄學(xué)[4]依據(jù)新意法原理，對(duì)特殊工程環(huán)境下隧道選線、支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化和施工方案進(jìn)行了探討，為新意法在我國(guó)的推廣應(yīng)用提供了借鑒.國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)表明，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用新意法的理論，對(duì)超前預(yù)加固在軟巖淺埋隧道施工的作用進(jìn)行了研究[5-7]，但未能全面闡釋施工中圍巖力學(xué)與變形規(guī)律.筆者依托野豬山隧道工程，采用有限元軟件Midas/GTS對(duì)新意法和臺(tái)階法的施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了兩種施工方法在淺埋軟弱地層中的適用性，為今后同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供了借鑒.

1 掌子面失穩(wěn)判據(jù)

巖石強(qiáng)度理論是與隧道掌子面的失穩(wěn)機(jī)理緊密相關(guān)的，反映了巖石破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)或變形狀態(tài).目前廣泛應(yīng)用的強(qiáng)度理論，多數(shù)是從應(yīng)力觀點(diǎn)來(lái)考察材料破壞的，其中庫(kù)倫-莫爾強(qiáng)度理論就是應(yīng)力觀點(diǎn)強(qiáng)度理論的繼續(xù)和發(fā)展.

庫(kù)倫在1773年提出了，當(dāng)材料某截面上的剪應(yīng)力達(dá)到黏聚力與內(nèi)摩擦力之和時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞.土體剪切破壞準(zhǔn)則的庫(kù)倫準(zhǔn)則表達(dá)式[8]為

τn=c-σntanφ

(1)

式中：τn為極限抗剪強(qiáng)度；σn為剪切面上的法向應(yīng)力；c，φ分別為土的黏聚力和內(nèi)摩擦角.

摩爾(1882)將庫(kù)倫破壞條件表示為與最大主應(yīng)力圓相切的一條直線，當(dāng)σ1≥σ2≥σ3時(shí)，由圖1可推導(dǎo)各主應(yīng)力關(guān)系式為

(2)

屈服面方程為

(3)

圖1 摩爾-庫(kù)侖破壞條件Fig.1 Mohr-Coulomb failure conditions

如何判別掌子面是否處于整體失穩(wěn)狀態(tài)是隧道有限元穩(wěn)定分析的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.按照巖土力學(xué)中的摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，隧道掌子面失穩(wěn)時(shí)破壞面上各點(diǎn)應(yīng)力都達(dá)到極限平衡狀態(tài)，極限應(yīng)力圓與屈服面相切.因此，有限元分析時(shí)以掌子面在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力狀態(tài)與屈服面的關(guān)系作為失穩(wěn)判據(jù)是比較合理的.

2 數(shù)值仿真模擬

2.1 工程簡(jiǎn)介

野豬山隧道為分離式隧道，兩隧洞相距約35m.其出口段分布?xì)埰路e、洪積含碎石粉質(zhì)黏土和含黏性土碎石，褐黃色，碎石較多為強(qiáng)風(fēng)化巖塊，厚度較大，埋深為10～20m.兩隧洞出口段分別采用新意法和臺(tái)階法兩種施工方法，兩種工法初期支護(hù)一致，采用25cm厚C25噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)與鋼架聯(lián)合支護(hù)，鋼拱架為18號(hào)工字鋼，縱向間距為0.5m.

2.2 模型及邊界條件

采用Midas/GTS建立三維有限元模型，由于野豬山兩隧洞相距較遠(yuǎn)，相互影響可忽略不計(jì)，故對(duì)單洞施工過(guò)程進(jìn)行模擬.選取野豬山隧道出口段50m進(jìn)行數(shù)值仿真分析.以模型正面隧道底部中心為原點(diǎn)，取隧道軸線在水平面上的投影線為y軸，其正方向由洞口指向隧洞內(nèi)部，x軸垂直隧洞軸線，z軸的正方向?yàn)樨Q直向上.模型范圍：-40 m≤x≤40 m，0≤y≤50 m，-35 m≤z≤地面.該模型上邊界設(shè)為自由邊界.以隧道開(kāi)挖跨度的3～5倍[9]選取模型左右邊界和底部邊界，其中模型底部邊界設(shè)置豎向約束，其余各邊界分別設(shè)置該方向上的水平約束，計(jì)算模型如圖2所示.

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

2.3 模型參數(shù)選定

計(jì)算本構(gòu)模型采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則，選取彈塑性模型進(jìn)行計(jì)算.采用板單元模擬噴射混凝土，用植入桁架單元模擬錨桿，鋼拱架采用等效計(jì)算的方法[10]并參考型鋼型號(hào)將彈性模量折算并附加到混凝土噴層中，其中折算噴混層的縱向長(zhǎng)度為0.5 m，計(jì)算式為

E=E0+Sg·Eg/Sc

(4)

式中：E為折算后等效初期支護(hù)的彈性模量；E0為原混凝土材料的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面積；Sc為混凝土截面積；Eg為鋼材的彈性模量.

參照野豬山隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告中的地層物理參數(shù)，土體劃分為3層.具體物理力學(xué)參數(shù)如表1，2所示.

表1 巖體計(jì)算參數(shù)

表2 支護(hù)計(jì)算參數(shù)

2.4 施工模擬

為比較臺(tái)階法和新意法施工的優(yōu)缺點(diǎn)及其對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響，對(duì)兩種工法下隧道的開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析研究.臺(tái)階法施工：采用三臺(tái)階法開(kāi)挖，先后開(kāi)挖第一步和第二步臺(tái)階，各開(kāi)挖8 m和4 m并支護(hù)，再以1 m為一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，每一個(gè)循環(huán)完成后及時(shí)施做初期支護(hù)，施工工序如圖3所示.

新意法施工:采用全斷面開(kāi)挖，以1 m為一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，開(kāi)挖前掌子面植入玻璃纖維錨桿并注漿進(jìn)行超前預(yù)加固，保證錨桿嵌入掌子面前方至少12 m，搭接6 m，掌子面錨桿布置間距為120 mm，如圖4所示.

圖3 臺(tái)階法開(kāi)挖工序Fig.3 Process of bench cut method

圖4 新意法掌子面錨桿布置Fig.4 Arrangement of anchors on excavated face of ADECO-RS approach

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 掌子面擠出位移

巖土控制變形分析法依據(jù)超前核心圍巖體系的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)，把掌子面穩(wěn)定形態(tài)分為3類[11-12]：穩(wěn)定狀態(tài)、短期穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài).而掌子面超前核心巖土體穩(wěn)定性將直接影響到掌子面的擠出位移.掌子面擠出位移超過(guò)某個(gè)界限就表明掌子面穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎唐诜€(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài).

三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，上、中、下三個(gè)臺(tái)階的掌子面沿隧道縱向產(chǎn)生不同程度的擠出位移，土體出現(xiàn)鼓出現(xiàn)象，其中最大位移出現(xiàn)在下臺(tái)階，達(dá)到15 mm左右，如圖5所示(單位為m).

新意法施工時(shí)，掌子面同樣出現(xiàn)擠出位移，最大位移出現(xiàn)在掌子面中心附近，達(dá)到8 mm左右，相比于臺(tái)階法開(kāi)挖縮小了近一半，如圖6所示(單位為m).新意法施工改變了開(kāi)挖面處超前核心土的強(qiáng)度和剛度，一定程度上抑制了掌子面過(guò)大變形.

圖5 臺(tái)階法掌子面縱向位移圖Fig.5 Longitudinal displacement on excavated face of bench cut method

圖6 新意法掌子面縱向位移圖Fig.6 Longitudinal displacement on excavated face of ADECO-RS approach

3.2 掌子面應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)掌子面的擠出位移可知：在施工過(guò)程中掌子面穩(wěn)定性最差的部位在掌子面中心附近.下面選取臺(tái)階法上、中、下三個(gè)臺(tái)階各開(kāi)挖到30 m處時(shí)，與三個(gè)臺(tái)階相對(duì)應(yīng)的掌子面中心附近的節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，同時(shí)新意法三個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置與臺(tái)階法的三個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，然后通過(guò)偏應(yīng)力和球應(yīng)力的關(guān)系曲線，分析以上節(jié)點(diǎn)在開(kāi)挖過(guò)程中的屈服軌跡和應(yīng)力變化趨勢(shì).其中，圍巖采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則[13]，以其Mohr形式作為屈服函數(shù)，即

(5)

式中：σ1，σ3分別為巖土體剪切面上的第一、第三主應(yīng)力；c，φ分別為巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角.

兩種施工方法在開(kāi)挖過(guò)程中，上部掌子面中心點(diǎn)的應(yīng)力變化情況如圖7所示.兩種方法在隨著開(kāi)挖面接近上部中心監(jiān)控位置，球應(yīng)力都逐漸增大，同時(shí)偏應(yīng)力也逐漸增大.其中，臺(tái)階法的應(yīng)力點(diǎn)向屈服面接近，但并沒(méi)有達(dá)到屈服線，掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)和短期穩(wěn)定狀態(tài).而新意法由于施工時(shí)對(duì)掌子面進(jìn)行植入錨桿并注漿處理，改善了開(kāi)挖面前方的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)力點(diǎn)則超過(guò)原有的屈服面，但應(yīng)力變化并處于彈塑性階段，即掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)和短期穩(wěn)定狀態(tài).

圖7 上部掌子面應(yīng)力變化Fig.7 Face stress of upper face

中部掌子面隨著開(kāi)挖，其中心區(qū)域應(yīng)力變化情況如圖8所示.中部掌子面的監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)力隨著開(kāi)挖面的推進(jìn)，兩種開(kāi)挖方法的球應(yīng)力都逐漸減小，而剪應(yīng)力變化出現(xiàn)差異.臺(tái)階法在開(kāi)挖面距監(jiān)控點(diǎn)4m時(shí)，剪應(yīng)力幾乎不隨球應(yīng)力的減小發(fā)生變化，當(dāng)開(kāi)挖面距監(jiān)控點(diǎn)2m時(shí)，圍巖應(yīng)力達(dá)到M-C屈服線而進(jìn)入塑性狀態(tài)，即掌子面失穩(wěn).而新意法開(kāi)挖過(guò)程中，其應(yīng)力點(diǎn)超過(guò)了M-C屈服線，但圍巖應(yīng)力并沒(méi)有發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象.計(jì)算表明，由于隧道所處地層軟弱，開(kāi)挖面前方2m范圍內(nèi)的土體難以維持平衡狀態(tài)，而通過(guò)對(duì)開(kāi)挖面的超前核心土進(jìn)行加固，可以增強(qiáng)開(kāi)挖面前方2m內(nèi)的巖土體的穩(wěn)定性.

圖8 中部掌子面應(yīng)力變化Fig.8 Face stress of middle face

下部掌子面隨著開(kāi)挖，其中心區(qū)域應(yīng)力變化情況如圖9所示.臺(tái)階法的監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)力變化情況和中部掌子面類似，在開(kāi)挖面距監(jiān)控點(diǎn)4m時(shí)，剪應(yīng)力幾乎不隨球應(yīng)力的減小發(fā)生變化，當(dāng)開(kāi)挖面距監(jiān)控點(diǎn)2m時(shí)，圍巖應(yīng)力達(dá)到M-C屈服線而進(jìn)入塑性狀態(tài)，即掌子面失穩(wěn).而新意法開(kāi)挖過(guò)程中，球應(yīng)力和剪應(yīng)力都在逐漸增大，其應(yīng)力點(diǎn)超過(guò)了M-C屈服線，但圍巖應(yīng)力點(diǎn)并沒(méi)有完全進(jìn)入塑性階段.由圖9可知，新意法施工時(shí)掌子面更穩(wěn)定.

3.3 拱頂沉降分析

沿隧道軸線方向每2m選取一個(gè)截面，各截面拱頂?shù)淖罱K豎向位移如圖10所示，同時(shí)選取沿隧道軸線方向上的拱頂特征點(diǎn)的沉降值進(jìn)行對(duì)比分析如表3所示.

圖9 下部掌子面應(yīng)力變化Fig.9 Face stress of lower face

圖10 拱頂沉降曲線Fig.10 Result of vault settlement

施工工法拱頂特征點(diǎn)位置/mmY=0mY=6mY=12mY=18mY=26mY=28mY=30m臺(tái)階法-19．3-17．38-15．65-14．45-12．53-12．40-10．88新意法-13．10-11．88-10．66-10．31-8．81-8．36-3．62減小比率/%32．132．131．928．729．732．666．7

由圖10和表3可知：兩種工法開(kāi)挖隧道完工后，其拱頂豎向位移量均沿著隧道軸線方向逐漸減小.但新意法施工各斷面的拱頂沉降量均比臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)小，且變化趨勢(shì)更平緩.此外，新意法開(kāi)挖時(shí)拱頂?shù)淖畲筘Q向位移比臺(tái)階法的最大豎向位移小了32.1%，且新意法掌子面拱頂處的彈性收斂較臺(tái)階法減小了66.7%.由此可見(jiàn)，新意法采用全斷面開(kāi)挖，減少了施工工序，使隧道圍巖更快地形成閉合圈，同時(shí)結(jié)合其超前加固工藝技術(shù)，有效地抑制了隧道拱頂?shù)某两?

3.4 掌子面加固區(qū)長(zhǎng)度的影響

以新意法掌子面中部擠出位移作為指標(biāo)對(duì)加固區(qū)效應(yīng)進(jìn)行分析，掌子面中部的擠出位移在不同加固區(qū)長(zhǎng)度下的變化情況如圖11所示.

由圖11可知：1) 隨著加固區(qū)長(zhǎng)度的增加，掌子面的縱向位移逐漸減小，且其變化幅度也在逐漸減小，其中加固區(qū)長(zhǎng)度在8 m以內(nèi)時(shí)，縱向位移變化幅度較大，當(dāng)超過(guò)12 m時(shí)，縱向位移曲線變化趨于平緩.對(duì)于本隧道出口段，加固區(qū)比較適宜的長(zhǎng)度是1倍開(kāi)挖跨度(12 m)，當(dāng)超過(guò)這個(gè)距離時(shí)，加固區(qū)的擴(kuò)大對(duì)于掌子面穩(wěn)定性影響相對(duì)較弱；2) 野豬山隧道出口段處于較為軟弱的地層，開(kāi)挖過(guò)程中掌子面易發(fā)生失穩(wěn)破壞，而通過(guò)植入全粘結(jié)型玻璃纖維錨桿并加壓注漿的施工工藝，改變了開(kāi)挖面處超前核心土的物理力學(xué)性質(zhì)，在一定程度上增強(qiáng)了掌子面的穩(wěn)定性.

圖11 加固區(qū)長(zhǎng)度對(duì)縱向位移影響Fig.11 The effect of reinforcement length on the face stability

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

新意法施工現(xiàn)場(chǎng)YK60+280斷面(Y=5 m)和YK60+285斷面(Y=0 m)實(shí)測(cè)的拱頂沉降隨開(kāi)挖時(shí)間變化曲線如圖12所示.由圖12可知：由于280斷面初始監(jiān)測(cè)晚，使得拱頂沉降實(shí)測(cè)值受到較大的影響，280斷面拱頂沉降的實(shí)測(cè)值比285斷面的實(shí)測(cè)值小了近一半.由此可知，初始監(jiān)測(cè)時(shí)刻對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量值有較大的影響，且285斷面拱頂沉降的實(shí)測(cè)值更接近實(shí)際收斂變形.其中，實(shí)測(cè)拱頂沉降值在開(kāi)挖后5～10 d內(nèi)出現(xiàn)回縮現(xiàn)象是因?yàn)檎谱用嫱┕r(shí)降雨導(dǎo)致淺埋的土體軟化、掌子面剝落造成部分圍巖應(yīng)力釋放，而YK60+280斷面在開(kāi)挖25 d左右時(shí)拱頂沉降值出現(xiàn)回縮現(xiàn)象，是由于施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的后視棱鏡松動(dòng)導(dǎo)致的.

圖12 拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.12 Monitoring result of vault settlement

隧道圍巖的豎向變形包括了預(yù)收斂和收斂變形，該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目只能對(duì)圍巖的收斂變形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集.由285斷面(Y=0 m)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，隧道最終拱頂沉降約為11.88 mm.由數(shù)值仿真模擬的計(jì)算結(jié)果可知，掌子面植入錨桿并注漿加固后，掌子面處拱頂沉降為3.62 mm，285斷面(Y=0 m)的模擬沉降為13.10 mm，其中圍巖預(yù)收斂變形為3.62 mm，收斂變形為9.48 mm左右，模擬值與實(shí)測(cè)值相差較小，模擬值比實(shí)測(cè)值小20.2%.由于現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程影響因素較多，模擬值與實(shí)測(cè)值雖存在一定偏差，但基本吻合.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較好地驗(yàn)證了該數(shù)值仿真模型的可行性.

5 結(jié) 論

通過(guò)野豬山隧道出口段數(shù)值模擬，對(duì)比分析新意法和臺(tái)階法下隧道掌子面應(yīng)力變化和拱頂?shù)某两?，結(jié)果表明：野豬山隧道臺(tái)階法施工時(shí)，盡管開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺較小，但掌子面擠出位移較大，其中部極易發(fā)生塑性變形，進(jìn)行圍巖周邊加固的單一技術(shù)措施并不能有效控制掌子面的變形；臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，掌子面前方2 m范圍內(nèi)的土體穩(wěn)定性問(wèn)題突出，而新意法的超前加固措施使掌子面前方土體強(qiáng)度發(fā)生改變，有效抑制了掌子面失穩(wěn)；新意法通過(guò)對(duì)掌子面植入錨桿并注漿加固，改變了超前核心土的強(qiáng)度和剛度，其中加固區(qū)比較適宜的長(zhǎng)度是1倍開(kāi)挖跨度；通過(guò)對(duì)比掌子面穩(wěn)定性、擠出位移和拱頂沉降量，表明在淺埋軟弱地層等特殊工程環(huán)境下新意法施工相比于臺(tái)階法更為合理.

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(責(zé)任編輯：劉 巖)

An application study on the ADECO-RS approach in the construction of Yezhu mountain tunnel

WANG Kezhong1, ZHU Haibin1, KONG Lingmin2, LIANG Qidong2, ZHANG Haijun1

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2.Watersupply Management Office of Rizhao, Rizhao 276800, China)

In order to study the applicability of the ADECO-RS approach in tunnel construction under complicated geological conditions, numerical simulations are used to study the variations of the longitudinal deformation and the stress of faces. The spatial-temporal variations of the vault subsidence along the axial direction are predicted with the ADECO-RS approach and the bench method for the outlet section in the mountain tunnel. The effects of the excessive displacement and instability on the faces between different methods of excavation and temporary reinforcement are analyzed. This indicates that the middle part of the face is liable to lose stability and the ADECO-RS approach can control the deformations effectively. This study is of theoretical and practical significance for the construction of similar tunnels.

ADECO-RS approach; bench method; heading face; numerical modeling

2016-09-27

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51679215)；清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(sklhse-2014-C-02)

王克忠(1965—)，男，山東冠縣人，教授，研究方向?yàn)樗淼拦こ?，E-mail:wkz@zjut.edu.cn.

U459.2

A

1006-4303(2017)03-0237-06