蔣 偉 倪文杰

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074;2.深圳藝洲建筑工程設(shè)計(jì)有限公司 廣東 深圳 518000)

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隧道圍巖臺(tái)階法開(kāi)挖模擬分析

蔣 偉1倪文杰2

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074;2.深圳藝洲建筑工程設(shè)計(jì)有限公司 廣東 深圳 518000)

隧道開(kāi)挖階段隧道施工中極其重要的階段，選擇合適的開(kāi)挖方法及適當(dāng)?shù)拈_(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺有利于保證隧道的安全施工,防止延誤工期，節(jié)約工程造價(jià)。本文以重慶市江北區(qū)魚(yú)嘴鎮(zhèn)和龍興鎮(zhèn)境內(nèi)的隧道為例，對(duì)其開(kāi)挖階段進(jìn)行臺(tái)階法模擬分析，從而得出不同的循環(huán)進(jìn)尺下的隧道開(kāi)挖對(duì)于圍巖變形的影響，并根據(jù)模擬開(kāi)挖分析結(jié)果對(duì)隧道施工提出建議。

隧道開(kāi)挖；循環(huán)進(jìn)尺；臺(tái)階法

引言

隧道開(kāi)挖是隧道施工中相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。隧道開(kāi)挖過(guò)程中選用不同的循環(huán)進(jìn)尺及不同的開(kāi)挖方法對(duì)于隧道圍巖的變形有著一定的影響,因此選擇合適的開(kāi)挖方法及制定適當(dāng)?shù)拈_(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺有利于保證隧道的安全施工,防止延誤工期，節(jié)約工程造價(jià)。

本文以重慶市江北區(qū)魚(yú)嘴鎮(zhèn)和龍興鎮(zhèn)境內(nèi)的隧道為背景，采用臺(tái)階法開(kāi)挖模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，從而對(duì)隧道施工提出建議，優(yōu)化施工開(kāi)挖方案。

一、工程背景

(一)工程概況

本隧道位于重慶市江北區(qū)魚(yú)嘴鎮(zhèn)和龍興鎮(zhèn)境內(nèi)，中心里D1K21+585，全長(zhǎng)620m，最大埋深約32.5m。隧道縱坡設(shè)計(jì)為7.5431%的上坡全隧道除D1K21+398.972～出口段位于左線(xiàn)半徑R=4500m(右線(xiàn)半徑R=4495.4m)右偏曲線(xiàn)上外，其余地段均為直線(xiàn)。本隧道進(jìn)口里程為D1K21+275；出口里程為D1K21+895。

(1)隧道縱斷面圖：

圖1 隧道縱斷面圖

(2)隧道進(jìn)口處橫斷面圖

圖2 隧道進(jìn)口處橫斷面圖

(二)地層巖性

隧區(qū)內(nèi)上覆第四系人工填土(Q4ml)層、坡殘積(Q4dl+el)層，下伏侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組(J2xs)泥巖夾砂巖，分述如下：

<1-1>人工填筑土(碎石土)(Q4ml)

褐色，紫紅色，硬塑狀，主要成分為粉質(zhì)黏土，其間夾砂，泥巖砂，塊石，約占30%，粒徑10～350mm，稍濕，為人工堆疊而成，厚約2～6m，主要分布于隧道進(jìn)口斜坡及左側(cè)地帶，為工程建設(shè)施工棄土屬I(mǎi)I級(jí)普通土，為D組填料。

<3-3>粉質(zhì)黏土(Q4dl+pl)

紫紅色、硬塑性，質(zhì)純，局部軟塑，分布于測(cè)區(qū)內(nèi)溝槽中，厚約1～3m，屬于Ⅱ級(jí)普通土，為D組填料。

<4-1>粉質(zhì)黏土(Q4dl+el)

褐黃、棕褐色，硬塑～堅(jiān)硬，含5～10%的砂，泥巖質(zhì)碎石，角礫，厚0～2m，局部厚2～4m，廣泛分布于丘坡緩坡地段，屬Ⅱ級(jí)普通土，為D組填料。

(三)不良地質(zhì)及特殊巖土

隧道內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象為順層，特殊巖土為人工填土。

1.順層：隧道進(jìn)口基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)泥巖夾砂巖，巖層產(chǎn)狀N25°E/ 29°N，巖層走向與線(xiàn)路夾角59°，進(jìn)口仰坡為順層。

2.人工填土：褐色，紫紅色，硬塑狀，主要成分為粉質(zhì)黏土，其間夾砂，泥巖砂，塊石，約占30%，粒徑10～350mm，稍濕，為人工堆疊而成，厚約2～6m，主要分布于D1K21+248～D1K21+287及D1K21+328段斜坡及左側(cè)地帶，為工程建設(shè)施工棄土，碴體邊坡自穩(wěn)性較差，對(duì)隧道進(jìn)口有一定影響。

二、隧道施工過(guò)程的模擬

(一)模型的建立

根據(jù)隧道勘測(cè)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，B = 14米，H = 10.3米高的隧道跨度。一般而言,距隧道中心3～5倍開(kāi)挖寬度為隧道圍巖位移開(kāi)挖的影響范圍。因此,地層模型的橫截面方向取70m(5B),垂直于地表向下(埋深)32.5m,垂直于地表向上取30m,沿隧道軸線(xiàn)方向取42m(3B)。模型左右、前后和下邊界設(shè)為均為法向位移約束，上邊界自由，如圖3所示。因隧道埋深較淺，計(jì)算時(shí)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。

圖3 計(jì)算模型

(二)開(kāi)挖過(guò)程的模擬

隧道上下臺(tái)階開(kāi)挖面距離2m，開(kāi)挖進(jìn)尺2m,如圖4所示。施工過(guò)程模擬如下：形成自重地應(yīng)力場(chǎng)→第1段(0～16m)開(kāi)挖，釋放載荷30%→第1段初期支護(hù)，釋放載荷70%→第2段(16～18m)上臺(tái)階開(kāi)挖，釋放載荷30%→第2段上臺(tái)階初期支護(hù)，釋放載荷70%→第2段(16～18m)下臺(tái)階開(kāi)挖，釋放載荷30%→第2段下臺(tái)階初期支護(hù)，釋放載荷70%→第3～9段(18～32m)開(kāi)挖、初期支護(hù)與荷載釋放的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同第2段→第10段(32～48m)開(kāi)挖同第1段→全斷面施作二次襯砌(0～48m)。計(jì)算步中，奇數(shù)計(jì)算步為釋放開(kāi)挖面荷載30%，偶數(shù)計(jì)算步為釋放開(kāi)挖面荷載70%，荷載步為4的倍數(shù)是開(kāi)始上臺(tái)階開(kāi)挖的時(shí)刻。

圖4 臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程示意圖

三、模擬結(jié)果分析

(一)隧道開(kāi)挖過(guò)程對(duì)圍巖位移的影響

圖5是模型表面測(cè)點(diǎn)A’～E’沉降隨開(kāi)挖過(guò)程的變化特征，其中奇數(shù)計(jì)算步為釋放隧道表面荷載30%，偶數(shù)計(jì)算步為釋放隧道表面荷載70%?？梢钥闯觯?1)每一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺中，第一步(釋放荷載30%)產(chǎn)生的位移變化比較小，第二步(釋放荷載70%)產(chǎn)生主要的位移變化；(2)沉降主要集中在距中心范圍10 m內(nèi)，拱頂?shù)乇淼某两盗?最大值)為兩邊沉降量的3.3倍，所以地表沉降呈現(xiàn)出以拱頂為中心的中間大、兩頭小的槽形分布形式；(3)從開(kāi)挖的過(guò)程來(lái)看，開(kāi)挖未到目標(biāo)斷面前地表的沉降量占總沉降量的25%，開(kāi)挖到目標(biāo)斷面前占40%，經(jīng)過(guò)目標(biāo)斷面后占35%，因此，需要及時(shí)通過(guò)超前支護(hù)措施(如注漿、超前錨桿)來(lái)減少地表沉降，并且及時(shí)加強(qiáng)初期支護(hù)。

圖5 模型表面不同位置沉降隨開(kāi)挖步的變化曲線(xiàn)

圖6是A～E在拱頂?shù)貙覮1測(cè)線(xiàn)上沉降隨開(kāi)挖的變化特征：(1)在拱頂?shù)貙痈浇娇拷绊攧t沉降量越大，沉降量從拱頂?shù)降乇沓视纱蟮叫〉淖兓厔?shì)，因此，拱頂?shù)某两抵祽?yīng)作為設(shè)計(jì)和施工控制的重要指標(biāo)。(2)在隧道不同深度位置變形量相差不大，說(shuō)明圍巖的應(yīng)變梯度較小，但隧道目標(biāo)斷面還未開(kāi)挖之前，拱頂已發(fā)生沉降，其沉降值為總沉降值的24%；一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)只能在當(dāng)前開(kāi)挖之后進(jìn)行，因此應(yīng)將還未開(kāi)挖之前的沉降數(shù)據(jù)加入到全部現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)位移中。(3)對(duì)拱頂沉降量影響最大的是目標(biāo)斷面前后各一個(gè)施工進(jìn)尺范圍，此處為前后各2m；此范圍內(nèi)施工引起的拱頂沉降量為總沉降量的66%，即總沉降量的2/3；越靠近隧道表面的測(cè)點(diǎn)位移變化越大，表明圍巖一定深度范圍內(nèi)應(yīng)變梯度較大，圍巖開(kāi)始出現(xiàn)松動(dòng)區(qū)。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)沉降量的影響大小排序?yàn)椋寒?dāng)前開(kāi)挖的影響最大，相鄰開(kāi)挖的影響次之，通過(guò)橫斷面后的開(kāi)挖影響最小。故在需要嚴(yán)格控制拱頂沉降量時(shí)，可采用增加臺(tái)階數(shù)、縮短開(kāi)挖進(jìn)尺或采用輔助施工法以加固頂部圍巖強(qiáng)度的方法。

圖6 拱頂?shù)貙映两惦S開(kāi)挖的變化曲線(xiàn)

拱圈內(nèi)側(cè)特征點(diǎn)其徑向位移隨開(kāi)挖的變化曲線(xiàn)圖，如圖7所示(這里選取柱坐標(biāo)系)?？梢钥闯觯?1)在前后一個(gè)開(kāi)挖距內(nèi)特征點(diǎn)的徑向位移最大，其范圍內(nèi)產(chǎn)生的位移約占總位移量的2/3；(2)圍巖的徑向位移以拱頂變化最為顯著，拱底次之，拱腰和拱腳相對(duì)變化較小，說(shuō)明圍巖位移監(jiān)測(cè)應(yīng)以拱頂作為主要控制點(diǎn)；(3)拱底向上的位移則需盡快施作仰拱加以控制，這也是在軟弱圍巖中加設(shè)仰拱的主要原因，在需要盡量控制頂?shù)棕Q向位移時(shí)，需加強(qiáng)初期支護(hù)的剛度，同時(shí)盡快封閉仰拱。

圖7 拱圈特征點(diǎn)徑向位移隨開(kāi)挖的變化曲線(xiàn)

(二)開(kāi)挖過(guò)程中圍巖位移的縱向分布規(guī)律

隧道開(kāi)挖面的推進(jìn)圍巖豎向位移的變化情況(如圖8)可以看出，圍巖位移在未開(kāi)挖洞段的位移相對(duì)較小，在已開(kāi)挖洞段的位移較大，而距離工作面越近位移越小，遠(yuǎn)離工作面的圍巖位移則逐漸增大并趨于平緩，且隨著工作面的推進(jìn)，這種分布規(guī)律隨之沿隧道掘進(jìn)方向發(fā)展。

圖8 隨著開(kāi)挖面向前推進(jìn)，圍巖的豎向位移分布(單位：m)

在不同開(kāi)挖進(jìn)尺條件下，拱頂圍巖沿隧道軸向上的位移分布(如圖9)可以看出：(1)軟弱破碎圍巖當(dāng)前開(kāi)挖造成的圍巖位移變化最為顯著，因此，應(yīng)通過(guò)在開(kāi)挖后迅速施作初期支護(hù)來(lái)減小圍巖變形；(2)對(duì)于開(kāi)挖面前方圍巖，其影響范圍小于4m(2倍開(kāi)挖步距)；(3)對(duì)于已開(kāi)挖洞段，工作面空間效應(yīng)的影響范圍小于16m(1倍隧道洞徑)；(4)當(dāng)隧道累計(jì)開(kāi)挖進(jìn)尺超過(guò)32m(2倍隧道洞徑)后，圍巖沉降變形基本趨于穩(wěn)定。

圖9 隨著開(kāi)挖面向前推進(jìn)，圍巖拱頂沉降沿隧道縱向分布

(四)不同臺(tái)階距離的對(duì)比分析

隧道累計(jì)開(kāi)挖進(jìn)尺32m時(shí)，不同臺(tái)階工作面間距施工方法引起的拱頂沉降沿隧道縱向的分布如圖10所示?？梢钥闯觯洪_(kāi)挖面對(duì)已開(kāi)挖洞圍巖的約束效應(yīng)的影響范圍小于16m(1倍隧道洞徑)；拱頂位移值的大小與臺(tái)階距離的關(guān)系不明顯，臺(tái)階距離越大，相同位置拱頂位移略大一些。

圖10 不同臺(tái)階距離的情況下，拱頂沉降沿隧道縱向分布(開(kāi)挖進(jìn)尺32m)

雖然圍巖總的位移值變化規(guī)律受臺(tái)階工作面間距的影響較小，但臺(tái)階工作面間距引起的圍巖位移變化過(guò)程是顯著不同的，圖11是目標(biāo)斷面拱頂位移與開(kāi)挖過(guò)程的關(guān)系?？梢钥闯觯好總€(gè)開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺中，臺(tái)階距離越大，上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程(特別是通過(guò)目標(biāo)斷面的開(kāi)挖步)對(duì)圍巖位移的影響也就越大(下臺(tái)階的影響越小)。累計(jì)開(kāi)挖進(jìn)尺16～32m段，不同臺(tái)階間距施工方法引起的拱頂位移值變化的定量分析，如表1所示。可以看出，圍巖在上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生了絕大部分位移，臺(tái)階工作面間距大于4m后，上臺(tái)階開(kāi)挖引起的拱頂沉降占總位移的90%以上。

圖11 拱頂沉降與計(jì)算步的關(guān)系

臺(tái)階距離2m臺(tái)階距離4m臺(tái)階距離8m上臺(tái)階上臺(tái)階比例上臺(tái)階上臺(tái)階比例上臺(tái)階上臺(tái)階比例896255351：1968183529：110540971087：1

四、臺(tái)階法施工優(yōu)化建議

優(yōu)化的基本的原則為：減小每步開(kāi)挖面積，并預(yù)留核心土，減小臺(tái)階長(zhǎng)度，減小開(kāi)挖進(jìn)尺，快速封閉，從而減小地應(yīng)力釋放和地表沉降。

1.開(kāi)挖進(jìn)尺進(jìn)行優(yōu)化

基本的原則為：減小每步開(kāi)挖面積，并預(yù)留核心土，減小臺(tái)階長(zhǎng)度，減小開(kāi)挖進(jìn)尺，快速封閉，從而減小地應(yīng)力釋放和地表沉降。

上、下臺(tái)階長(zhǎng)度應(yīng)不小于10m左右，這樣每一個(gè)臺(tái)階上掌子面就會(huì)做開(kāi),面積也不會(huì)過(guò)大，可以維持掌子面的穩(wěn)定。左右導(dǎo)洞掌子面應(yīng)該錯(cuò)開(kāi)20m以上,可以降低左右導(dǎo)洞開(kāi)挖的相互影響；

上、下臺(tái)階單循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺均不應(yīng)大于1m，最好是1到2榀鋼拱架的長(zhǎng)度，這樣可以利用掌子面的空間效應(yīng)來(lái)穩(wěn)定和減小圍巖的變形。

核心土柱的開(kāi)挖進(jìn)尺可以適當(dāng)加大，為2～3m，即一次開(kāi)挖,3～5榀鋼架；核心土上下臺(tái)階掌子面錯(cuò)開(kāi)5m即可。

2.水平型鋼支撐進(jìn)行優(yōu)化

水平型鋼支撐其實(shí)起到封閉開(kāi)挖面的作用，使支護(hù)形成封閉結(jié)構(gòu)，使受力合理。而斷面的及時(shí)封閉對(duì)控制地表沉降十分重要。因此開(kāi)挖后應(yīng)該及時(shí)施作水平臨時(shí)支撐，形成封閉環(huán)。此外由中柱巖墻聯(lián)合支護(hù)數(shù)值分析的結(jié)果看，水平型鋼支撐承受軸力較大。為了減少?lài)鷰r的變形和位移，應(yīng)該加大型鋼支撐兩端的墊板的面積，端部圍巖的剛度，減少水平型鋼支撐的變形從而達(dá)到減少?lài)鷰r的水平位移。

3.中心豎向鋼砼柱墻臨時(shí)支撐進(jìn)行優(yōu)化

中心豎向鋼砼柱墻臨時(shí)支撐主要是為了保證拱頂圍巖的穩(wěn)定，從數(shù)值分析結(jié)果看，中心豎向鋼砼柱墻臨時(shí)支撐承受很大的軸力，因此，在其頂端設(shè)置擴(kuò)大的墊板，可以使力分散在更大面積的圍巖上，可以防止型鋼端部圍巖被壓碎而使拱頂產(chǎn)生過(guò)大的沉降。

核心土上部臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖面與前方未拆除的中心豎向鋼砼柱墻臨時(shí)支撐的距離應(yīng)該不小于5米，這時(shí)為了保證前方中心豎向鋼砼柱墻臨時(shí)支撐的穩(wěn)定。

4.鋼拱架進(jìn)行優(yōu)化

在掌子面開(kāi)挖結(jié)束后，要立拱架、打錨桿和噴射混凝土形成初期支護(hù)。對(duì)鋼拱架可以設(shè)置大拱腳：在初支拱腳處設(shè)置大拱腳，并設(shè)置I25b型鋼牛腿和1.6cm厚鋼板墊板。

5.初支背后填充注漿

隧道施工初支整體沉降較大，背后容易出現(xiàn)空隙，且型鋼背后不易與圍巖密貼，易形成空隙或水囊，造成地面沉降。因此，必須對(duì)第一層初支背后填充注漿。

[1]宋習(xí)武，黃明星.中寨子隧道排水常見(jiàn)滲漏及處治方法.民營(yíng)科技，2014,(1):182.

[2]黃威.城市小斷面隧道爆破施工技術(shù)[A].企業(yè)科技與發(fā)展，2014，(13):108.

蔣偉(1992-)，男，漢族，湖北隨州人，重慶交通大學(xué)碩士研究生，從事隧道及地下結(jié)構(gòu)工程方面的研究;倪文杰(1991-)，男，漢族，湖北天門(mén)人，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，本科，深圳藝洲建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。