張衛(wèi)霞

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030032)

隧道施工采用臺(tái)階法等分部開挖法存在作業(yè)空間相對(duì)狹小的弊端，致使大型機(jī)械設(shè)備不能充分發(fā)揮作用，如何確保大斷面開挖既安全又高效是業(yè)界關(guān)注的問題。有工程實(shí)踐證明全斷面法較臺(tái)階法開挖累計(jì)變形量更小、質(zhì)量易于控制[1]，在Ⅳ級(jí)圍巖段采用4 m進(jìn)尺全斷面法開挖可行[2-3]。本文以懷邵衡鐵路黃巖隧道施工為實(shí)例，對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖段采用帶仰拱一次性全斷面(含仰拱)開挖法進(jìn)行總結(jié)，并通過建立時(shí)變本構(gòu)數(shù)值模型，對(duì)隧道開挖后圍巖的位移和應(yīng)力進(jìn)行時(shí)效分析，為類似工程提供參考。

1 全斷面(含仰拱)開挖法技術(shù)特點(diǎn)

1.1 全斷面(含仰拱)開挖法介紹

全斷面(含仰拱)開挖法是在隧道采用鑿巖臺(tái)車、濕噴機(jī)械手等大型裝備快速施工條件下發(fā)展起來的一種工法。開挖掌子面測(cè)量放線后，采用鑿巖臺(tái)車在隧道軌面以上部分與仰拱同時(shí)鉆孔，并一次爆破以達(dá)到開挖斷面全環(huán)成型。拱墻和仰拱初期支護(hù)同步施作，仰拱部位初支完成后采用洞砟臨時(shí)回填至掌子面附近，平整后滿足鑿巖臺(tái)車等設(shè)備的作業(yè)空間。將回填洞砟清除后施工仰拱及填充混凝土，依次循環(huán)作業(yè)，快速開挖支護(hù)。隧道全斷面(含仰拱)開挖法斷面示意如圖1。

圖1 全斷面(含仰拱)開挖法斷面示意

1.2 全斷面(含仰拱)開挖法優(yōu)點(diǎn)

1)仰拱開挖不單獨(dú)作為一個(gè)工序，隧道斷面全環(huán)一次性開挖，減少了仰拱開挖多次爆破，有利于圍巖穩(wěn)定。

2)縮短了初支封閉時(shí)間，與臺(tái)階法施工相比，圍巖變形量明顯減少，有利于隧道圍巖穩(wěn)定和施工安全。

3)施工空間大，有利于大型機(jī)械設(shè)備運(yùn)行，加快了施工進(jìn)度；人力投入減少，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

4)與臺(tái)階法施工相比，全斷面(含仰拱)開挖法可使初支鋼架連接單元數(shù)量和接頭數(shù)量減少，初支噴射混凝土質(zhì)量易控制，有利于避免環(huán)向鋼架單元連接易出現(xiàn)的質(zhì)量問題。

5)采用帶仰拱一次全斷面(含仰拱)開挖法，仰拱部位鉆眼作業(yè)較仰拱單獨(dú)開挖作業(yè)空間大，有利于底板眼外插角的精度控制，可提高仰拱開挖成形質(zhì)量。

1.3 全斷面(含仰拱)開挖法適用條件

通過全斷面(含仰拱)開挖法在黃巖隧道Ⅲ級(jí)圍巖段的應(yīng)用，綜合巖體物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試以及數(shù)值模擬結(jié)果，將全斷面(含仰拱)開挖法適用條件總結(jié)于表1。

表1 黃巖隧道全斷面(含仰拱)開挖法適用條件

1.4 全斷面(含仰拱)開挖法施工要點(diǎn)

1)每循環(huán)開挖進(jìn)尺

對(duì)設(shè)格柵鋼架的支護(hù)，每循環(huán)開挖進(jìn)尺小于2.5 m；對(duì)不設(shè)置格柵鋼架的支護(hù)，每循環(huán)開挖進(jìn)尺小于3.5 m。

2)鉆爆設(shè)計(jì)

采用光面爆破技術(shù)。根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，以及開挖斷面、循環(huán)進(jìn)尺、爆破器材等因素進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，合理選擇爆破參數(shù)。嚴(yán)格控制周邊眼裝藥量，采用空氣間隔裝藥，藥量沿炮眼均勻分布。選用低密度、低爆速、低猛度的炸藥，采用非電毫秒雷管起爆和微差爆破，周邊眼采用導(dǎo)爆索起爆。

3)鉆眼爆破

采用三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行鉆孔。臺(tái)車臂應(yīng)分區(qū)，先鉆周邊眼和掏槽眼，再鉆輔助眼，清底后鉆底板眼。

采用全站儀對(duì)開挖斷面檢查并將分析結(jié)果反饋給施工人員，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)。

4)仰拱和拱墻初期支護(hù)

初期支護(hù)應(yīng)做到快挖、快支、快封閉，爆破后應(yīng)在12 h內(nèi)完成開挖、出砟、架設(shè)拱架、噴射混凝土、打設(shè)錨桿。噴射混凝土采用濕噴機(jī)械手。噴射作業(yè)應(yīng)分段、分片、分層，由下至上進(jìn)行。采用錨桿鉆機(jī)或風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)成孔,在拱部設(shè)中空注漿錨桿，檢查注漿質(zhì)量合格后將墊板擰緊；在邊墻設(shè)全長(zhǎng)粘結(jié)砂漿錨桿，向孔內(nèi)注滿早強(qiáng)砂漿后將錨桿打入，待砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后安裝墊板和螺帽。采用拱架安裝機(jī)或作業(yè)臺(tái)架安裝格柵鋼架。鋼架下端設(shè)在穩(wěn)固的地基上，拱腳開挖超深時(shí)應(yīng)加設(shè)混凝土墊塊，安裝后利用鎖腳錨管定位，拱背噴填同級(jí)混凝土使支護(hù)與圍巖密貼。

5)設(shè)備配置

合理選用機(jī)械化配套設(shè)備，盡量縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間。各道工序應(yīng)平行流水作業(yè)，縮短銜接時(shí)間。

2 黃巖隧道工程概況

黃巖隧道為新建懷化-邵陽-衡陽鐵路控制性重點(diǎn)工程，隧道起訖里程為DK17+828—DK34+858，全長(zhǎng) 17 030 m，設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。線路設(shè)計(jì)行車速度200 km/h。黃巖隧道設(shè)5座斜井，分11個(gè)作業(yè)面，采用鉆爆法施工。洞身穿越的巖體以Ⅲ級(jí)圍巖(總長(zhǎng)度 9 928 m)、Ⅳ級(jí)圍巖(總長(zhǎng)度 6 200 m)為主，少量V級(jí)圍巖(總長(zhǎng)度902 m)，其中Ⅲ級(jí)圍巖段占隧道總長(zhǎng)的58.3%。隧道穿越地層巖性主要為砂質(zhì)板巖。隧址區(qū)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，穿越3處向斜和15處斷裂構(gòu)造帶，地質(zhì)條件較復(fù)雜。

3 Ⅲ級(jí)圍巖段全斷面(含仰拱)開挖法數(shù)值模擬分析

3.1 Ⅲ級(jí)圍巖時(shí)變本構(gòu)模型的確定

根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料及相關(guān)文獻(xiàn)[4-6]，彈塑性圍巖采用DP模型，流變性圍巖采用指數(shù)型流變模型。時(shí)變本構(gòu)方程為

(1)

式中：ε為蠕變應(yīng)變；σ為蠕變應(yīng)力；A,m,n為材料參數(shù)；t為時(shí)間。

利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行反分析，選擇ANSYS提供的12個(gè)常用隱式蠕變方程中與式(1)相關(guān)的方程進(jìn)行時(shí)變參數(shù)反演，進(jìn)而得到Ⅲ級(jí)圍巖時(shí)變本構(gòu)方程

ε=C1σC2tC3+1e-C4 /T/(C3+1)

(2)

式中：C1，C2，C3，C4為蠕變參數(shù)。

3.1.1 特征斷面位移量測(cè)和考慮空間效應(yīng)數(shù)據(jù)修正

取Ⅲ級(jí)圍巖段DK25+380斷面為特征斷面，拱頂設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)1個(gè)；最大跨度處左右兩側(cè)設(shè)水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)共2個(gè)。

由于受空間效應(yīng)影響，開挖面到達(dá)前地層中已經(jīng)發(fā)生的損失位移不能由儀器測(cè)取，將損失位移與實(shí)際發(fā)生的總位移的比值稱為空間效應(yīng)系數(shù)[7]。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移作為反演分析輸入數(shù)據(jù)時(shí)，須將損失位移與實(shí)測(cè)位移相疊加，得到總位移?？臻g效應(yīng)系數(shù)計(jì)算公式為

(3)

式中：U為總位移；U′為實(shí)測(cè)位移；η為空間效應(yīng)系數(shù)。

綜合確定Ⅲ級(jí)圍巖空間效應(yīng)系數(shù)為0.25。

3.1.2 二維平面計(jì)算模型的建立

參考相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]中對(duì)圍巖邊界范圍的研究，數(shù)值模型的范圍為：隧道兩側(cè)巖體寬度取3～5倍洞徑(洞徑13.1 m)，隧道上下部巖體高度取3～5倍隧道高度(凈高10.98 m)。取模型寬度為100 m，高度為90 m。計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 Ⅲ級(jí)圍巖數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

3.1.3 時(shí)變本構(gòu)模型參數(shù)反分析

2009年9月對(duì)營(yíng)27斜3井實(shí)施補(bǔ)孔混排下水力噴射泵措施。9月25日下午16時(shí)下泵生產(chǎn)，僅1 h就發(fā)現(xiàn)混合液含砂。含砂量0.1%左右，該井開井時(shí)最高含砂量2%。9月27日下午16時(shí)見油，隨著生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)，含砂量也逐漸減少。穩(wěn)定后日產(chǎn)液達(dá)到15.5t，日產(chǎn)油7.1t，含水率54.5%，措施實(shí)施取得了理想的效果，長(zhǎng)停2年后成功開井。

進(jìn)行反分析前需指定反分析參數(shù)的設(shè)計(jì)初始值及取值范圍。經(jīng)查閱文獻(xiàn)[10]，初始值C1取1.0×10-12,C2取1，C3取-0.62,C4取0。

采用ANSYS優(yōu)化反分析后，得到Ⅲ級(jí)圍巖(砂質(zhì)板巖)的時(shí)變本構(gòu)方程

ε=8.486 6×10-12σt0.38

(4)

3.1.4 位移反分析結(jié)果驗(yàn)證

通過Ⅲ級(jí)圍巖時(shí)變本構(gòu)方程進(jìn)行計(jì)算，隧道開挖完成后7 d水平收斂為17.2 mm，拱頂沉降為14.2 mm，與實(shí)測(cè)修正值(水平收斂實(shí)測(cè)12.1 mm，修正后16.1 mm；拱頂沉降實(shí)測(cè)11.7 mm，修正后15.6 mm)的誤差分別為6.8%和8.9%，均在允許的誤差10%之內(nèi)，表明模型參數(shù)取值合理。

3.2 基于時(shí)變本構(gòu)模型的全斷面(含仰拱)開挖時(shí)效分析

3.2.1 計(jì)算方法

為分析隧道開挖過程中圍巖的變形與應(yīng)力的時(shí)變過程，采用有限元分析軟件ABAQUS建立二維數(shù)值計(jì)算模型。計(jì)算范圍、邊界條件與3.1節(jié)一致。數(shù)值模型參數(shù)的取值：A=3.224 9×10-12；m=-0.62；n=1.00。通過模型計(jì)算，得出隧道斷面開挖后不同時(shí)刻圍巖的豎向位移、水平收斂云圖和最小主應(yīng)力云圖，提取出特征點(diǎn)的時(shí)程曲線進(jìn)行分析。

3.2.2 Ⅲ級(jí)圍巖段全斷面(含仰拱)開挖時(shí)效分析

1)位移分析

圖2 Ⅲ級(jí)圍巖段位移時(shí)程曲線

Ⅲ級(jí)圍巖段位移時(shí)程曲線見圖2。可見：隧道開挖剛完成時(shí)拱頂沉降為2.77 mm，在隧道開挖完成12 h 拱頂沉降增大至8.06 mm；隨后，拱頂沉降的變化速率減緩，48 h拱頂沉降為9.89 mm。

隧道開挖剛完成時(shí)水平收斂為1.75 mm,12 h水平收斂增大至5.90 mm；隨后，水平收斂的變化速率逐漸減緩，48 h水平收斂為8.09 mm。

2)應(yīng)力分析

Ⅲ級(jí)圍巖段各特征點(diǎn)處最小主應(yīng)力時(shí)程曲線見圖3。

圖3 Ⅲ級(jí)圍巖段各特征點(diǎn)處最小主應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖3可見：隧道開挖完成后各特征點(diǎn)處最小主應(yīng)力均為負(fù)值，表明這些位置圍巖均處于受壓狀態(tài)；拱頂和拱底處的最小主應(yīng)力隨時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢增大，而拱腰、拱腳及邊墻處的最小主應(yīng)力隨時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢減小;各特征點(diǎn)處的應(yīng)力值在隧道開挖12 h后趨于穩(wěn)定。最小主應(yīng)力時(shí)程變化情況：拱底處由0.4 MPa增至2.53 MPa；拱頂處由0.9 MPa增至4.0 MPa；拱腰處由14.6 MPa減小至9.1 MPa；邊墻處由17.3 MPa減小至11.2 MPa；拱腳處由18.3 MPa減至12.3 MPa。各特征點(diǎn)處最小主應(yīng)力從大到小排序依次為：拱腳>邊墻>拱腰>拱頂>拱底。

4 結(jié)論與建議

1)隧道施工采用全斷面(含仰拱)開挖法能達(dá)到“三少一快”，即對(duì)圍巖擾動(dòng)減少、鋼架連接和噴射混凝土接縫減少、作業(yè)工序減少、施工進(jìn)度加快。

2)全斷面(含仰拱)開挖法開挖和支護(hù)施工有利于大型機(jī)械設(shè)備充分應(yīng)用，提高工效，通過縮短開挖和支護(hù)時(shí)間，確保圍巖穩(wěn)定和施工安全。

3)基于ANSYS優(yōu)化反分析，考慮空間效應(yīng)修正實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)黃巖隧道砂質(zhì)板巖的蠕變參數(shù)進(jìn)行反演分析，得到時(shí)變本構(gòu)方程。

4)數(shù)值模擬分析表明：采用機(jī)械化配套設(shè)備施工的全斷面(含仰拱)開挖法能保證圍巖穩(wěn)定，Ⅲ級(jí)圍巖段可采用全斷面(含仰拱)開挖法施工。

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