(中鐵十九局集團(tuán) 第一工程有限公司, 遼寧 遼陽(yáng) 111000)

1 概述

位于湖北省的某隧道總長(zhǎng)度為1 500 m，該隧道位于低山丘陵地區(qū)，隧道進(jìn)口地勢(shì)相對(duì)平緩，自然坡度為5°～12°，隧道出口處自然地勢(shì)較為陡峭，自然坡度為25°～34°。隧道洞身的最大埋深為32 m，隧道對(duì)應(yīng)的起終點(diǎn)樁號(hào)為K42+200～K43+700。隧道位于直線段上，隧道起點(diǎn)處的路線縱斷面坡度為2.3%，隧道出口的路線縱斷面坡度為1.7%。該隧道的拱頂上地層主要為片麻巖Ⅲ，地面深度25～42 m范圍內(nèi)主要為片麻巖IV，地面深度42～56 m范圍內(nèi)主要為片麻巖V。詳細(xì)的隧道圍巖分級(jí)如表1所示。

表1 隧道圍巖分級(jí)表Table 1 Tunnel surrounding rock classification table樁號(hào)圍巖類別長(zhǎng)度/mK42+200～K43+042Ⅴ842K43+042～K43+140Ⅳ98K43+140～K43+216Ⅴ76K43+216～K43+374Ⅳ158K43+374～K43+499Ⅲ125K43+499～K43+595Ⅳ96K43+595～K43+700Ⅴ105

由表1可知，隧道的圍巖分級(jí)大多為IV、V級(jí)，隧道主體為軟弱圍巖，且隧道長(zhǎng)度較大，因此需對(duì)該隧道的開(kāi)挖方式進(jìn)行研究。本文依托實(shí)際工程，利用有限元計(jì)算軟件FLAC3D，選取了針對(duì)軟弱圍巖的CD法、CRD法、臺(tái)階法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法4種開(kāi)挖方法，對(duì)上述開(kāi)挖方法進(jìn)行了詳細(xì)研究，最終得到最優(yōu)的隧道開(kāi)挖方法。

2 模型的建立及各工法的模擬

2.1 模型的建立

本文利用大型有限元計(jì)算軟件FLAC3D[1]，對(duì)目前軟弱圍巖常用的施工方法——CD法[2]、CRD法[3]、臺(tái)階法[4]、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[5]進(jìn)行仿真模擬。有限元模型的計(jì)算范圍為： X方向?yàn)?0 m(-30 m～30 m)，Y方向?yàn)?0 m，土層高為49 m，原地面線下20.35 m處為隧道的拱頂，隧道寬度取13.22 m，高度取11.25 m。關(guān)于邊界條件約束[6]：X方向?yàn)樗郊s束；Y方向?yàn)樨Q向約束；地表無(wú)約束；下部為垂直、水平約束。地面高2.4 m，填方邊坡坡比為1 ∶ 1.5。根據(jù)該隧道的地質(zhì)資料，本有限元模型的材料參數(shù)如表2所示。

表2 有限元計(jì)算材料參數(shù)表Table 2 Finite element calculation material parameter table結(jié)構(gòu)名稱密度/103kg·m-3()抗拉強(qiáng)度/kPa粘聚力/kPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/GPa片麻巖Ⅲ4.096750.33363.97中隔墻2.52 9002 0000.173223.75片麻巖Ⅳ2.34880.29401.86初砌2.52 9002 0000.173223.75片麻巖Ⅴ2.23890.34441.17錨桿0.0500 00000.000190.00路基土2.02700.33180.14

本文建立的有限元模型如圖1所示，該模型共有單元64 528個(gè)，節(jié)點(diǎn)68 246個(gè)，自上而下土層分別為路基素填土、片麻巖Ⅲ、片麻巖Ⅳ、片麻巖Ⅴ，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[7,8]。

圖1 有限元模型Figure 1 Finite element model

2.2 CD法開(kāi)挖步驟的仿真模擬

運(yùn)用CD法進(jìn)行開(kāi)挖可分為以下6個(gè)步驟:步驟1是在做好初期支護(hù)的前提下，對(duì)位于左側(cè)掌子面上方的土進(jìn)行開(kāi)挖，在其右側(cè)設(shè)置中隔壁，并插入錨桿;步驟2是對(duì)位于左側(cè)掌子面中部的土進(jìn)行開(kāi)挖，在其兩側(cè)設(shè)置中隔壁，并在兩側(cè)插入錨桿;步驟3是對(duì)位于左側(cè)掌子面下部的土進(jìn)行開(kāi)挖，在其左側(cè)設(shè)置中隔壁;步驟4是對(duì)位于右側(cè)掌子面上部的土進(jìn)行開(kāi)挖;步驟5是對(duì)位于右側(cè)掌子面中部的土進(jìn)行開(kāi)挖，拆除開(kāi)挖部分的錨桿，并在右側(cè)插入錨桿;步驟6是對(duì)位于右側(cè)掌子面下部的土進(jìn)行開(kāi)挖，至此整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程完成。利用CD法進(jìn)行隧道開(kāi)挖，其每個(gè)步驟對(duì)應(yīng)的支護(hù)圖如圖2所示。

(a) 步驟1

(b) 步驟2

(c) 步驟3

(d) 步驟4

(e) 步驟5

(f) 步驟6

圖2CD法開(kāi)挖步驟仿真模擬

Figure 2 Simulation of CD method excavation steps

2.3 CRD法開(kāi)挖步驟的仿真模擬

運(yùn)用CRD法進(jìn)行開(kāi)挖也可分為6個(gè)步驟，相較于CD法，CRD法在對(duì)每一個(gè)部分開(kāi)挖時(shí)均多出對(duì)臨時(shí)仰拱的支護(hù)，所以其支護(hù)結(jié)構(gòu)比CD法更為穩(wěn)固。利用CRD法進(jìn)行隧道開(kāi)挖，其每個(gè)步驟對(duì)應(yīng)的支護(hù)圖如圖3所示。

2.4 臺(tái)階法開(kāi)挖步驟的仿真模擬

運(yùn)用臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖可分為2個(gè)步驟。步驟1是對(duì)上部臺(tái)階進(jìn)行開(kāi)挖。步驟2是對(duì)下部臺(tái)階進(jìn)行開(kāi)挖。用臺(tái)階法進(jìn)行隧道開(kāi)挖，其對(duì)應(yīng)的支護(hù)圖如圖4所示。

(a) 步驟1

(b) 步驟2

(c) 步驟3

(d) 步驟4

(e) 步驟5

(f) 步驟6

(a) 步驟1

(b) 步驟2

2.5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖步驟的仿真模擬

運(yùn)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖可分為以下8個(gè)步驟:步驟1，是對(duì)位于左側(cè)掌子面上方的土進(jìn)行開(kāi)挖，在其右側(cè)設(shè)置臨時(shí)支護(hù)，然后在底部設(shè)置及時(shí)成環(huán)的橫撐，并在兩側(cè)設(shè)置鎖腳錨桿;步驟2，是對(duì)位于左側(cè)掌子面下方的土進(jìn)行開(kāi)挖，在其右側(cè)設(shè)置臨時(shí)支護(hù)，然后在左側(cè)設(shè)置鎖腳錨桿;步驟3，是對(duì)位于右側(cè)掌子面上方的土進(jìn)行開(kāi)挖，在其左側(cè)設(shè)置臨時(shí)支護(hù)，然后在底部設(shè)置及時(shí)成環(huán)的橫撐，并在兩側(cè)設(shè)置鎖腳錨桿;步驟4，是對(duì)位于右側(cè)掌子面下方的土進(jìn)行開(kāi)挖，在其左側(cè)設(shè)置臨時(shí)支護(hù)，然后在右側(cè)設(shè)置鎖腳錨桿;步驟5，是對(duì)位于中間導(dǎo)坑上方的土進(jìn)行開(kāi)挖，預(yù)留部分核心土在其上方;步驟6，是對(duì)位于中間導(dǎo)坑上方的土完成開(kāi)挖工作，并設(shè)置臨時(shí)橫撐;步驟7，是對(duì)剩余的土體進(jìn)行開(kāi)挖，并拆除前面步驟中設(shè)置的錨桿;步驟8，是將中隔壁拆除，完成整個(gè)土體的開(kāi)挖。用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道開(kāi)挖，其每個(gè)步驟對(duì)應(yīng)的支護(hù)圖如圖5所示。

(a) 步驟1

(b) 步驟2

(c) 步驟3

(d) 步驟4

(e) 步驟5

(f) 步驟6

(g) 步驟7

(h) 步驟8

3 各工法的對(duì)比

3.1 各工法最終沉降位移值對(duì)比

本隧道跨度較大，且圍巖為軟弱圍巖，因此需考慮滲流作用[9-10]，利用CD法、CRD法、臺(tái)階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)該隧道進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)分析，4種工法得到的沉降位移如圖6所示。

由圖6可知，CD法、CRD法、臺(tái)階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)應(yīng)的圍巖最大沉降值分別為12.9、11.4、17.8和7.2 mm。利用臺(tái)階法開(kāi)挖產(chǎn)生的沉降值最大，分析其位移云圖可知，其對(duì)應(yīng)的最大沉降值從拱頂一直擴(kuò)散到地表。雙側(cè)壁法開(kāi)挖對(duì)應(yīng)的沉降值較小，其最大沉降值基本上集中在拱頂處。橫向?qū)Ρ?種工法引起的位移云圖可知，無(wú)論是何種工法，在隧道開(kāi)挖后，均會(huì)在隧道的拱頂及其上方引起變形。

(a) CD法

(b) CRD法

(c) 臺(tái)階法

(d) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

Figure 6 Settlement displacement cloud map corresponding to 4 excavation methods

3.2 各工法沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終變形值對(duì)比

3.2.1地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終變形值對(duì)比

在隧道的設(shè)計(jì)及施工中，隧道開(kāi)挖引起的地面變形值是衡量施工安全的關(guān)鍵性指標(biāo)，為了研究不同開(kāi)挖工法下對(duì)地表沉降值的影響，本文選取了道路中線處的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，X坐標(biāo)的范圍為-30～30 m。4種工法引起的地表沉降值如圖7所示。

圖7 4種工法引起的地表沉降值Figure 7 Surface settlement values caused by four methods

由圖7可知4種工法引起的沉降值與X坐標(biāo)的關(guān)系一致，均為靠近隧道對(duì)應(yīng)的道路中心線處的最大，隨著距離中心線的距離不斷增大，沉降值逐漸變小，且以道路中心線為對(duì)稱軸對(duì)稱。橫向?qū)Ρ?種工況，采用臺(tái)階法引起的沉降值最大，然后依次是CD法和CRD法，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降值最小，最大值僅為6.0 mm。

3.2.2拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終變形值對(duì)比

與地表變形值類似，拱頂?shù)淖冃沃狄酁樗淼朗┕ぶ械年P(guān)鍵性指標(biāo)。本文選取Y坐標(biāo)為0～40 m，每隔2 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行研究，4種工況對(duì)應(yīng)的變形如圖8所示。

圖8 4種工況對(duì)應(yīng)的變形圖Figure 8 Deformation diagram corresponding to 4 working conditions

由圖8可知，與地表沉降類似，采用臺(tái)階法引起的沉降值最大，最大值為18.11 mm，然后依次是CD法和CRD法，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降值最小，其對(duì)應(yīng)的最大值為7.25 mm。

3.3 各工法最終塑性區(qū)對(duì)比

隧道開(kāi)挖引起的塑性區(qū)域易產(chǎn)生拉伸及剪切破壞[11-12]，在隧道的設(shè)計(jì)和施工中需對(duì)其對(duì)應(yīng)的圍巖進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)和加強(qiáng)襯砌[13]。4種工法開(kāi)挖結(jié)束后的塑性區(qū)見(jiàn)圖9。

(a) CD法

(b) CRD法

(c) 臺(tái)階法

(d) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

由圖9可知，利用任何一種工法均會(huì)引起地表附近及襯砌周圍產(chǎn)生塑性區(qū)。其中CD法、CRD法及臺(tái)階法引起的塑性區(qū)域基本相似，均發(fā)生了相對(duì)較大的塑性變形，且塑性區(qū)域由拱頂發(fā)展到了地表。而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的塑性區(qū)域較小，且集中在拱頂區(qū)域附近。

3.4 4種工法的選擇

4種工法施工產(chǎn)生的塑性區(qū)域范圍、拱頂沉降、地表沉降、圍巖沉降等指標(biāo)對(duì)比分析見(jiàn)表3。

由表3可知，4種工法中，臺(tái)階法引起的拱頂、地表及圍巖沉降值最大，而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的拱頂、地表及圍巖沉降值最小，且利用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起的塑性區(qū)范圍最小。因此雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為最優(yōu)施工方法，但該方法施工速度較慢，施工成本較高?？紤]到該隧道圍巖均為軟弱圍巖，且隧道跨度較大，綜合經(jīng)濟(jì)、安全等因素，推薦雙側(cè)壁導(dǎo)坑法作為該隧道的施工方法。

4 結(jié)論

本文針對(duì)該隧道特征，提出了CD法、CRD法、臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法4種施工工法。運(yùn)用有限元軟件FLAC3D分別對(duì)4種工法的施工步驟進(jìn)行了詳細(xì)模擬，分析了各工法對(duì)應(yīng)的最終沉降值、地表沉降值、拱頂沉降值及塑性區(qū)分布情況，通過(guò)詳細(xì)對(duì)比上述指標(biāo)可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比中均為最優(yōu)方案，最終推薦雙側(cè)壁導(dǎo)坑法作為本隧道施工方案。