李貴仁

(昆明地鐵建設(shè)管理有限公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

隨著中國(guó)西部地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，多車道高速公路的修建已經(jīng)成為一種必然的趨勢(shì)，三車道等扁平大斷面公路隧道的建設(shè)日益增多。三車道公路隧道斷面呈扁平狀，開挖跨度較大，一般選擇分部開挖施工，施工過(guò)程中圍巖多次被擾動(dòng)，位移及受力變化極其復(fù)雜，再加上黃土的水敏性和豎向節(jié)理發(fā)育特征，極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)乃至坍塌，在淺埋洞口段尤甚[1-2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者針對(duì)高速鐵路、高速公路大斷面隧道展開了大量的研究，取得了豐碩的成果。扈世民、張頂立等[3-5]針對(duì)高速鐵路大斷面黃土隧道開挖引起的圍巖縱向變形規(guī)律進(jìn)行了研究，指出預(yù)留核心土可有效控制圍巖縱向變形；趙東平等[6]采用統(tǒng)計(jì)分析的方法給出了大斷面黃土隧道預(yù)留變形量的合理取值范圍；王春浩[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論計(jì)算研究了超大斷面黃土隧道圍巖壓力計(jì)算方法；周丁恒等[8-9]根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料對(duì)不同圍巖情況下的超大斷面隧道變形規(guī)律和支護(hù)體系力學(xué)性態(tài)進(jìn)行了研究；譚忠盛等[10-11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)大斷面深淺埋黃土隧道錨桿作用和效果進(jìn)行了分析；谷拴成等[12]通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)大量傳感器實(shí)測(cè)了唐家塬隧道圍巖壓力的大小和變形值；王明年等[13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和理論分析研究了大斷面黃土隧道的深淺埋分界深度；LI P F等[14]采用鄭西高鐵數(shù)座典型黃土隧道的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，全面系統(tǒng)地分析了大斷面黃土隧道的變形特征；LAI J X等使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)隧道變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析；LUO Y B等[15-16]針對(duì)全站儀監(jiān)測(cè)隧道變形的精度以及臨時(shí)支護(hù)的受力和變形規(guī)律等進(jìn)行了研究。

由此可見，目前對(duì)于大斷面黃土隧道圍巖變形規(guī)律和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征等方面的研究主要集中在高速鐵路客運(yùn)專線隧道，而專門針對(duì)三車道高速公路隧道變形規(guī)律的研究相對(duì)較少。三車道高速公路隧道與高鐵客運(yùn)專線隧道相比，開挖斷面面積更大，扁平率更低，圍巖變形和襯砌受力更為不利，因此有必要圍繞三車道大斷面黃土隧道變形特征進(jìn)行專門的研究。本文將針對(duì)唐家塬隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)的變形過(guò)大的情況，采用FLAC數(shù)值計(jì)算方法對(duì)CD法和CRD法開挖引起的圍巖變形進(jìn)行全面系統(tǒng)的對(duì)比和分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，以期為今后黃土地區(qū)的類似工程提供參考。

1 建模方法

1.1 工程背景

唐家塬隧道是陜西省西安至寶雞高速公路改擴(kuò)建工程B-C13合同段的控制性工程，屬于典型的黃土層隧道，洞身長(zhǎng)約1 100 m，單洞開挖跨度17.25 m，開挖高度10.9 m，開挖斷面面積172.4 m2，隧道最大埋深為75 m。其中設(shè)計(jì)洞口加強(qiáng)段(最大埋深5～12 m)累計(jì)長(zhǎng)度120 m，洞口淺埋段累計(jì)長(zhǎng)度367 m，襯砌形式為復(fù)合式襯砌。

1.2 構(gòu)建模型

利用FLAC軟件進(jìn)行隧道分部開挖過(guò)程的數(shù)值計(jì)算，計(jì)算邊界取值為：隧道底部取3倍洞室開挖高度，左右兩側(cè)取5倍洞室跨度，隧道上表面取到地表，模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。模型網(wǎng)格剖分如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

參考西寶高速唐家塬隧道設(shè)計(jì)資料(表1)，結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)選取計(jì)算模型參數(shù)，見表2。

表1 唐家塬隧道初期支護(hù)參數(shù)

表2 計(jì)算模型參數(shù)

1.3 施工工序及計(jì)算工況

開挖采用不同的時(shí)步模擬不同工序在時(shí)間上的滯后效應(yīng)，對(duì)于同一分部開挖與初期支護(hù)之間的滯后采用300時(shí)步進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于不同分部開挖、仰拱和二襯之間的滯后，采用3 000時(shí)步進(jìn)行模擬，二襯之后計(jì)算直至平衡。計(jì)算對(duì)應(yīng)的CD法和CRD法施工工序流程，如圖2所示，①～⑥代表對(duì)應(yīng)隧道斷面部分的開挖，Ⅰ～Ⅵ代表相應(yīng)分部開挖完成之后立即施作的初期支護(hù)，Ⅶ代表斷面全部開挖完成后整體模筑的二次襯砌混凝土。2種方法的區(qū)別僅在于有無(wú)臨時(shí)橫撐，即支護(hù)是否封閉成環(huán)。

圖2 CD法和CRD法施工工序

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 CD法

2.1.1 拱部下沉

圖3 CD法施工拱部累計(jì)下沉

拱部累計(jì)下沉值隨施工步的變化如圖3所示?？梢钥闯觯汗安肯鲁岭S施工步的增加不斷增大，拱頂、右拱頂下沉終值分別為83.11 mm和86.70 mm，而左拱頂下沉終值為65.90 mm。第1、2步左導(dǎo)洞施工完成后拱部下沉量普遍較小；第3、4步右導(dǎo)洞施工過(guò)程中沉降值迅猛增加，是引起拱部下沉的主要階段；第5～7步仰拱及二襯施工過(guò)程中拱部下沉值稍有增大便趨于穩(wěn)定。左、右拱腳下沉終值分別為46.18 mm和41.99 mm，第1步左導(dǎo)洞上臺(tái)階施工引起的左拱腳下沉為16.12 mm，第3步右導(dǎo)洞上臺(tái)階施工引起的左、右拱腳下沉分別為11 mm和21 mm，待右側(cè)上臺(tái)階支護(hù)完成后，左、右拱腳下沉已達(dá)終值的70.4%和60%，拱腳下沉與對(duì)應(yīng)導(dǎo)洞開挖關(guān)系密切，上臺(tái)階開挖之后及早支護(hù)可以減少拱腳沉降。

2.1.2 地表沉降

地表沉降值隨施工步的變化如圖4所示?？梢钥闯觯旱?、2步左導(dǎo)洞施工引起的地表沉降值不到20 mm，第3步右導(dǎo)洞施工過(guò)程中地表沉降值迅速增大，這個(gè)階段引起的沉降占總沉降的44.76%；第5、6步仰拱施作完成后沉降基本趨于穩(wěn)定，最大值為56.446 mm。第1、2步左導(dǎo)洞施工完成后沉降最大值點(diǎn)位于隧道中線左側(cè)5 m左右的位置，與左導(dǎo)洞中線位置一致，沉降曲線關(guān)于最大值點(diǎn)對(duì)稱，說(shuō)明先行導(dǎo)洞開挖引起的變形與單個(gè)隧道引起的變形規(guī)律一致；隨著第3、4步右側(cè)導(dǎo)洞的開挖，地表沉降最大值點(diǎn)逐漸靠近地表中線位置。第5、6步仰拱及二襯施工過(guò)程中地表沉降曲線的形狀和數(shù)值基本不再發(fā)生變化。

圖4 CD法施工地表沉降

圖5 CD法施工地層豎向位移

2.1.3 地層豎向位移

地層豎向位移隨埋置深度的變化如圖5所示。可以看出：第1、2步左導(dǎo)洞開挖引起的地層變形較小，第3、4步右導(dǎo)洞開挖過(guò)程中拱頂以上土體發(fā)生整體下沉且沉降值均在4 cm以上，占總沉降的52.45%；拱頂以上6 m范圍內(nèi)的地層沉降尤其顯著，平均達(dá)到3.7 cm以上。拱頂沉降始終最大，地表沉降始終最小。在埋深0～12 m的范圍內(nèi)，地層沉降隨埋置深度基本呈線性變化；拱頂以上6 m范圍內(nèi)地層變形隨著深度的增加呈指數(shù)型增大。這與隧道開挖擾動(dòng)后開挖面附近形成塑性區(qū)，而遠(yuǎn)離開挖面一定距離處形成彈性區(qū)有關(guān)。

2.2 CRD法

2.2.1 拱部下沉

拱部累計(jì)下沉值隨施工步的變化如圖6所示。CRD法和CD法的施工工序基本相同，不同點(diǎn)僅在于CRD法中增加了臨時(shí)橫撐，因此CRD法施工拱部整體變形特征與CD法呈現(xiàn)類似的規(guī)律。拱頂和右拱頂下沉值相差不大，左拱頂下沉相對(duì)較小，左、右拱腳下沉值基本相同。由于CRD法施工過(guò)程中每個(gè)分部開挖之后支護(hù)結(jié)構(gòu)立即封閉成環(huán)，減少了圍巖的松弛變形，因此CRD法變形量總體較小。拱頂和拱腳下沉終值分別為71.06 mm和31.11 mm，與CD法相比沉降值減少了16.96%和41.7%。

圖6 CRD法施工拱部累計(jì)下沉量

圖7 CRD法施工地表沉降

2.2.2 地表沉降

地表沉降隨開挖工序的變化規(guī)律與CD法類似，如圖7所示。不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：CRD法施工地表沉降最大值為42.27 mm，相比CD法減小了33.54%；在距中線25 m范圍內(nèi)沉降曲線較陡，沉降顯著，25 m范圍以外沉降曲線較緩，與CD法計(jì)算結(jié)果一致，說(shuō)明地表沉降槽的范圍與開挖方法關(guān)系不大；相比CD法，地表沉降橫向影響范圍有所減小。

2.2.3 地層豎向位移

地層豎向位移隨埋置深度的變化與CD法類似，如圖8所示。第1、2步左側(cè)導(dǎo)坑施工引起的地層變形始終在1.7 cm以內(nèi)，隨著第3步右導(dǎo)坑上臺(tái)階的施工，地層發(fā)生明顯下沉，豎向位移普遍大于3 cm。隨著施工步的增加，地層變形不斷增加。在埋置深度0～14 m范圍內(nèi)，地層變形隨深度的增加線性增大；在距拱頂4 m范圍內(nèi)，地層變形隨深度增加呈指數(shù)型增大。

圖8 CRD法施工地層豎向位移

2.3 計(jì)算結(jié)果比較

CD法和CRD法拱部下沉比較如表3所示。由表3可知，拱部整體下沉均占拱頂下沉的較大比例；與CD法相比，CRD法拱腳下沉減少了12.97 mm，與拱頂下沉減小量12.02 mm相差不大，說(shuō)明CRD法主要是通過(guò)控制拱部整體下沉來(lái)達(dá)到減小拱頂沉降的目的，這與CRD法每個(gè)分部開挖后立即閉合成環(huán)有關(guān)。

表3 CD法與CRD法拱部下沉比較

應(yīng)用變位分配法原理分析各施工階段變形所占的比例，如表4所示。由表4可知，拱頂下沉和地表沉降變形主要集中在上臺(tái)階，其中左上臺(tái)階施工引起的變形占20%左右，右上臺(tái)階施工引起的變形占30%～50%，下臺(tái)階開挖引起的總變形不到20%。

表4 各施工階段變形占總變形的百分比 %

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比

文獻(xiàn)[17]采用非接觸量測(cè)對(duì)CD法施工過(guò)程中拱頂沉降和水平收斂進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)斷面布置如圖9所示，包括拱頂3個(gè)測(cè)點(diǎn)GD1～GD3，SL-1、SL-2分別為左、右拱肩和拱腳處的水平收斂測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)正反兩面布置。

圖9 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置

YK302+041斷面的拱頂沉降和水平收斂時(shí)程曲線如圖10所示。

圖10 YK302+041斷面變形

將數(shù)值計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，如表5所示，可以得出以下規(guī)律。

表5 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

(1)通過(guò)變形時(shí)程曲線分析，導(dǎo)洞開挖后一周內(nèi)變形顯著增加，此后逐漸趨于穩(wěn)定，仰拱封閉后變形基本不再增加。仰拱封閉對(duì)隧道變形起到明顯的控制作用，應(yīng)及早施作仰拱。

(2)唐家塬隧道拱頂沉降最大值不到11 cm，水平收斂最大值不到8 cm，拱頂沉降普遍大于水平收斂，這與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致。

(3)數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試隧道變形規(guī)律相同，但實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)值偏大。這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工無(wú)法實(shí)現(xiàn)開挖后立即支護(hù)，掌子面開挖一段距離后才開始架設(shè)支撐。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)大斷面黃土隧道開挖會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，不同開挖方式對(duì)隧道圍巖變形的影響程度不同。CRD法每個(gè)分部開挖完畢后支護(hù)立即封閉成環(huán)，可以有效減少圍巖松弛變形。

(2)CD法和CRD法開挖引起的拱頂下沉(拱部下沉占整體下沉的比例)分別為83.11 mm(53%)和71.057 mm(43.78%)，CRD法控制沉降效果較好，但是數(shù)值仍然較大。即使采用CRD法開挖大斷面黃土隧道，也應(yīng)注意加強(qiáng)拱頂和地表沉降監(jiān)測(cè)。

(3)數(shù)值計(jì)算表明：CD法和CRD法開挖引起的地層變形急劇增加范圍分別為拱頂以上6 m和4 m，在此范圍內(nèi)，地層豎向位移隨深度增加呈指數(shù)型增大，應(yīng)該對(duì)拱頂以上一定范圍內(nèi)的圍巖采取可靠的加固措施。

(4)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖變形規(guī)律基本一致，變形以豎向?yàn)橹鳎绞諗科毡樾∮诠绊斚鲁?，?shí)測(cè)結(jié)果數(shù)值偏大；針對(duì)唐家塬隧道現(xiàn)場(chǎng)采用CD法施工變形較大的情況，現(xiàn)場(chǎng)將工法變更為CRD法，同時(shí)采取有效的拱腳加固措施，可以滿足要求。