唐 格

(紹興市交通建設(shè)有限公司，浙江紹興 312000)

0 引言

近年來(lái)，隨著公路運(yùn)輸能力的大幅度增加，穿越黃土地區(qū)的大斷面隧道日益增多。大斷面黃土隧道往往具有特殊的濕陷性黃土圍巖和干旱半干旱氣候地區(qū)特殊的地形地貌及地質(zhì)環(huán)境，造成隧道施工周期長(zhǎng)、成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大[1]。同時(shí)由于大斷面黃土隧道的施工在甘肅省內(nèi)尚屬首次，目前國(guó)內(nèi)大斷面黃土隧道的施工也沒(méi)有形成特別成熟的施工技術(shù)，如何克服大斷面黃土隧道開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程中遇到的各種難題，研究并有效應(yīng)用安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的大斷面隧道開(kāi)挖施工新技術(shù)就顯得比較迫切。

1 工程背景

蘭秦快速路忠和至水阜段隧道工程是甘肅省蘭州新區(qū)城市道路網(wǎng)建設(shè)重要組成部分。其中付家窯1#隧道，隧道左線起訖樁號(hào)ZK0+450～ZK1+160，長(zhǎng)710 m；右線起訖樁號(hào)YK0+380～YK1+220，長(zhǎng)822 m，總長(zhǎng)為1 532 m。隧道最大埋深112 m，隧道開(kāi)挖斷面積超過(guò)170 m2，開(kāi)挖寬度和高度分別達(dá)到17 m和13 m。

1.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

隧址區(qū)系黃土山梁丘陵地貌，屬中溫帶大陸性氣候?yàn)楦蕱|黃土山地區(qū)Ⅲ3。其中沖溝中陷穴發(fā)育，隧道線路經(jīng)過(guò)最大高程約為1866 m，山體植被稀少。隧址區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積黃土狀砂質(zhì)粉土()、上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土()及上更新統(tǒng)沖積黃土狀土夾細(xì)砂層()。隧址區(qū)位于祁連中部隆起帶和南祁連冒地槽褶皺帶，未見(jiàn)斷層發(fā)育，總體上表現(xiàn)為區(qū)域性的升降運(yùn)動(dòng)，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

隧址區(qū)主要含水層為細(xì)砂及礫砂層，富水性微弱，補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和地表水體入滲，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，含水層位于隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高以下，隧道洞身段落位于地下水位以上，洞身土體一般呈干燥—稍濕狀態(tài)。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文選取付家窯1#隧道左洞深埋段典型斷面處三車道黃土隧道為研究對(duì)象，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，襯砌類型為T(mén)Vb型，隧道襯砌如圖1。

圖1 隧道襯砌構(gòu)造圖

隧道建筑限界：行車道寬度3×3.75 m，左側(cè)向?qū)挾?.5 m，右側(cè)向?qū)挾?.75 m，檢修道寬度各為0.75 m，左右側(cè)余寬各為0.25 m，建筑限界凈寬為14.0 m，限界高度5 m。人行橫通道凈空2.0 m，凈高2.5 m。

隧道基底處理：黃土隧道全段基底采用旋噴樁，直徑0.6 m，樁長(zhǎng)6 m，間距1.2 m×1.2 m，梅花狀布置。水泥粉(旋)噴樁加固的地基，其復(fù)合地基承載力應(yīng)達(dá)到300 kPa以上。

2 隧道開(kāi)挖方案優(yōu)化

2.1 工法優(yōu)化選擇

根據(jù)隧道最初設(shè)計(jì)方案，施工全過(guò)程將采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。但雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序和臨時(shí)支護(hù)多，分部開(kāi)挖時(shí)施工作業(yè)空間小，不能利用大型機(jī)械設(shè)備，各施工工序之間干擾大，需耗費(fèi)大量時(shí)間和材料用于架設(shè)和拆除臨時(shí)支撐，施工進(jìn)度緩慢(月進(jìn)尺25～30 m)，成本比較高。當(dāng)進(jìn)入隧道深埋段，通過(guò)對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)處理，隧道收斂變形量均能很好地滿足規(guī)范的相關(guān)要求，隧道圍巖基本穩(wěn)定。為加快施工進(jìn)度，通過(guò)多方綜合論證，若在深埋段選用中隔壁法(CD法)進(jìn)行開(kāi)挖，不僅可滿足支護(hù)體系的強(qiáng)度需求，并且在縮短施工工期(月進(jìn)尺可達(dá)70 m以上)、降低資金投入方面相對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法有很大的優(yōu)勢(shì)。

但采用傳統(tǒng)CD法時(shí)，由于隧道斷面大，臨時(shí)支護(hù)的架設(shè)和拆除難度大。又因隧道在側(cè)壁下面，下導(dǎo)坑初期支護(hù)閉合前施做中心排水溝施工，難度和風(fēng)險(xiǎn)均較大，并且各施工工序之間相互干擾明顯，極大地制約了隧道施工進(jìn)度，因此我們根據(jù)隧道后期監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果綜合考慮，優(yōu)化傳統(tǒng)CD法，使其更好的滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

2.2 優(yōu)化后的CD法施工工藝流程

考慮到地形對(duì)隧道開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性有一定的影響，故先開(kāi)挖右導(dǎo)坑以便圍巖形成黃土拱，作為隧道開(kāi)挖早期承受荷載的結(jié)構(gòu)單元[2]。此種工法的工序共分17步(見(jiàn)圖2)：(1)開(kāi)挖右導(dǎo)坑上臺(tái)階；(2)施工右導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)(中隔橋)。根據(jù)圍巖穩(wěn)定性狀況，開(kāi)挖進(jìn)尺為1～4倍的拱架間距(1.2 m左右)；(3)右導(dǎo)坑隧道基底加固；(4)開(kāi)挖左導(dǎo)坑上臺(tái)階。前后兩導(dǎo)坑間距不小于10 m；(5)施工左導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)；(6)左導(dǎo)坑隧道基底加固；(7)開(kāi)挖右導(dǎo)坑下臺(tái)階并預(yù)留核心土體。開(kāi)挖進(jìn)尺開(kāi)挖間距3 m，左導(dǎo)坑上臺(tái)階與右導(dǎo)坑下臺(tái)階之間的距離為8～10 m；(8)施工右導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)；(9)回填右導(dǎo)坑下臺(tái)階并反壓。為有效抑制收斂，回填高度不小于仰拱頂面高程；(10)開(kāi)挖左導(dǎo)坑下臺(tái)階并預(yù)留核心土體；(11)施工左導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)；(12)回填左導(dǎo)坑下臺(tái)階并反壓；(13)拆除臨時(shí)支護(hù)；(14)開(kāi)挖預(yù)留核心土體并全幅開(kāi)挖中心排水溝和仰拱。開(kāi)挖間距6 m，臨時(shí)支撐及中巖柱與仰拱距離為8 m，仰拱開(kāi)挖距左導(dǎo)坑下臺(tái)階不大于6 m；(15)施工中心排水溝及閉合初期支護(hù)；(16)施工底部二襯、仰拱及填充；(17)模筑二襯。二襯與仰拱的距離不大于20 m。

圖2 施工開(kāi)挖工序圖

由施工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，工藝流程循環(huán)周期為10 h，每天2.4個(gè)循環(huán)，每月按30 d計(jì)，可完成72個(gè)循環(huán)，減去機(jī)械故障、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等因素影響，實(shí)際完成65到70個(gè)循環(huán)，最大月進(jìn)度85 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及數(shù)據(jù)分析

掌握隧道圍巖的變形規(guī)律，特別是圍巖隨時(shí)間的變形，確定二次襯砌合理施作時(shí)機(jī)，為設(shè)計(jì)、施工提供參考和依據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是一種直觀而有效的手段[3]。深埋黃土隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目有：隧道拱頂沉降、周邊位移收斂[4]。對(duì)獲得的拱頂沉降、周邊位移收斂數(shù)據(jù)，采用大型數(shù)學(xué)軟件MATLAB應(yīng)用程序中的工具箱對(duì)其進(jìn)行擬合整理分析。以決定系數(shù)、殘差分析、均方根誤差等回歸診斷指標(biāo)來(lái)度量數(shù)學(xué)模型的有效性。

為減小施工作業(yè)干擾，消除人為因素對(duì)量測(cè)精度的影響，提高數(shù)據(jù)效率采集，拱頂沉降及周邊位移收斂采用非接觸量測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量[5]。沿隧道軸線每隔10 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(見(jiàn)圖3)，A為拱頂沉降測(cè)點(diǎn)，B—F分別為拱腳、邊墻收斂測(cè)。這些基準(zhǔn)點(diǎn)采用反射片膜粘貼在預(yù)埋件上進(jìn)行觀測(cè)。

圖3 沉降及收斂觀測(cè)點(diǎn)布置圖

選取付家窯1#隧道左洞深埋段典型斷面ZK0+620的拱頂沉降及周邊位移收斂變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為代表進(jìn)行回歸分析。

隧道開(kāi)挖拱頂沉降監(jiān)控量測(cè)常用到的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方程為Y=alnX+b，其中Y為位移，X為時(shí)間[6]。對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行回歸分析計(jì)算得出ZK0+620斷面的回歸方程為Y=15.88ln(X+1)-3.941，決定系數(shù)R2為0.902 3，殘差均落在-1～1之間，均方差誤差為4.597，說(shuō)明可較好反映其變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)。

從上圖得出，回歸擬合曲線方程d2y/dx2＜0，變形速率不斷下降，30 d拱頂沉降累計(jì)值為48 mm，收斂率為90.6%＞80%，變形速率為0.14 mm/d＜0.2 mm/d，說(shuō)明ZK0+620斷面趨于收斂。由此得出拱頂最終沉降量：Umax=56 mm。

圖4 ZK0+620斷面拱頂沉降及回歸擬合曲線

對(duì)周邊位移收斂各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采用和拱頂沉降相同的處理方式，得出收斂趨于穩(wěn)定前，其變化曲線經(jīng)歷了兩個(gè)階段：前7 d為快速增長(zhǎng)階段，平均速率約為0.35 mm/d，最大速率達(dá)到了0.71 mm/d；接著是幾天的緩增-趨穩(wěn)階段，平均速率約為0.13 mm/d；最后趨于穩(wěn)定，時(shí)間約為36 d。綜上所述，隧道圍巖在35 d左右趨于穩(wěn)定，應(yīng)該及時(shí)施作二次襯砌。

4 數(shù)值模擬分析

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，掌子面附近的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的平面問(wèn)題，而是一個(gè)三維空間問(wèn)題[7]。本文采用MIDAS/GTS有限元分析軟件模擬深埋超大斷面黃土隧道開(kāi)挖過(guò)程，計(jì)算和分析隧道開(kāi)挖和支護(hù)后的位移場(chǎng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)施工方案。

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

運(yùn)用MIDAS/GTS中TGM模塊(地形生成器)，按照實(shí)際地形等高線生成實(shí)際自由地表面，建立三維模型進(jìn)行模擬。考慮到計(jì)算邊界范圍的大小對(duì)于計(jì)算結(jié)果有一定的影響，開(kāi)挖只在洞周一定范圍內(nèi)引起應(yīng)力重分布。依據(jù)工程的具體要求和有限元法的離散誤差以及計(jì)算誤差，一般選取的計(jì)算范圍沿洞徑各個(gè)方向均不小于3～5倍洞徑[8]。根據(jù)以上分析，采用的計(jì)算模型尺寸為：長(zhǎng)42 m×寬150 m×高150 m。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[9]和地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合部分室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并參閱以往類比工程分析經(jīng)驗(yàn)，確定模型各級(jí)圍巖物理力學(xué)參數(shù)和隧道支護(hù)參數(shù)。對(duì)于初支和臨時(shí)支撐的參數(shù)，將鋼拱架彈性模量折算到噴射混凝土里，其計(jì)算方法為：

表1 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

在軟件中采用Drucker—Prager準(zhǔn)則作為圍巖塑性區(qū)的判定，支護(hù)結(jié)構(gòu)按彈性模型計(jì)算。拱架鎖腳錨桿采用植入式桁架進(jìn)行模擬，初支和臨時(shí)支護(hù)利用析取的方法生成，隧道結(jié)構(gòu)周邊圍巖采用劃分細(xì)密單元以提高計(jì)算精度?？紤]樁--土接觸的復(fù)合地基數(shù)值分析模型，在旋噴樁樁體與周邊土體之間設(shè)置接觸面單元。數(shù)值模擬三維幾何模型如圖5。

圖5 數(shù)值模擬三維幾何模型

4.2 圍巖變形特征分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)斷面ZK0+620監(jiān)控量測(cè)拱頂沉降、周邊位移收斂實(shí)際觀測(cè)點(diǎn)，在三維模型相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處選取計(jì)算點(diǎn)，得出圍巖位移收斂數(shù)值模擬時(shí)程曲線如圖6。由圖可知，拱頂?shù)某两抵底畲?，?yīng)為圍巖周邊收斂分析的重點(diǎn)。拱頂沉降值在導(dǎo)坑開(kāi)挖時(shí)變化率都有激烈地變化，但隨著支護(hù)的完成收斂值迅速的變小，在臨時(shí)支撐拆除時(shí)變化率達(dá)到最大，隨著監(jiān)測(cè)斷面及附近的初支(10 m左右)成環(huán)，收斂值再次趨于穩(wěn)定。核心土體頂部在上導(dǎo)坑開(kāi)挖前隨拱底有少許的隆起，但下導(dǎo)坑開(kāi)挖后又迅速的下沉。對(duì)比左右拱腰收斂值可以看出，開(kāi)挖工序?qū)鷰r的穩(wěn)定影響顯著，和上述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)分析后得出，隧道在采用優(yōu)化施工方案開(kāi)挖和支護(hù)后洞體整體穩(wěn)定。

圖6 圍巖位移收斂數(shù)值模擬時(shí)程曲線

5 結(jié)論

(1)超大斷面黃土隧道采用優(yōu)化后的CD法，開(kāi)挖過(guò)程中圍巖整體基本穩(wěn)定，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值模擬分析顯示，初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)變形較小，支護(hù)后巖體也能較快穩(wěn)定。優(yōu)化CD法克服了以往傳統(tǒng)大斷面黃土隧道開(kāi)挖方法施工組織復(fù)雜，施工速度緩慢的缺點(diǎn)，隧道施工速度明顯加快，單月最快進(jìn)度達(dá)85 m，施工成本降低，具有廣泛的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景，為今后國(guó)內(nèi)同類大斷面黃土隧道施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

(2)利用留核心土體替代下導(dǎo)坑臨時(shí)支護(hù)，克服了傳統(tǒng)CD法中大斷面隧道臨時(shí)支護(hù)過(guò)長(zhǎng)，容易失穩(wěn)的缺點(diǎn)。在支護(hù)的過(guò)程中，核心土體受力和變形能夠滿足施工要求，且能和回填土一起較好地減小拱底隆起和初期支護(hù)的收斂變形，減少預(yù)留變形量，改善初期支護(hù)和圍巖的受力特征。

(3)通過(guò)有限元模擬各施工工序，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征，可得優(yōu)化CD法安全可靠、技術(shù)可行。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)嚴(yán)格控制上導(dǎo)坑開(kāi)挖的進(jìn)尺，充分利用黃土拱原理，加強(qiáng)上部支護(hù)，特別是拱頂鋼拱架結(jié)合部連接的質(zhì)量控制。在各工序不相互影響，隧道穩(wěn)定的情況下應(yīng)該使初支盡早閉合。