涂 健

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引 言

截至20世紀(jì)90年代中期，中國(guó)在運(yùn)營(yíng)的隧道總數(shù)為4 855座，線路總長(zhǎng)度約為2 260 km[1]。這些隧道中，多數(shù)以上存在各種各樣的質(zhì)量問(wèn)題，例如：變形過(guò)大致使凈空超標(biāo)的占52.4%，嚴(yán)重漏水的占29.4%，襯砌損壞的占18.3%，通風(fēng)照明不良的占19.1%。隨著近年來(lái)中國(guó)隧道工程技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)理論的完善，大量的高難度隧道如雨后春筍般涌現(xiàn)，如特長(zhǎng)隧道、大斷面隧道、凍土和高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)條件隧道、水下隧道。

最新的不完全統(tǒng)計(jì)資料表明，到2015年底，中國(guó)大陸在運(yùn)營(yíng)的公路和鐵路隧道總數(shù)為25 000余座，總長(zhǎng)度約為18 544.4 km[2-3]。目前中國(guó)在隧道數(shù)量、運(yùn)營(yíng)總里程上已經(jīng)處于世界前列。在中國(guó)的發(fā)達(dá)城市，如北京、上海和廣州等城市地鐵及城鐵建設(shè)相當(dāng)健全，且目前建設(shè)中或規(guī)劃擬建城市軌道交通的城市有20余個(gè)。新奧法是先進(jìn)的隧道施工方法，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐、總結(jié)和改進(jìn)，新奧法已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，而且針對(duì)中國(guó)特殊地質(zhì)也有了專門(mén)的施工方法，并在多個(gè)大的公路隧道項(xiàng)目工程中得以應(yīng)用，如二郎山隧道、西山坪隧道等[4-6]。但是，在成功的背后，仍有許多需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，比如：整體而言仍屬于粗放型；施工的總體水平較低，施工機(jī)械的自主研發(fā)能力不足，多數(shù)仍依賴于國(guó)外進(jìn)口；且施工機(jī)械化程度低，施工人員所處工作環(huán)境較差[7]。

隧道開(kāi)挖，尤其是大斷面隧道開(kāi)挖中，施工穩(wěn)定性對(duì)于隧道整個(gè)建設(shè)和使用階段具有重要的意義，本文主要以某隧道為研究對(duì)象，通過(guò)利用大型有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，并重點(diǎn)對(duì)隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的地表沉降和圍巖塑性區(qū)進(jìn)行分析，以期為類似隧道建設(shè)提供參考和借鑒。

1 大斷面隧道開(kāi)挖方法

1.1 全斷面法

全斷面開(kāi)挖方法是一種常見(jiàn)的大斷面隧道開(kāi)挖方法，它適合于圍巖強(qiáng)度高的隧道施工。施工步驟是，在掌子面上一次成孔，進(jìn)行一次爆破，最后進(jìn)行一次支護(hù)到位。該種施工方法較為簡(jiǎn)單，在施工過(guò)程中常用到多功能臺(tái)架以及移動(dòng)式鉆孔臺(tái)車等。全斷面開(kāi)挖速度快，施工效率高，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，例如：相較于其他方法，全斷面法施工后圍巖變形更大，塑性區(qū)范圍廣，尤其在隧道的拱肩和拱腳部位，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較普遍，因此在施工過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件謹(jǐn)慎使用[8]。

1.2 臺(tái)階法

臺(tái)階法施工一般指將掌子面分成不小于2個(gè)部分并進(jìn)行分步開(kāi)挖，一般來(lái)說(shuō)該方法包括正臺(tái)階法以及中隔墻臺(tái)階法等。在使用臺(tái)階法開(kāi)挖以前，要綜合考慮圍巖性質(zhì)及力學(xué)指標(biāo)，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)合理選用。通常情況下臺(tái)階法適用于Ⅰ～Ⅳ級(jí)硬巖地層和Ⅱ～Ⅲ級(jí)軟巖地層洞口段、偏壓段、淺埋段，Ⅲ～Ⅳ級(jí)硬巖地層和Ⅲ 、Ⅳ級(jí)軟巖地層。此外，仍應(yīng)按照隧道具體情況采取管棚法、超前錨桿法以及超前預(yù)注漿等進(jìn)行輔助加固[9]。

1.3 單側(cè)壁導(dǎo)坑法

單側(cè)壁導(dǎo)坑法一般是指先在隧道斷面的一側(cè)開(kāi)挖一個(gè)導(dǎo)坑，并且保持該導(dǎo)坑始終超前，之后再開(kāi)挖其他部分隧道巖體。為了防止施工時(shí)產(chǎn)生破壞，即穩(wěn)定工作面，應(yīng)該按照隧道具體情況采取超前管棚法、超前錨桿法以及超前預(yù)注漿等技術(shù)手段進(jìn)行輔助加固，并且單側(cè)壁導(dǎo)坑超前的距離一般不小于2倍洞徑。超前導(dǎo)坑開(kāi)挖通常采用人工開(kāi)挖、機(jī)械和人工配合開(kāi)挖及出渣[10-11]。其余斷面的隧道開(kāi)挖，可適當(dāng)通過(guò)控制爆破的方法來(lái)完成，但要避免破壞已完成的導(dǎo)坑及其支護(hù)。

2 工程概況

本文研究的隧道施工區(qū)主要地層為第四系坡殘積層、震旦系上統(tǒng)陡山沱組地層、震旦系上統(tǒng)南沱組地層、震旦系下統(tǒng)澄江組地層。隧道區(qū)海拔高程介于1 754.0～2 109.54 m之間，相對(duì)高差為355.45 m，屬構(gòu)造侵蝕中山地貌區(qū)。隧道進(jìn)口位于甸基壩水庫(kù)東側(cè)約100 m，交通條件較為便利；出口位于玉屏村南東側(cè)約2.2 km處，交通條件差。地質(zhì)調(diào)查顯示：隧道區(qū) K112+760 附近發(fā)育一斷層，該斷層性質(zhì)不明，與路線近乎垂直相交，巖體較破碎，對(duì)隧道圍巖有一定影響；未見(jiàn)有泥石流、滑坡、崩塌等不良地質(zhì)作用發(fā)育。

該隧道為雙向六車道分離式特長(zhǎng)隧道，左洞起止樁號(hào)為ZK110+265～ZK114+750，長(zhǎng)度為4 485 m，右洞起止樁號(hào)為K110+275.04～K114+655，長(zhǎng)4 379.96 m，設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別有Ⅲ～Ⅴ級(jí)。本文以YK110+472斷面為例，采用全斷面開(kāi)挖，隧道斷面尺寸如圖1所示，巖體的物理辦學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 巖體的物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 隧道斷面尺寸

3 建立數(shù)值模型及參數(shù)選取

圖2 數(shù)值模型

建立隧道模型一般要考慮開(kāi)挖影響范圍，本工程隧道斷面最長(zhǎng)為17.5 m，高度最高為13.8 m，而一般地下工程的影響范圍為3～5倍洞室內(nèi)徑，如圖2所示。建立模型時(shí)X軸取80 m，Y軸沿隧道軸線方向取50 m，Z軸取至地表距隧道截面中心60 m處，豎直向下(Z軸)取至距隧道截面中心40 m處，除上邊界外，模型其他邊界均設(shè)有法向約束。除上邊界外其他三個(gè)邊界進(jìn)行位移約束。

模型尺寸為100 m×80 m×50 m，起始段為YK110+470，沿著Y軸方向開(kāi)挖。其中YK110+470～YK110+474段采用錨桿加注漿小導(dǎo)管梅花型布置支護(hù)，YK110+474～YK110+494段采用錨桿支護(hù)，全段采用SF5c型襯砌。噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)如表2所示。鋼筋網(wǎng)和工字鋼支撐折合到襯砌上面。該模擬共進(jìn)行多次循環(huán)開(kāi)挖。

表2 噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 地表沉降變形分析

圖3 開(kāi)挖隧道地表沉降

隧道開(kāi)挖以后，由于圍巖應(yīng)力釋放以及開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程之間存在間隙，隧道上伏地表沉降在所難免；再者，隧道地表沉降大小對(duì)于評(píng)價(jià)隧道安全與否也是一個(gè)非常重要的參數(shù)。如圖3所示，通過(guò)FLAC3D數(shù)值分析軟件對(duì)地表的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在以隧道正上方向兩邊沿X軸擴(kuò)散，每隔3.75 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共監(jiān)測(cè)到17個(gè)數(shù)據(jù)。由圖3可知，隧道正上方沉降最大，最大值為15.2 cm，向兩側(cè)沉降逐漸減小，在±10 m的位置，沉降值為8.3 cm，在±30 m位置，沉降減小到1.8 cm。地表沉降基本沿隧道中心左右對(duì)稱，且呈現(xiàn)出拋物線形狀。綜合評(píng)判來(lái)說(shuō)，地表沉降最大值為15.2 cm，已經(jīng)會(huì)影響隧道的安全和正常使用，應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)隧道拱頂圍巖支護(hù)，盡可能降低拱頂沉降，充分發(fā)揮錨桿襯砌支護(hù)體系的支護(hù)作用，最大程度地抑制隧道變形，保證其正常使用。

圖4 開(kāi)挖圍巖塑性區(qū)變化云圖

4.2 隧道圍巖塑性區(qū)分析

圍巖塑性區(qū)是判斷隧道安全與否的又一重要因素。圖4為隧道開(kāi)挖支護(hù)以后圍巖塑性區(qū)云圖，模擬進(jìn)行多個(gè)循環(huán)開(kāi)挖支護(hù)，每次開(kāi)挖進(jìn)尺為1.2 m。由于篇幅有限且隧道具有對(duì)稱性，本文只給出未開(kāi)挖以及第1、5、8次循環(huán)開(kāi)挖右半幅隧道圍巖塑性區(qū)的變化進(jìn)行分析。

如圖4所示，沿隧道中心取模型右側(cè)進(jìn)行圍巖塑性區(qū)分析，由圖4(a)～(d)可以看到，在隧道未開(kāi)挖之前，不存在塑性區(qū)，這與實(shí)際情況相符。在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)剪拉屈服。初次開(kāi)挖時(shí)隧道外環(huán)周圍出現(xiàn)小范圍剪拉，隨著與掌子面距離增大，塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，且擴(kuò)大位置主要發(fā)生在拱肩和拱腳部位。從塑性區(qū)分布可以看到，拱頂和拱底主要為剪拉屈服，其他部位主要為剪切屈服。綜上所述，可以重點(diǎn)防護(hù)拱肩和拱腳位置，加強(qiáng)支護(hù)，防止危害產(chǎn)生。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要介紹大斷面隧道開(kāi)挖方法，包括全斷面法、臺(tái)階法以及側(cè)壁導(dǎo)坑法等，并以某大斷面隧道開(kāi)挖支護(hù)為例，通過(guò)分析隧道地表沉降和塑性區(qū)來(lái)判斷隧道的穩(wěn)定性，并得到以下結(jié)論。

(1)隧道開(kāi)挖支護(hù)后正上方沉降最大，最大值為15.2 cm，向兩側(cè)沉降逐漸減小，在±10 m的位置，沉降值為8.3 cm，在±30 m的位置，沉降減小到1.8 cm。地表沉降基本沿隧道中心左右對(duì)稱，且呈現(xiàn)出拋物線形狀。從地表最大沉降量可知，沉降已經(jīng)影響隧道的穩(wěn)定，應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)隧道拱頂圍巖支護(hù)。

(2)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)剪拉屈服，初次開(kāi)挖時(shí)隧道外環(huán)周圍出現(xiàn)小范圍剪拉，隨著與掌子面距離增大，塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，且擴(kuò)大位置主要發(fā)生在拱肩和拱腳部位。從塑性區(qū)分布可以看到，拱頂和拱底主要為剪拉屈服，其他部位主要為剪切屈服。綜上所述，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱頂、拱肩和拱腳位置，加強(qiáng)支護(hù)，防止危害產(chǎn)生。