鄒永艷，胡 達(dá)

(1.中南勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430064；2.中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100089)

大斷面隧道扁平率小、開(kāi)挖跨度大、施工分部多、施工擾動(dòng)頻繁、圍巖易失穩(wěn)，施工難度大。特別在不良地質(zhì)地段，合理選擇施工方法對(duì)大斷面隧道在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性具有重要作用。目前，中國(guó)學(xué)者和設(shè)計(jì)人員對(duì)大斷面隧道進(jìn)行了大量研究。史繼堯等[1]對(duì)仰拱步距和臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)軟巖大斷面隧道穩(wěn)定性影響進(jìn)行了分析，揭示了仰拱步距和臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)初期支護(hù)變形的影響規(guī)律；袁矯等[2]對(duì)大斷面隧道穿越接觸帶施工穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，分析了隧道跨度和隧道與接觸帶豎向距離變化對(duì)隧道穩(wěn)定性影響；洪軍等[3]對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層特大斷面隧道施工過(guò)程受力進(jìn)行數(shù)值分析，研究初期支護(hù)的受力隨施工過(guò)程的變化規(guī)律；熊祖釗等[4]對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖大斷面隧道爆破開(kāi)挖技術(shù)進(jìn)行了研究，合理優(yōu)化了大斷面隧道爆破開(kāi)挖參數(shù)；伍超等[5]通過(guò)大斷面公路隧道二次襯砌受力特性模型試驗(yàn)，研究了大斷面公路隧道運(yùn)營(yíng)期二次襯砌受力特征。

三車(chē)道公路隧道屬于大斷面隧道，設(shè)計(jì)上三車(chē)道公路隧道Ⅴ級(jí)圍巖地段常采用的施工方法有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁法(CRD)和中隔壁法(CD)，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[6-7]。上述施工方法可以較好地控制圍巖變形、通過(guò)臨時(shí)支護(hù)，及時(shí)閉合成環(huán)，但由于施工面狹小，限制了大型機(jī)械的使用，工效低、進(jìn)度緩慢；臨時(shí)支護(hù)多，成本投入大，臨時(shí)支護(hù)拆除存在受力轉(zhuǎn)換，操作不當(dāng)易引起初期支護(hù)大變形，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于長(zhǎng)大隧道，由于洞身Ⅴ級(jí)圍巖交錯(cuò)分布，上述施工方法與臺(tái)階法過(guò)渡地段施工工序轉(zhuǎn)換頻繁，造成施工組織困難，嚴(yán)重制約了工程施工進(jìn)度。

目前，Ⅴ級(jí)圍巖深埋地段三車(chē)道公路隧道采用三臺(tái)階七部法施工成功案例較多[8]，并積累了一定經(jīng)驗(yàn)，而用于洞口淺埋段施工案例較少，缺少經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)[9]要求山嶺隧道復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)可采用工程類(lèi)比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，必要時(shí)可通過(guò)理論分析進(jìn)行驗(yàn)算。判斷一種施工工法是否可行，一是要保證隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定，二是要保證各步序開(kāi)挖后隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。因此，有必要結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)數(shù)值分析與施工監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得數(shù)值計(jì)算可靠性，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，確保施工安全和支護(hù)安全。

結(jié)合道吾山特長(zhǎng)隧道洞口Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段三臺(tái)階七部法施工實(shí)踐，并采用MIDAS GTS NX有限元分析軟件進(jìn)行三維開(kāi)挖分析，根據(jù)指定斷面特征點(diǎn)圍巖變形收斂、支護(hù)結(jié)構(gòu)抗力隨開(kāi)挖進(jìn)程的變化規(guī)律，對(duì)施工過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行判斷，進(jìn)而指導(dǎo)隧道施工。

1 工程概況

建設(shè)中的道吾山隧道為湖南省瀏陽(yáng)市瀏陽(yáng)金陽(yáng)大道三期項(xiàng)目中一座上、下行分離的六車(chē)道一級(jí)公路分離式特長(zhǎng)隧道，隧道建筑限界14×5 m,進(jìn)口位于瀏陽(yáng)市集里鎮(zhèn)，出口位于瀏陽(yáng)市蕉溪鄉(xiāng)。隧道左洞起訖里程樁號(hào)為ZK1+390～ZK6+052，長(zhǎng)4 662 m，最大埋深約601 m；隧道右洞起訖里程樁號(hào)為YK1+390～YK6+056，長(zhǎng)4 666 m，最大埋深611 m。隧道內(nèi)輪廓斷面如圖1所示。

道吾山隧道位于焦溪至道吾山隆起帶，構(gòu)造行跡以北東向?yàn)橹?，山體走向受構(gòu)造和巖性控制十分明顯，地形起伏較大，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不明顯，局部表現(xiàn)為北東向斷裂，以差異抬升為主。隧道區(qū)斷層構(gòu)造較發(fā)育，主要為北東向斷層，發(fā)育有 F10、F21、F39、F40、F20、F51、F16、F53斷層。

圖1 道吾山隧道凈空斷面

隧道進(jìn)口段、洞身為強(qiáng)-微風(fēng)化砂質(zhì)板巖，出口段上覆厚層碎石土，下為全風(fēng)化花崗巖-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖。受斷裂破碎帶影響，隧道左洞Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)1 102 m，占隧道長(zhǎng)度比23.63%；右洞Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)1 136 m，占隧道長(zhǎng)度比24.34%。設(shè)計(jì)針對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖不同埋深，設(shè)置了3種復(fù)合式襯砌及對(duì)應(yīng)施工方法，如表1所示。

2018年10月15日，出口左洞由原設(shè)計(jì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法通過(guò)CD法過(guò)渡到掌子面里程ZK6+007、距離左洞出口明暗交界處31 m時(shí)，掌子面為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖，深褐色，層理結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)破碎，自穩(wěn)能力較差，掌子面較濕潤(rùn)，無(wú)滲水，變更采用三臺(tái)階七部法進(jìn)行施工。現(xiàn)場(chǎng)施工如圖2所示。

表1 隧道Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)

圖2 隧道現(xiàn)場(chǎng)施工

2 三臺(tái)階七部法施工工序

三臺(tái)階七部法具有施工空間大，方便機(jī)械化施工，縱向多作業(yè)面可平行施工，在軟巖及土質(zhì)地段可以采用挖掘機(jī)直接開(kāi)挖，工效較高，遇地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，便于靈活、及時(shí)地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整隧道施工方法。在隧道掌子面能自穩(wěn)的情況下，三車(chē)道公路隧道采用三臺(tái)階七部法開(kāi)挖可有效保證工程進(jìn)度和施工安全。三臺(tái)階七部法施工工序如圖3所示。

施工主要工序如下：①環(huán)形開(kāi)挖上臺(tái)階1部，施作初期支護(hù)，開(kāi)挖核心土6部；②交錯(cuò)開(kāi)挖中臺(tái)階2、3部，施作初期支護(hù)，開(kāi)挖核心土6部；③交錯(cuò)開(kāi)挖下臺(tái)階4、5部，施作初期支護(hù)，開(kāi)挖核心土6部；④開(kāi)挖7部、及時(shí)封閉初期支護(hù)；⑤施作仰拱及仰拱回填；⑥隧道變形趨于穩(wěn)定后，施作二次襯砌。

3 施工過(guò)程數(shù)值模擬分析

由于掌子面ZK6+007處隧道埋深17.46 m，屬于洞口淺埋段，埋深隨地形起伏變化，隧道全部處于強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖層。采用平面應(yīng)變分析無(wú)法判斷隧道位移隨時(shí)間的變化、變形是否收斂，從而無(wú)法判斷隧道在開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性。Ⅴ級(jí)圍巖地段三臺(tái)階七部法施工進(jìn)度一般為一個(gè)循環(huán)/天，每循環(huán)進(jìn)尺1 m，采用三維數(shù)值仿真模擬施工進(jìn)程，可以間接反映施工監(jiān)控量測(cè)隨時(shí)間變化，根據(jù)指定斷面拱頂下沉、凈空收斂，初期支護(hù)內(nèi)力情況，對(duì)圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行判斷，以指導(dǎo)施工和確保施工安全。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

隧道開(kāi)挖寬度16.85 m、開(kāi)挖高度11.965 m，計(jì)算范圍橫向?qū)?20 m，下至仰拱底50 m，上至地表，縱向長(zhǎng)度取35 m(ZK6+007～ZK5+972)，埋深隨地形起伏變化，埋深為17.5～36.76 m。邊界約束為前、后、左、右邊界施加相應(yīng)的水平約束，下邊界施加豎向約束，上邊界為自由面。

考慮二次襯砌需滯后初期支護(hù)一段距離后施工，數(shù)值模擬只進(jìn)行隧道開(kāi)挖、初期支護(hù)模擬。噴射混凝土采用彈性材料、板單元，錨桿采用彈性材料、植入式桁架單元。工字鋼不參與計(jì)算，承受初期支護(hù)全部彎矩，超前支護(hù)作為隧道安全儲(chǔ)備，不參與計(jì)算。

根據(jù)詳勘成果，計(jì)算范圍圍巖分三層，分別為碎石土、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖、中風(fēng)化砂質(zhì)板巖，各層巖土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。圍巖和結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)如表2所示。

數(shù)值模擬開(kāi)挖工序按圖3進(jìn)行，各開(kāi)挖進(jìn)尺不大于2倍鋼拱架間距，每循環(huán)進(jìn)尺1 m，模擬段落為ZK6+007～ZK5+972，縱向長(zhǎng)35 m，共分49步進(jìn)行開(kāi)挖、初期支護(hù)完成。隧道三維網(wǎng)格模型如圖4、圖5 所示。

表2 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

圖5 隧道模型網(wǎng)格

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)隧道施工步驟，對(duì)隧道拱頂下沉、凈空收斂，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力按施工步序進(jìn)行提取計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行相應(yīng)的理論分析，判斷隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

3.2.1 拱頂沉降分析

提取ZK6+007拱頂Z方向位移進(jìn)行分析，扣除自重應(yīng)力初始位移，計(jì)算結(jié)果表明，在仰拱初期支護(hù)封閉之前，隧道拱頂下沉經(jīng)歷三個(gè)階段:①急劇變化，仰拱初期支護(hù)封閉之前，第S1步～第S14步，拱頂下沉變化較快，拱頂累計(jì)下沉-4.87 mm，占變形穩(wěn)定位移75.1%；②緩慢變化，仰拱初期支護(hù)封閉后，第S15步～第S35步，ZK6+007距離上臺(tái)階掌子面最小距離15 m后，拱頂下沉變化緩慢，拱頂累計(jì)下沉-6.46 mm，占變形穩(wěn)定位移99.6%；③基本穩(wěn)定，ZK6+007距離上臺(tái)階掌子面最小距離35 m后，拱頂累計(jì)下沉-6.46 mm，占變形穩(wěn)定位移99.8%。隧道第15步拱頂下沉云圖如圖6所示，拱頂下沉沿隧道施工步分布曲線如圖7所示。

圖7 拱頂下沉沿隧道施工步分布曲線

3.2.2 凈空收斂分析

提取ZK6+007中臺(tái)階底兩側(cè)X方向水平位移進(jìn)行分析，扣除自重應(yīng)力初始位移，計(jì)算結(jié)果表明，在下臺(tái)階交錯(cuò)開(kāi)挖過(guò)程中，中臺(tái)階底水平位移急劇變化，下臺(tái)階落底后，水平位移趨緩，仰拱初期支護(hù)封閉后(第S15步)，變形基本穩(wěn)定，左側(cè)累計(jì)水平位移3.28 mm，右側(cè)累計(jì)水平位移-3.35 mm，水平累計(jì)收斂位移-6.63 mm，占變形穩(wěn)定收斂位移99.4%。隧道第15步水平位移如圖8所示,水平收斂沿隧道施工步分布曲線如圖9所示。

圖8 第S15步水平收斂云圖

圖9 水平收斂沿隧道施工步分布曲線

3.2.3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

提取ZK6+007拱頂初期支護(hù)彎矩進(jìn)行分析，隧道剛開(kāi)挖后，開(kāi)挖面處于三向應(yīng)力狀態(tài)，初期支護(hù)承受的彎矩較小，縱向MXX方向彎矩隨開(kāi)挖進(jìn)行增加不大，在第S35步，距離上臺(tái)階掌子面35 m后，拱頂初期支護(hù)MXX方向彎矩受力穩(wěn)定；橫向MYY方向彎矩隨開(kāi)挖變化大，受力經(jīng)歷三個(gè)階段:①急劇變化，上臺(tái)階開(kāi)挖～中臺(tái)階一側(cè)開(kāi)挖，第S2～S6步，由于上臺(tái)階開(kāi)挖矢跨比小，中臺(tái)階交錯(cuò)開(kāi)挖對(duì)上臺(tái)階初期支護(hù)受力影響大，施工時(shí)應(yīng)控制中臺(tái)階交錯(cuò)開(kāi)挖長(zhǎng)度；②緩慢變化，中臺(tái)階核心土開(kāi)挖～下臺(tái)階交錯(cuò)開(kāi)挖、下臺(tái)階核心土開(kāi)挖～仰拱開(kāi)挖、支護(hù)，第S7～S15步，由于中臺(tái)階開(kāi)挖矢跨比較大，控制好下臺(tái)階交錯(cuò)開(kāi)挖、落底長(zhǎng)度有利于結(jié)構(gòu)受力；③基本穩(wěn)定，初期支護(hù)封閉成環(huán)后，在第23步，ZK6+007距離上臺(tái)階掌子面距離23 m，受力基本穩(wěn)定。隧道MXX方向彎矩與MYY方向彎矩比為7%，隧道受力主要為平面應(yīng)力狀態(tài)。隧道第15步MYY方向彎矩如圖10所示，彎矩沿隧道施工步分布曲線如圖11所示。

圖10 第S15步MYY方向彎矩

圖11 彎矩沿隧道施工步分布曲線

3.2.4 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

通過(guò)提取ZK6+007斷面拱頂、右側(cè)上臺(tái)階底、左側(cè)中臺(tái)階底、右側(cè)中臺(tái)階底單元各施工步軸力、彎矩進(jìn)行驗(yàn)算。下面主要對(duì)初期支護(hù)鋼拱架拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。鋼拱架與噴射混凝土共同承擔(dān)軸力，彎矩全部由鋼拱架承擔(dān)。通過(guò)計(jì)算，各施工步特征部位鋼拱架受拉安全系數(shù)Kg均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)細(xì)則[10]規(guī)定Kg≥2要求。各施工步鋼拱架受拉強(qiáng)度安全系數(shù)Kg如圖12所示。

圖12 鋼拱架安全系數(shù)隧道施工步分布曲線

4 實(shí)際應(yīng)用效果

由于山嶺隧道Ⅴ級(jí)圍巖地段設(shè)計(jì)均考慮了一定的預(yù)留變形量，在變形允許范圍內(nèi)，隧道變形趨勢(shì)比具體變形數(shù)值更為重要。左洞由ZK6+007開(kāi)始采用三臺(tái)階七部法開(kāi)挖以來(lái)，通過(guò)對(duì)比ZK6+007監(jiān)控量測(cè)資料表明，實(shí)測(cè)隧道拱頂下沉位移累計(jì)達(dá)-22.01 mm，變形基本穩(wěn)定，歷時(shí)33 d；凈空收斂達(dá)-18.11 mm，變形基本穩(wěn)定，歷時(shí)20 d，監(jiān)控量測(cè)變形曲線與計(jì)算變形曲線趨勢(shì)基本一致，施工過(guò)程中圍巖穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)道吾山隧道洞口Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段三臺(tái)階七部法進(jìn)行數(shù)值模擬研究及施工監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，結(jié)合山嶺隧道特點(diǎn)，得出以下結(jié)論。

(1)在掌子面能自穩(wěn)情況下，對(duì)于三車(chē)道公路隧道，在強(qiáng)風(fēng)化圍巖淺埋地段采用三臺(tái)階七部法施工可以保證圍巖穩(wěn)定和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

(2)隧道變形在距離掌子面2倍左右開(kāi)挖洞跨后，變形基本穩(wěn)定。

(3)數(shù)值計(jì)算位移與施工監(jiān)控量測(cè)存在一定誤差，但變形趨勢(shì)一致，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺、臺(tái)階長(zhǎng)度，軟弱圍巖地段，各臺(tái)階底部應(yīng)做好鎖腳工作，避免開(kāi)挖過(guò)程中變形突變，影響圍巖穩(wěn)定。