楊志強(qiáng)

(北京建工集團(tuán)有限公司，北京市 100000)

目前國(guó)內(nèi)外超大斷面隧道較安全的施工方案是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、三臺(tái)階七步法等。CD法適用于掌子面不太穩(wěn)定，埋深較淺及圍巖較差時(shí)，可適用于Ⅳ級(jí)圍巖淺埋的大跨隧道，工法安全性高；三臺(tái)階七步法適用于特大斷面隧道Ⅴ級(jí)圍巖深埋、淺埋和Ⅳ級(jí)圍巖淺埋、偏壓地段的正洞開(kāi)挖施工，其施工技術(shù)難度較低，施工工序簡(jiǎn)單，工期較快，而且造價(jià)相對(duì)較低；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要適用于地層較差、斷面很大、其他工法無(wú)法滿足的多線特大斷面鐵路隧道及地鐵工程，是大跨度隧道在軟弱圍巖段施工的主要工法。在圍巖軟弱段的大斷面隧道施工中使用這些工法固然安全，但由于工法較為保守，將不可避免地帶來(lái)施工方法繁瑣、機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、對(duì)圍巖擾動(dòng)大、工期滯后、經(jīng)濟(jì)效益低等問(wèn)題。該文結(jié)合貴陽(yáng)南埡路隧道，驗(yàn)證使用三臺(tái)階五步法在軟弱圍巖中開(kāi)挖大斷面隧道的可行性。

1 工程概況

貴陽(yáng)市南埡路三號(hào)隧道為分離式雙向八車道隧道，全長(zhǎng)1 171.1 m，隧道開(kāi)挖寬度21.8 m，高度14.3 m，其左右兩隧道凈距21.8 m，隧道開(kāi)挖斷面大。隧道處于喀斯特地貌地區(qū)，地下巖溶較發(fā)育，圍巖屬Ⅳ、Ⅴ級(jí)，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，其強(qiáng)度與穩(wěn)定性均較差。南埡路隧道工期要求于2016年5月之前完工，但由于隧道北端附近墳?zāi)姑芗?，征地拆遷滯后，施工時(shí)進(jìn)口不具備施工條件，所以隧道僅能從出洞口一端進(jìn)行施工，使施工工期大大延長(zhǎng)。為優(yōu)先保證隧道能夠順利安全地開(kāi)挖，該隧道原設(shè)計(jì)全段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，但該工法施工速度較慢，無(wú)法滿足工期要求，需對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化。

2 三臺(tái)階五步法施工

臺(tái)階法施工是先開(kāi)挖上半斷面，待開(kāi)挖至一定長(zhǎng)度后同時(shí)開(kāi)挖下半斷面，上、下半斷面同時(shí)并進(jìn)的施工方法。近年來(lái)，在大斷面隧道中使用的臺(tái)階法包括：三臺(tái)階七步法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，多臺(tái)階法等。三臺(tái)階五步法與上述工法相比：未留核心土，從而減少了施工工序，節(jié)省工期，同時(shí)減少各部開(kāi)挖的擾動(dòng)影響；每一臺(tái)階凈空較大，便于人員和大型機(jī)械作業(yè)，可以多作業(yè)面同時(shí)施工，地質(zhì)條件變化時(shí)，可靈活、及時(shí)地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法；其初期支護(hù)工序操作簡(jiǎn)單，平行施做初期支護(hù)，各部分初期支護(hù)銜接緊密，采用合理的臺(tái)階長(zhǎng)度，可確保初期支護(hù)盡早成環(huán)。在保證隧道穩(wěn)定性的前提下，在隧道Ⅳ級(jí)圍巖段改用三臺(tái)階五步法施工可以大大加快施工進(jìn)度。三臺(tái)階五步法的施工工序如圖1所示。

(1) 上臺(tái)階①開(kāi)挖，爆破開(kāi)挖完成后及時(shí)施作上臺(tái)階初支⑨，并監(jiān)控掌子面變形。

(2) 當(dāng)支護(hù)⑨達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，左側(cè)中臺(tái)階②開(kāi)挖，及時(shí)施作初支⑩，并監(jiān)控掌子面變形。

(3) 當(dāng)支護(hù)⑩達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，右側(cè)中臺(tái)階③開(kāi)挖，及時(shí)施做初支，并監(jiān)控掌子面變形。

圖1 三臺(tái)階五步法開(kāi)挖步序圖(單位：mm)

(6) 待初期支護(hù)閉合并達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，澆筑左側(cè)仰拱⑥。

(7) 仰拱⑥達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，澆筑右側(cè)仰拱⑦。

(8) 澆筑二次襯砌⑧，使二次襯砌閉合，為充分發(fā)揮圍巖自承能力，容許初期支護(hù)與圍巖有一定的變形，結(jié)合實(shí)際埋置深度、施工方法和支護(hù)情況，初支與二襯間預(yù)留120 mm變形量，防止二襯發(fā)生侵限情況。

在Ⅳ級(jí)圍巖段將原設(shè)計(jì)方案改為三臺(tái)階五步法后，勢(shì)必可以大大加快施工進(jìn)度，但是其安全性及隧道穩(wěn)定性尚待考量。

3 施工過(guò)程模擬

相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，三臺(tái)階五步法無(wú)疑是較為“冒進(jìn)的”，由于圍巖軟弱破碎、隧道跨度較大，其可能無(wú)法勝任Ⅳ級(jí)圍巖段的施工要求。為驗(yàn)證三臺(tái)階五步法在Ⅳ級(jí)圍巖段施工的可行性，采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行隧道開(kāi)挖的模擬，分別從洞周位移、圍巖壓力、初期支護(hù)應(yīng)力及塑性區(qū)等方面來(lái)分析隧道的穩(wěn)定性。

3.1 模型建立及計(jì)算過(guò)程

計(jì)算中選取一段典型里程進(jìn)行模擬。根據(jù)工程實(shí)際情況，隧道斷面凈高14.321 m，最大跨度21.878 m。隧道仰拱距模型底部約3倍跨度(42 m)，模型左右兩邊寬度各取4倍跨度，沿隧道掘進(jìn)方向取80 m，計(jì)算模型中隧道的沿線埋深按地勘資料取值，范圍為7～19.5 m，模型尺寸為X×Y=243 m×80 m。模型除頂部外，各邊界均約束其法向位移。隧道模型如圖2所示。

圖2 三臺(tái)階五步法開(kāi)挖隧道模型

現(xiàn)場(chǎng)選取部分巖塊進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，得到圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。初期支護(hù)中的噴射混凝土物理力學(xué)參數(shù)參考JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。

隧道施工的開(kāi)挖模擬過(guò)程為：① 對(duì)掌子面拱頂180°范圍內(nèi)進(jìn)行注漿預(yù)加固；② 臺(tái)階進(jìn)尺滯后，及時(shí)架立鋼支撐并噴射混凝土，進(jìn)行初期支護(hù)；③ 保證各掌子面(導(dǎo)坑)縱向相距的長(zhǎng)度，各掌子面(導(dǎo)坑)同時(shí)掘進(jìn)；④ 右洞開(kāi)挖至一定距離時(shí)，開(kāi)始左洞開(kāi)挖，右洞和左洞開(kāi)挖方法一致，直至最后雙洞均開(kāi)挖并支護(hù)完畢。開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為1 m。

此次數(shù)值計(jì)算，循環(huán)進(jìn)尺為1 m，即循環(huán)開(kāi)挖過(guò)程中，每一計(jì)算步各掌子面掘進(jìn)1 m。每一計(jì)算步中，考慮應(yīng)力釋放，即開(kāi)挖后進(jìn)行100步迭代計(jì)算，再施做初支及臨時(shí)支撐。每一步支護(hù)施做完畢后，計(jì)算到收斂為止。

表1 計(jì)算參數(shù)取值

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1) 洞周位移

分別對(duì)隧道40 m斷面處拱頂、拱腰及仰拱處的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其位移隨開(kāi)挖步數(shù)的變化曲線如圖3～5所示。

圖3 三臺(tái)階五步法模擬拱頂沉降曲線圖

圖4 三臺(tái)階五步法模擬拱腰收斂曲線圖

圖5 三臺(tái)階五步法模擬拱底隆起曲線圖

從圖3可看出：由于右線先于左線開(kāi)挖，因此，左線變形具有一定的滯后，但最終趨于穩(wěn)定后的沉降值差別不大。同時(shí)，隧道開(kāi)挖至考察斷面前，施工對(duì)拱頂考察點(diǎn)的影響較小，沉降值幾乎為零；開(kāi)挖至考察斷面附近上臺(tái)階時(shí)對(duì)拱頂沉降的影響最大，其沉降值急劇增大。當(dāng)一個(gè)斷面完整的循環(huán)開(kāi)挖通過(guò)后，沉降值趨于穩(wěn)定。

由圖4可知：40 m斷面之前的開(kāi)挖步拱腰收斂變化速率變化較慢。同樣在施工至考察點(diǎn)附近時(shí)拱腰收斂變化速率有較大突變，但是最大收斂值仍較小，開(kāi)挖過(guò)程幾乎對(duì)拱腰收斂無(wú)影響。

由圖5可知：拱底隆起變化規(guī)律與拱頂沉降相似，掌子面離考察斷面較遠(yuǎn)時(shí)，拱底位移值緩慢變化；施工至考察斷面時(shí)，位移變化速率有所突變，當(dāng)一個(gè)完整的循環(huán)通過(guò)考察斷面時(shí)，拱底隆起值趨于穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到洞周40 m斷面處位移穩(wěn)定值如表2所示。

表2 三臺(tái)階五步法施工考察點(diǎn)位移 mm

由以上數(shù)值模擬計(jì)算可看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移最大變化值為5.12 mm，變形值在JTG F60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》允許的范圍內(nèi)。

(2) 圍巖壓力分析

分別對(duì)拱頂、拱腰及仰拱處的最大、最小主應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隧道貫通后取40 m斷面分析其洞周應(yīng)力，計(jì)算云圖見(jiàn)圖6。

圖6 三臺(tái)階五步法模擬主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

從圖6可看出：開(kāi)挖后應(yīng)力主要集中在隧道的拱頂、拱腰、邊墻和拱底，且在拱底附近一定范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域，同時(shí)，隧道拱頂和拱底的應(yīng)力變化較大?？疾禳c(diǎn)的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力如表3所示。

表3 三臺(tái)階五步法施工圍巖壓力 MPa

由表3可看出：圍巖總體受壓，且遠(yuǎn)小于圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度。

(3) 初期支護(hù)內(nèi)力分析

隧道貫通后取40 m左線斷面分析其初支各點(diǎn)的受力情況，其彎矩和軸力如圖7所示。

圖7 隧道左線初支內(nèi)力圖

由圖7(a)可知：拱頂、拱腰、仰拱和拱底等關(guān)鍵點(diǎn)的彎矩較大，其原因可能是隧道在該處的曲率發(fā)生變化，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。從圖7(b)可看出：拱腰位置因?yàn)樗淼罃嗝姹馄?，其軸力明顯大于其他部位。初支的彎矩及軸力均在強(qiáng)度范圍內(nèi)。

(4) 塑性區(qū)分布

隧道塑性區(qū)分布情況如圖8所示。

由圖8可看出：圍巖塑性區(qū)僅少量分布在隧道周圍，不會(huì)對(duì)隧道穩(wěn)定性造成較大影響。

以上數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析表明：在南埡路三號(hào)隧道Ⅳ級(jí)圍巖段改用三臺(tái)階五步法施工是合理的，隧道開(kāi)挖支護(hù)后，具有較好的穩(wěn)定性。

圖8 塑性區(qū)分布圖

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

基于前文分析計(jì)算，將Ⅳ級(jí)圍巖段改為三臺(tái)階五步法施工，并及時(shí)對(duì)隧道進(jìn)行位移、應(yīng)力等的監(jiān)測(cè)工作。

以Ⅳ級(jí)圍巖段LK3+224斷面為例，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 圍巖內(nèi)部位移(圖9)

圖9 位移時(shí)程曲線圖

由圖9可知：LK3+224斷面不同位置的圍巖位移初始值均在1.25 mm左右，在最初的10 d時(shí)間內(nèi)，位移變化較快，15 d后位移增長(zhǎng)較慢，曲線基本趨于穩(wěn)定。位移最大值發(fā)生在右拱肩1 m處，其值為6.28 mm，則圍巖最大位移變化值約為5.03 mm。

4.2 圍巖壓力(圖10)

圖10 圍巖壓力時(shí)程曲線

由圖10可知:LK3+224斷面圍巖壓力較小，由于左仰拱的開(kāi)挖施作，右拱肩測(cè)點(diǎn)壓力值在35 d后出現(xiàn)較大突變，達(dá)到了0.082 MPa。檢測(cè)結(jié)果表明圍巖雖然破碎，但巖體強(qiáng)度仍然較高，具有較好的自承能力。

4.3 噴射混凝土應(yīng)力(圖11)

由圖11可知：各斷面噴射混凝土的應(yīng)力均較小，監(jiān)測(cè)初期，噴射混凝土應(yīng)力以一定的變化率變化，后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；由于兩線隧道間相互影響，左線右側(cè)拱腰和仰拱位置應(yīng)力變化較大，且其應(yīng)力值較其他監(jiān)測(cè)部位也較大。LK3+224斷面最大壓應(yīng)力發(fā)生在右仰拱下方測(cè)點(diǎn)，約為13.081 MPa，小于噴射混凝土的極限承載能力。由此可知：初支結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，隧道圍巖-支護(hù)體系穩(wěn)定。

圖11 噴射混凝土應(yīng)力時(shí)程圖

5 結(jié)論

(1) 為了加快南埡路三號(hào)隧道的施工進(jìn)度，引入了三臺(tái)階五步法的施工方案，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，初步證明了三臺(tái)階五步法在南埡路三號(hào)隧道Ⅳ級(jí)圍巖段施工的可行性。

(2) 對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表明：使用三臺(tái)階五步法施工后，各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在允許范圍內(nèi)，隧道穩(wěn)定性有較好的保證，從而驗(yàn)證了該工法在Ⅳ級(jí)圍巖段的可行性。

(3) 使用三臺(tái)階五步法施工后，加快了施工進(jìn)度，大大提前了工期，將完工時(shí)間從最初全隧道雙側(cè)壁施工方案的2016年11月中旬完工提前到2016年2月，整整節(jié)省了8個(gè)多月。