馮仁科，彭 斌，秦金德，喬建剛

(1.山西省公路局陽泉分局 陽泉市 045000; 2.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院 天津市 300401;3.蒙西華中鐵路股份有限公司 北京市 100071)

0 引言

受地質(zhì)構(gòu)造影響，目前隧道施工亟待解決的技術(shù)難題主要為大斷面軟巖隧道的開挖施工技術(shù)[1]。通常大斷面軟巖隧道經(jīng)過方案比選后會(huì)選用三臺(tái)階分布交錯(cuò)開挖法進(jìn)行施工，由于開挖步序繁瑣，多次開挖對圍巖以及已支護(hù)段的擾動(dòng)明顯，同時(shí)初支閉合落后掌子面較多，未能及時(shí)封閉成環(huán)，造成初期支護(hù)出現(xiàn)開裂，支護(hù)變形出現(xiàn)明顯的異常加速，圍巖變形沒有得到有效控制，臺(tái)階接長和落腳部位作為初期支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)變形最為明顯。因此，對三臺(tái)階分步交錯(cuò)開挖法進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和調(diào)整，得到三臺(tái)階仰拱初支快速封閉施工技術(shù)。再通過Midas/GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對兩種開挖方法下圍巖的變形、塑性區(qū)的發(fā)展、初支內(nèi)力及二襯安全系數(shù)進(jìn)行分析。

劉瑞斌[2]運(yùn)用三維有限元模擬的方法測算初支圍巖壓力、二次襯砌背后水壓、接觸壓力和鋼拱架受力；張成良等[3]對大斷面軟弱圍巖隧道巖體的變形規(guī)律與初支時(shí)機(jī)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析；朱衛(wèi)東[4]利用有限元模擬的方式得出三臺(tái)階法施工后的隧道襯砌和圍巖受力及變形特征。以上軟巖隧道工程的研究均存在以下兩個(gè)特點(diǎn)：多次對既有圍巖進(jìn)行擾動(dòng)，圍巖擾動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力變化對施工安全影響較大，且直觀上無法判定；無法做到圍巖快速封閉，超前支護(hù)效果不佳等問題突出。因此，通過理論分析及有限元數(shù)值模擬，對優(yōu)化改進(jìn)后的三臺(tái)階仰拱初支快速封閉施工技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用效果分析。

1 三臺(tái)階仰拱初支技術(shù)方案及模型建立

1.1 三臺(tái)階仰拱初支技術(shù)定義

三臺(tái)階仰拱初支技術(shù)是通過優(yōu)化改進(jìn)經(jīng)方案比選后得出的三臺(tái)階分步交錯(cuò)開挖法得到的，能實(shí)現(xiàn)仰拱初支緊跟、隧道初期支護(hù)整體盡早閉合成環(huán)，做到了開挖、支護(hù)工序銜接緊湊的一種軟巖隧道開挖法。開挖縱斷面如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后三臺(tái)階開挖縱斷面示意圖

1.2 兩種三臺(tái)階法的區(qū)別

通過現(xiàn)場實(shí)際施工情況分析，三臺(tái)階分布交錯(cuò)開挖法在隧道的施工過程中，由于開挖步序繁瑣，多次開挖對圍巖以及已支護(hù)段的擾動(dòng)明顯，同時(shí)初支閉合落后掌子面較多，未能及時(shí)封閉成環(huán)，造成初期支護(hù)出現(xiàn)開裂，支護(hù)變形出現(xiàn)明顯的異常加速，圍巖變形沒有得到有效控制，臺(tái)階接長和落腳部位作為初期支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)變形最為明顯。因此，可認(rèn)為在馬灣隧道施工中，三臺(tái)階分步交錯(cuò)開挖不能滿足施工要求。為實(shí)現(xiàn)仰拱初支緊跟、隧道初期支護(hù)整體盡早封閉成環(huán)，開挖、支護(hù)工序適時(shí)緊湊，需對此開挖方法進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和調(diào)整，即：三臺(tái)階仰拱初支術(shù)。

1.3 有限元模型建立

將馬灣隧道里程DK846+260～+320段(60m)作為研究對象，隧道周圍主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)、下元古界劉嶺組Pt11圍巖，受斷裂構(gòu)造影響，巖體較為破碎，節(jié)理較發(fā)育，屬Ⅴ級圍巖。根據(jù)先前提出的三臺(tái)階交錯(cuò)分步開挖法和優(yōu)化改進(jìn)后的三臺(tái)階仰拱初支開挖法進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析結(jié)果，利用大型有限元軟件繼續(xù)對三臺(tái)階仰拱初支開挖法在馬灣隧道的應(yīng)用效果分析。故建立隧道模型：模型左右兩側(cè)距隧道中心線3倍洞徑，取值約35m，自底部向下取25m，頂部取至地表，模型長60m。該模型共有68880個(gè)單元，64599個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(1)模型圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1)

表1 圍巖和襯砌參數(shù)

(2)基本假定

①所有土體為均質(zhì)的、各向同性的。

②初始地應(yīng)力在模型計(jì)算時(shí)只考慮土體自重應(yīng)力，不考慮地下水及圍巖構(gòu)造應(yīng)力的影響[5-7]。

2 模擬施工步驟

建立模型施加自重應(yīng)力，邊界條件計(jì)算平衡，進(jìn)行如下開挖步的計(jì)算[8]：

(1)地應(yīng)力平衡，位移清零。

(2)通過改變土體屬性，模擬超前支護(hù)。

2.2.2 混合對照品溶液的制備 精密稱取龍腦對照品、水楊酸甲酯對照品各適量，加乙酸乙酯溶解，制成含龍腦、水楊酸甲酯質(zhì)量濃度均為0.1 mg/mL的混合對照品溶液。

(3)開挖上臺(tái)階，循環(huán)進(jìn)尺為1m，考慮施作初支的時(shí)空效應(yīng)，應(yīng)力釋放40%，計(jì)算平衡；施作上臺(tái)階初期支護(hù)(板單元模擬)，應(yīng)力釋放30%，計(jì)算平衡；待開挖下一循環(huán)上臺(tái)階時(shí)，釋放剩余30%應(yīng)力。

(4)上臺(tái)階開挖5m后，中臺(tái)階同步開挖，循環(huán)進(jìn)尺1m，應(yīng)力釋放40%，計(jì)算平衡；施作中臺(tái)階初支，釋放應(yīng)力30%，計(jì)算平衡；待開挖下一循環(huán)中臺(tái)階時(shí)，釋放剩余30%應(yīng)力。

(5)中臺(tái)階開挖12m后，下臺(tái)階及仰拱同步開挖，釋放應(yīng)力40%，計(jì)算平衡；施作仰拱初支，初支閉合，釋放應(yīng)力30%，計(jì)算平衡；待開挖下一循環(huán)下臺(tái)階時(shí)，釋放剩余30%應(yīng)力。

(6)施作二襯(板單元模擬)[9]。

主要步驟示意圖如圖2所示。

圖2 主要施工步驟示意圖

3 三臺(tái)階仰拱初支開挖法數(shù)值模擬分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，建立三維模型分析三臺(tái)階仰拱初支開挖法在馬灣隧道中的應(yīng)用情況。

3.1 變形分析

(1)豎向位移分析

為消除邊界效應(yīng)，選取模型中部的斷面，對圍巖變形進(jìn)行對比分析。隧道開挖結(jié)束后，由圍巖豎向變形云圖可知，采用三臺(tái)階仰拱初支開挖時(shí)，隧道最大豎向變形為33.2mm。

隨著隧道的開挖，累計(jì)變形持續(xù)發(fā)展，拱頂沉降及周邊收斂隨開挖步的變化均處于施工安全范圍內(nèi)。

采用三臺(tái)階仰拱初支開挖時(shí)，隧道最大水平變形為21.3mm，隧道最大跨度處相對水平收斂為35.4mm。測點(diǎn)如圖3所示。

圖3 水平收斂測點(diǎn)示意圖

(3)整體位移分析

隧道開挖后拱頂沉降最大值、地表沉降最大值及最大跨度處水平收斂值見表2所示。

表2 兩種施工方法引起圍巖變形對比表

綜合看來，無論是豎向位移還是水平位移，在馬灣隧道中，三臺(tái)階仰拱初支開挖法均較小。說明在馬灣隧道軟弱圍巖施工中，初支及早封閉成環(huán)對圍巖變形的控制具有十分明顯的效果。

3.2 初支應(yīng)力分析

選取模型中部典型斷面分析，由有限元軟件系統(tǒng)導(dǎo)出的主應(yīng)力云圖可知，初支最小主應(yīng)力均出現(xiàn)在拱頂位置。采用三臺(tái)階仰拱初支開挖時(shí)，最小主應(yīng)力為13.8MPa，表現(xiàn)為受壓；最大主應(yīng)力為1.08MPa，出現(xiàn)在拱腰位置，表現(xiàn)為受拉。

針對兩種開挖方案的初支軸力進(jìn)行斷面分析，均表現(xiàn)為壓力，出現(xiàn)在拱頂位置。三臺(tái)階分步交錯(cuò)開挖時(shí)的最大值為1188.65kN；三臺(tái)階仰拱初支開挖時(shí)的最大值為1279.43kN。統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 兩種支護(hù)方案最大初支軸力值統(tǒng)計(jì)(單位：kN)

3.3 二襯安全系數(shù)分析

選取二襯全環(huán)進(jìn)行分析，斷面特征點(diǎn)如圖4所示，并通過計(jì)算求得兩種開挖方法下的二襯結(jié)構(gòu)典型位置安全系數(shù)。

各特征點(diǎn)安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)如表4、表5所示。

圖4 二襯斷面特征點(diǎn)示意圖

表4 三臺(tái)階分步交錯(cuò)開挖法典型位置安全系數(shù)表

表5 三臺(tái)階仰拱初支開挖法典型位置安全系數(shù)表

對二襯的安全系數(shù)影響不大，且均滿足要求，在不考慮其他影響因素的情況下，兩種方法均可用于馬灣隧道的開挖。

通過上述馬灣隧道數(shù)值模擬分析可知，采用三臺(tái)階仰拱初支開挖法施工，初支閉合較早，能有效減小圍巖的變形；同時(shí)能夠控制圍壓塑性區(qū)的發(fā)展，初支軸力及彎矩略大于分步交錯(cuò)開挖法，但差距不大，不影響初支結(jié)構(gòu)安全；二襯安全系數(shù)均滿足要求。三臺(tái)階仰拱初支開挖法滿足隧道開挖。

數(shù)值模擬的分析結(jié)果與實(shí)際情況存在著一定的差距，因?yàn)閿?shù)值模擬對施工概況的模擬較為簡單，現(xiàn)場情況則更為復(fù)雜，但是在其他條件同等情況下，通過模擬兩種不同開挖方法時(shí)，其對比結(jié)果具有一定的參考意義，可為研究人員提供一定的借鑒。

4 結(jié)論

(1)三臺(tái)階仰拱初支快速封閉施工控制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)仰拱初支緊跟、隧道初期支護(hù)整體盡早閉合成環(huán)，做到了開挖、支護(hù)工序銜接緊湊。

(2)在有限元數(shù)值模擬分析中，采用三臺(tái)階仰拱初支快速封閉施工時(shí)，隧道最大豎向變形為33.2mm，拱頂沉降及周邊收斂隨開挖步的變化均處于施工安全范圍內(nèi)；初支最大拉應(yīng)力為1.08MPa，最大壓應(yīng)力為13.8MPa；對二襯的安全系數(shù)影響不大，均符合施工要求，保證隧道安全施工。