喬建剛， 彭 斌， 秦金德

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 天津 300401; 2.天津市交通工程綠色材料技術(shù)研究中心， 天津 300401; 3.蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 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(kāi)挖施工技術(shù)[1]。為提高我國(guó)隧道的建設(shè)水平，做好軟弱圍巖施工技術(shù)管理，本文結(jié)合新建蒙西-華中鐵路煤運(yùn)通道項(xiàng)目馬灣隧道工程進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究，并結(jié)合以往工程，通過(guò)方案比選采用三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖法對(duì)隧道進(jìn)行開(kāi)挖。依據(jù)新奧法設(shè)計(jì)理念，既要發(fā)揮圍巖自身一定的承載能力，又要保證圍巖自身和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求，初期支護(hù)施作應(yīng)適時(shí)而行。但對(duì)于軟弱破碎圍巖，圍巖徑向位移增速快，開(kāi)挖后若支護(hù)結(jié)構(gòu)不能盡早發(fā)揮作用，極大可能導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，發(fā)生安全事故。因此，要合理選擇隧道初期支護(hù)的施作時(shí)機(jī)，特別是初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)是保證隧道施工安全的關(guān)鍵因素。

劉瑞斌[2]運(yùn)用三維有限元模擬的方法測(cè)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；李廷春[3]等在總結(jié)出隧道斷層破碎帶的突水塌陷機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)與滲流場(chǎng)的分布特性；周鑫[4]提出超前預(yù)加固措施；李賢[5]等提出了圍巖蠕變特性的理論-位移公式，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè);張成良[6]等對(duì)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[7]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和變形特征。目前國(guó)內(nèi)外超前支護(hù)和開(kāi)挖方法的研究均存在以下2個(gè)特點(diǎn)：多次對(duì)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(duì)施工安全影響較大，且直觀上無(wú)法判定；無(wú)法做到圍巖快速封閉，超前支護(hù)效果不佳等問(wèn)題突出。因此，本文通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬，進(jìn)一步優(yōu)化三臺(tái)階開(kāi)挖施工方案。

1 開(kāi)挖施工方案優(yōu)化

結(jié)合以往的軟巖隧道施工工程實(shí)例，根據(jù)馬灣隧道的圍巖地質(zhì)情況，對(duì)主要軟巖隧道施工方案進(jìn)行了對(duì)照比選，綜合考慮安全、進(jìn)度、成本后，最終確定：采用三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖法作為施工方案。

1.1 三臺(tái)階分布交錯(cuò)開(kāi)挖布局的確定與施工要點(diǎn)

a.開(kāi)挖布局。

① 開(kāi)挖上臺(tái)階：采用機(jī)械配合人工進(jìn)行上臺(tái)階土體開(kāi)挖，按照設(shè)計(jì)施作上臺(tái)階初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。

② 當(dāng)上臺(tái)階施工至5 m以上，開(kāi)挖中臺(tái)階左邊墻，接長(zhǎng)鋼架，施作洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)，開(kāi)挖寬度控制在1/2洞徑，右邊墻滯后左邊墻3～5 m。

③ 按照中臺(tái)階施工順序施作下臺(tái)階，左右邊墻錯(cuò)開(kāi)3～5 m。

④ 開(kāi)挖仰拱初支，一次開(kāi)挖不能超過(guò)3 m，仰拱初支封閉成環(huán)。

b.施工要點(diǎn)。

① 隧道施工應(yīng)堅(jiān)持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則。

② 利用上循環(huán)安裝的鋼架進(jìn)行超前支護(hù)(如中管棚、超前小導(dǎo)管等)施工，保證2循環(huán)超前支護(hù)搭接長(zhǎng)度不得小于1 m。超前支護(hù)應(yīng)與鋼架鉆孔連接或焊接連接，形成棚架效應(yīng)。

③ 在鋼架就位后，首先施作鎖腳錨管(桿)，保證鎖腳錨管與鋼架有效焊聯(lián)。

④ 中、下臺(tái)階一次開(kāi)挖長(zhǎng)度在2～3 m，并不得大于2榀鋼架間距，仰拱初支開(kāi)挖后要進(jìn)行地基承載力檢測(cè)。初支仰拱距離掌子面極限距離不得大于35 m。

⑤ 中、下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，要采取措施保證上部圍巖不受擾動(dòng)，下臺(tái)階斷面應(yīng)在上部斷面噴射混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后(不得低于70%)開(kāi)挖，開(kāi)挖應(yīng)兩側(cè)交錯(cuò)進(jìn)行。

c.原理：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況分析可知，三臺(tái)階分布交錯(cuò)開(kāi)挖法在隧道的施工過(guò)程中，由于開(kāi)挖步序繁瑣，多次開(kāi)挖對(duì)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(kāi)裂，支護(hù)變形出現(xiàn)明顯的異常加速，圍巖變形沒(méi)有得到有效控制，臺(tái)階接長(zhǎng)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(kāi)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(kāi)挖、支護(hù)工序適時(shí)緊湊，需對(duì)此開(kāi)挖方法進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和調(diào)整。故提出三臺(tái)階同步開(kāi)挖法。

1.2 三臺(tái)階同步開(kāi)挖布局的確定與施工要點(diǎn)[8-10]

a.通過(guò)分析該隧道周邊圍巖的條件確定各層臺(tái)階高度和長(zhǎng)度，臺(tái)階長(zhǎng)度應(yīng)滿足2倍洞徑以內(nèi)的要求。

b.上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)。上臺(tái)階高4 m，長(zhǎng)3～5m，開(kāi)挖方法采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，核心土長(zhǎng)2 m，距拱頂高度1.5 m，開(kāi)挖進(jìn)尺根據(jù)圍巖級(jí)別、量測(cè)情況確定；開(kāi)挖采取沿開(kāi)挖輪廓環(huán)形開(kāi)槽，開(kāi)挖順序?yàn)橄葟膬蓚?cè)拱腰向下，后拱部，再清腳；為減少暴露時(shí)間，初噴速封閉；緊貼開(kāi)挖基面快立架；安裝結(jié)構(gòu)鋼筋，連接牢固。

c.中臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)。中臺(tái)階高3.8 m，長(zhǎng)10～17 m，不留中間土，邊墻對(duì)稱開(kāi)挖，每次開(kāi)挖長(zhǎng)度，根據(jù)圍巖級(jí)別、量測(cè)情況確定。采用機(jī)械開(kāi)挖，局部人工修邊，嚴(yán)控超挖。開(kāi)挖完成后，初噴混凝土快速封閉，緊貼開(kāi)挖基面快立架；安裝結(jié)構(gòu)鋼筋，連接牢固。

d.下臺(tái)階與仰拱開(kāi)挖支護(hù)。下臺(tái)階與仰拱開(kāi)挖高度3.59 m，采用對(duì)稱開(kāi)挖，一次開(kāi)挖到位，開(kāi)挖進(jìn)尺1～2榀拱架。開(kāi)挖順序，先由一側(cè)開(kāi)挖，留中間，最后挖出。緊貼開(kāi)挖基面快速立架；安裝結(jié)構(gòu)鋼筋，連接牢固。

2 開(kāi)挖隧道模型建立

受地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性影響，在定性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析方法進(jìn)行定量評(píng)價(jià)是十分必要的。借助有限元軟件，對(duì)選用的三臺(tái)階交錯(cuò)分步開(kāi)挖法和優(yōu)化后的三臺(tái)階同步開(kāi)挖法這2種方法進(jìn)行對(duì)比分析。在模擬分析的基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)施工方案，完善施工要素后組織現(xiàn)場(chǎng)施工。

本次建模采用Midas/GTS(以下簡(jiǎn)稱GTS)計(jì)算軟件進(jìn)行。該軟件是一款有限元分析軟件，主要用于巖土受力分析，能滿足巖土隧道結(jié)構(gòu)的專業(yè)需求，通過(guò)對(duì)每個(gè)有限元內(nèi)核荷載情況分析，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)分析時(shí)能有效反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)受力情況，專業(yè)性和針對(duì)性較強(qiáng)。

將馬灣隧道里程DK846+260～+320段(60 m)作為研究對(duì)象，隧道周?chē)饕獮榈谒南等陆y(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(jí)圍巖，根據(jù)縱斷面情況生成模型示意圖如圖1所示。

圖1 模型示意圖

a.模型圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖和襯砌參數(shù)Table 1 Surrounding rock and lining parameters類別密度/(kg·m-3)彈模/MPa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)圍巖(Ⅴ級(jí))2 000 3000.301719初支2 20028 0000.2——二襯2 40030 0000.2——

b.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，不考慮地下水和圍巖構(gòu)造應(yīng)力的影響[11-12]。

3 2種開(kāi)挖方案數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.1 變形分析

隧道開(kāi)挖以后，首先會(huì)引起周邊圍巖的位移變形，因此，首先對(duì)圍巖變形進(jìn)行分析。

3.1.1豎向位移分析

為消除邊界效應(yīng)，選取模型中部的斷面，對(duì)圍巖變形進(jìn)行對(duì)比分析，提取圍巖豎向位移云圖，如圖2所示。

(a) 三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖

由圖可知，采用三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖時(shí)，隧道最大豎向變形為45.7 mm，采用三臺(tái)階同步開(kāi)挖時(shí)，隧道最大豎向變形為32.4 mm[13]。

2種開(kāi)挖方法引起地表沉降曲線如圖3所示。

圖3 2種開(kāi)挖方法的地表沉降曲線圖

由圖可知，三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖引起地表的沉降大于三臺(tái)同步開(kāi)挖法，同時(shí)由于隧道左低右高，存在偏壓，左右兩側(cè)的地表沉降不對(duì)稱。

3.1.2水平位移分析

提取圍巖水平位移數(shù)值可知，采用三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖時(shí)，隧道最大水平變形為48.4 mm，采用三臺(tái)階同步開(kāi)挖時(shí)，隧道最大水平變形為21.3 mm。采用三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖時(shí)，隧道最大跨度處相對(duì)水平收斂為74.5 mm，采用三臺(tái)階同步開(kāi)挖時(shí)，隧道最大跨度處相對(duì)水平收斂為35.4 mm。

3.1.3整體位移分析[14]

隧道開(kāi)挖后拱頂沉降最大值、地表沉降最大值和最大跨度處水平收斂值如表2所示。

綜合看來(lái)，無(wú)論是豎向位移還是水平位移，在馬灣隧道中，三臺(tái)階同步開(kāi)挖法均小于三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖法。說(shuō)明在馬灣隧道軟弱圍巖施工中，初支和早封閉成環(huán)對(duì)圍巖變形的控制具有十分明顯的效果。

表2 2種施工方法引起圍巖變形對(duì)比表Table 2 Comparison of deformation of surrounding rock caused by two construction methodsmm開(kāi)挖方法拱頂最大沉降值地表最大沉降最大水平收斂三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖40.629.574.5三臺(tái)階同步開(kāi)挖30.921.235.4

3.2 塑性區(qū)分析

為了對(duì)比2種開(kāi)挖方法對(duì)隧道圍巖擾動(dòng)情況，對(duì)圍巖塑性區(qū)進(jìn)行分析，塑性區(qū)分步如圖4所示。

(a) 三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖法

圖4中可直觀看出，2種開(kāi)挖工法在隧道開(kāi)挖和支護(hù)完成后所引起的圍巖塑性區(qū)分布、大小均不同，三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖引起圍巖塑性區(qū)比三臺(tái)階同步開(kāi)挖法要大，主要是因?yàn)樵谲泿r中，分步開(kāi)挖由于支護(hù)未能及早閉合，不能有效控制圍巖的變形，導(dǎo)致圍巖的塑性區(qū)向深處發(fā)展，而三臺(tái)階同步開(kāi)挖法初支閉合較早，對(duì)圍巖的變形控制更加及時(shí)有效，對(duì)塑性區(qū)發(fā)展的控制效果更好。

3.3 初支內(nèi)力分析

不同的施工方法對(duì)初期支護(hù)的受力影響較大，因此，對(duì)2種不同開(kāi)挖方法下初支的軸力及彎矩進(jìn)行相應(yīng)分析。

a.初支軸力分析

當(dāng)初支閉合后，采用三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖時(shí)，初支軸力最大值為1188.65kN，表現(xiàn)為壓力，出現(xiàn)在拱頂位置；采用三臺(tái)階同步開(kāi)挖時(shí)，初支軸力最大值為1279.43kN，出現(xiàn)在拱頂位置。

b.初支彎矩分析

當(dāng)初支閉合后，2種不同開(kāi)挖方法下初支彎矩云圖如圖5所示。

(a) 三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖法

由圖5可知，采用三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖時(shí)，初支彎矩最大值為20.7 kN·m；采用三臺(tái)階同步開(kāi)挖時(shí)，初支彎矩最大值為13.5 kN·m，小于三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖。同時(shí)根據(jù)云圖可知，采用三臺(tái)階同步開(kāi)挖時(shí)，初支彎矩分步相對(duì)均勻。

4 三階同步開(kāi)挖實(shí)際施工效果監(jiān)測(cè)

通過(guò)上述2種方案數(shù)值模擬的對(duì)比結(jié)果，現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)三階同步開(kāi)挖實(shí)際施工效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.1 圍巖變形監(jiān)測(cè)

在DK846+309.8、DK846+315、DK846+320、DK846+325埋設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，并對(duì)該段開(kāi)挖至施做二襯期間各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各監(jiān)控量測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)拱頂下沉、水平收斂的數(shù)據(jù)變化累計(jì)值、回歸分析值。

結(jié)果表明：施工過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)變形表現(xiàn)經(jīng)歷“快速變形—緩慢變形—擾動(dòng)影響變形—趨于穩(wěn)定—穩(wěn)定”的過(guò)程。掘進(jìn)開(kāi)挖30 d后變形趨于穩(wěn)定；仰拱施工擾動(dòng)時(shí)，有較明顯變形；仰拱施工完成15 d后變形逐漸趨于穩(wěn)定，至施做二次襯砌時(shí)變形速率小于0.2 mm/d，變形基本穩(wěn)定。

4.2 初支軸力變化及分布規(guī)律

分別在DK846+310、DK846+315、 DK846+320斷面埋設(shè)鋼筋計(jì)、壓力盒，進(jìn)行隧道受力情況監(jiān)測(cè)。每個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)測(cè)位10個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)位內(nèi)外2個(gè)測(cè)點(diǎn)。每天進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，定期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，掌握隧道變形情況。根據(jù)各里程初支鋼筋受力測(cè)試結(jié)果和初支參數(shù)，計(jì)算出各斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力。DK846+315支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力變化如圖6所示。

圖6 DK846+315支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力變化歷時(shí)曲線圖

結(jié)果表明：軸力在開(kāi)挖過(guò)程中始終處于上升趨勢(shì)，當(dāng)初期支護(hù)封閉成環(huán)后，受力均趨于穩(wěn)定。受力整體較均勻，主要狀況為：拱部最大，拱腰次之，邊墻最小。

4.3 圍巖壓力測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)馬灣隧道不同里程段圍巖壓力進(jìn)行了測(cè)試，例：DK846+315支護(hù)結(jié)構(gòu)壓力變化如圖7所示。

圖7 DK846+315支護(hù)結(jié)構(gòu)壓力變化歷時(shí)曲線圖

從該斷面檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，主要受力部位位于拱頂，主要呈現(xiàn)向外擠壓受力狀態(tài)，最大力為0.574 kN，左邊墻受力狀態(tài)不佳，均處于向外擠壓受力狀態(tài)。

綜上所述，通過(guò)對(duì)三臺(tái)階同步開(kāi)挖法實(shí)際施工中圍巖變形、初支軸力、彎矩的變化和分布規(guī)律，以及圍巖壓力監(jiān)測(cè)效果來(lái)看：該開(kāi)挖方案確實(shí)能夠減少隧道開(kāi)挖時(shí)對(duì)圍巖的擾動(dòng)，減少總沉降量；使初支盡早封閉成環(huán)，控制隧道初支變形；確保了施工質(zhì)量和安全，提高了施工效率。

5 結(jié)論

通過(guò)上述馬灣隧道數(shù)值模擬分析可知，采用三臺(tái)階同步開(kāi)挖法施工，初支閉合較早，能有效減小圍巖的變形；同時(shí)能夠控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展;初支軸力和彎矩略大于分步交錯(cuò)開(kāi)挖法，但差距不大，不影響初支結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)實(shí)際施工效果監(jiān)測(cè)得出，三臺(tái)階同步開(kāi)挖法在軟巖隧道的施工中確保了施工質(zhì)量和安全，提高了施工效率。故可認(rèn)為，三臺(tái)階同步開(kāi)挖法施工優(yōu)于方案比選得出的三臺(tái)階分步交錯(cuò)開(kāi)挖法。