楊曉俊

（山西路橋第七工程有限公司，山西 晉城 048000）

一、施工方案設(shè)計(jì)

某公路工程隧址區(qū)以第四系松散堆積層和紅色中粒鉀質(zhì)花崗巖為主，經(jīng)過斷裂構(gòu)造影響以及風(fēng)化作用，自地表向下形成不同的形態(tài)和風(fēng)化程度。由于該公路工程合同段隧道地質(zhì)條件較為特殊，按照設(shè)計(jì)要求，合同段Ⅴ級(jí)圍巖松散地層地段應(yīng)當(dāng)通過臺(tái)階分部法展開開挖施工。就施工過程而言，必須通過φ42超前注漿小導(dǎo)管進(jìn)行開挖施工前的超前支護(hù)處理，并結(jié)合錨網(wǎng)噴及Ⅰ18、20a鋼拱架的輔助支護(hù)方式。待開挖及排險(xiǎn)過程結(jié)束后必須在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行2cm厚度C25混凝土漿液的初噴，同時(shí)在設(shè)計(jì)位置安裝鋼筋網(wǎng)、打設(shè)錨桿、架立鋼架、復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。

開挖、支護(hù)順序設(shè)計(jì)如下：

第一步：在該合同段隧道Ⅰ拱部采用超前小導(dǎo)管注漿的預(yù)支護(hù)操作；第二步：上臺(tái)階②開挖，并按設(shè)計(jì)要求爆破后及時(shí)進(jìn)行2cm厚混凝土漿液的初噴；第三步：出碴后施作上臺(tái)階Ⅲ的初期支護(hù)；第四步：在滯后②一段距離后開挖中臺(tái)階④，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求爆破開挖后及時(shí)噴射2cm厚度的混凝土漿液；第五步：出碴后施作中臺(tái)階Ⅴ初期支護(hù)；第六步：在滯后④一段距離后按步驟進(jìn)行下臺(tái)階開挖施工⑥，結(jié)束爆破開挖并出渣后及時(shí)進(jìn)行2cm厚度混凝土漿液的噴射；第七步：下臺(tái)階Ⅶ側(cè)初期支護(hù)；第八步：澆注仰拱Ⅷ混泥土；第九步：Ⅸ敷設(shè)防水板，同時(shí)通過模板臺(tái)車按照設(shè)計(jì)全斷面進(jìn)行混凝土二次襯砌及模筑。

施工過程中必須嚴(yán)格控制，使最大臨界震動(dòng)速度不超過15cm/s[1]。Ⅴ級(jí)圍巖開挖進(jìn)尺為0.5m～1m，臺(tái)階長(zhǎng)度6m～8m，二次襯砌與掌子面的距離應(yīng)≤70m；Ⅳ級(jí)圍巖開挖進(jìn)尺為1.5m～2.0m，臺(tái)階長(zhǎng)度8m～10m，二次襯砌與掌子面的距離應(yīng)≤90m。三臺(tái)階分部法開挖示意圖詳見圖1。

圖1 三臺(tái)階分部法開挖示意圖

二、有限元模型的構(gòu)建

（一）有限元模型

結(jié)合公路隧道地質(zhì)勘察資料，起訖洞段地質(zhì)條件復(fù)雜，為典型的碎屑沉積地層，所以構(gòu)建該段洞段有限元模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)理論分析結(jié)果，模型下部及左右模擬范圍按照洞徑的5倍確定，上部至地表，故模型長(zhǎng)度為20m，設(shè)計(jì)剖面尺寸為長(zhǎng)×寬×高=60m×55m×20m，并以隧洞軸線指向下游的方向?yàn)閤軸，與x軸垂直且指向右岸的方向?yàn)閥軸，以豎直向上的方向?yàn)閦軸。采用Solid45八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行所構(gòu)建模型的模擬[2]，整個(gè)模型劃分為1.5695×104個(gè)計(jì)算單元及1.3644×104個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

（二）邊界條件

由于該公路隧道洞段圍巖埋深大，地質(zhì)條件差，根據(jù)圍巖參數(shù)，對(duì)于所構(gòu)建的模型左右邊界應(yīng)施加0.84MPa的水平向位移約束，同時(shí)模型下邊界必須按設(shè)計(jì)要求施加豎直向位移約束，上邊界施加取值為0.65MPa的法向均布荷載，并保持自由邊界條件。結(jié)合與該工程區(qū)地質(zhì)條件及工程規(guī)模相類似的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，該公路合同段隧道圍巖實(shí)際彈性模量值應(yīng)取2.5GPa，泊松比取0.25，密度2650kg/m3，內(nèi)摩擦角31.5°，黏聚力0.1MPa。

（三）模型加載

在劃分好模型網(wǎng)格后，還應(yīng)確定模型的邊界條件，并按照設(shè)計(jì)邊界條件向模型左右邊界、上下邊界分別施加重力加速度、水平位移和水平應(yīng)力、豎向位移約束，并對(duì)設(shè)計(jì)模型的前后兩個(gè)面上所設(shè)置的全部節(jié)點(diǎn)同時(shí)施加y向位移約束，從而模擬隧道圍巖結(jié)構(gòu)自重。在靜態(tài)分析類型下，按照1000次確定迭代次數(shù)，并分10個(gè)荷載步進(jìn)行每次求解，位移與應(yīng)力收斂系數(shù)為0.05，采用全牛頓-拉普森迭代方法進(jìn)行該工程合同段隧道松散地層洞段大位移效果的預(yù)測(cè)與分析[3]。

該公路隧洞松散地層洞段開挖采用三臺(tái)階法，且圍巖穩(wěn)定性受到臺(tái)階開挖高度和長(zhǎng)度的影響，為加強(qiáng)圍巖變形控制，必須對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于三臺(tái)階開挖施工時(shí)上臺(tái)階高度對(duì)圍巖變形影響較大，故應(yīng)將其作為主要變量，并結(jié)合施工實(shí)際設(shè)置不同工況進(jìn)行模擬分析。

三、參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

（一）臺(tái)階長(zhǎng)度優(yōu)化結(jié)果

應(yīng)用所構(gòu)建的有限元模型，假設(shè)其他參數(shù)保持不變，進(jìn)行不同上臺(tái)階長(zhǎng)度工況下圍巖位移情況的模擬，根據(jù)所得到的模擬結(jié)果，從中提取設(shè)計(jì)關(guān)鍵部位所對(duì)應(yīng)的位移量最大值，具體情況如表1所示。根據(jù)對(duì)模擬結(jié)果的比較分析不難看出，當(dāng)上臺(tái)階長(zhǎng)度分別取1m、1.5m和2m時(shí)，該公路合同段隧道松散地層洞段拱頂沉降取值和仰拱隆起位移值十分接近，而當(dāng)上臺(tái)階長(zhǎng)度2.5m時(shí)，拱頂沉降大幅增加，而仰拱隆起沉降位移為0。究其原因主要在于過大的臺(tái)階長(zhǎng)度導(dǎo)致拱頂變形額沉降量明顯增大。此外，隨上臺(tái)階長(zhǎng)度的增大，拱腰水平位移的最大值和最小值表現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)，且在上臺(tái)階長(zhǎng)度2m時(shí)達(dá)到最小，考慮到臺(tái)階長(zhǎng)度的增大有利于施工效率提升，所以應(yīng)將上臺(tái)階長(zhǎng)度最優(yōu)值確定為2m。

表1 隧道松散地層洞段不同上臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)圍巖位移模擬

（二）臺(tái)階高度優(yōu)化結(jié)果

采用本文所構(gòu)建的有限元模型并假設(shè)其他參數(shù)不變的情況下，進(jìn)行不同上臺(tái)階高度圍巖位移情況的模擬，從模擬結(jié)果中提取關(guān)鍵部位最大位移量，結(jié)果如表2所示。根據(jù)表中模擬結(jié)果可以看出，隧洞開挖施工時(shí)，隨著上臺(tái)階高度的增加，拱頂沉降位移與仰拱隆起位移均出現(xiàn)先降后升趨勢(shì)。

表2 隧道松散地層洞段不同上臺(tái)階高度對(duì)應(yīng)圍巖位移模擬

借助有限元模型在其他參數(shù)取值不變的情況下，進(jìn)行上臺(tái)階高度不同情況下圍巖噴混結(jié)構(gòu)應(yīng)力的模擬計(jì)算，同時(shí)提取出拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大值進(jìn)行針對(duì)性分析。根據(jù)模擬結(jié)果，隨著上臺(tái)階開挖高度的增大，噴混結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力表現(xiàn)出先降后增的趨勢(shì)，且拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別在上臺(tái)階開挖高度1.4m和1.6m時(shí)取值最小，豎向位移和壓應(yīng)力最大值也與1.6m開挖高度下的模擬結(jié)果接近。為此，該公路隧道松散地層洞段三臺(tái)階開挖施工上臺(tái)階開挖高度應(yīng)按1.4m確定。

四、結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬方式進(jìn)行該公路隧道碎屑沉積層洞段三臺(tái)階法開挖參數(shù)的優(yōu)化，得出上臺(tái)階開挖高度和開挖長(zhǎng)度應(yīng)分別為1.4m和2.0m，且取得了預(yù)期的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，對(duì)于確保隧道開挖施工過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有參考借鑒價(jià)值，所采用的分析方法也為類似工程開挖參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可行的分析思路。