大偏壓小凈距隧道施工方法探討范文

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《公路工程雜志》2016年第4期

摘要：

為了確定IV級圍巖條件下陡坡小凈距隧道的合理施工方法，結合懷通高速公路隧道工程施工實例，考慮上下臺階與環形開挖留核心土法的3種不同組合下的施工方案，通過有限元軟件對IV級圍巖陡坡條件下小凈距隧道的不同施工方法進行了模擬，重點分析了隧道開挖對地表、圍巖等的擾動效應，主要包括地表、掌子面以及中夾巖柱區域的位移和應力，確定了上下臺階法為IV級圍巖條件下陡坡小凈距隧道的合理施工方法，分析成果可為類似條件下的小凈距隧道的設計、施工提供參考。

關鍵詞：

陡坡;小凈距隧道;施工方法;IV級圍巖;懷通高速公路

1概述

目前，國內外學者對小凈距公路隧道已進行了相關的研究，K.W.Lo［1］和ESoliman［2］等對于小凈距隧道施工過程中的受力模式及隧道之間的相互影響進行了相應的研究和探索;Tan［3］采用數值模擬的手段研究了小凈距隧道間距對地表位移和圍巖應力的影響;近年來國內許多學者［4－11］也對小凈距隧道的施工方法與順序、施工力學狀態、施工相互影響等方面進行了研究，逐步積累了一定的經驗和成果，但研究對象基本集中在無地形偏壓或地形偏壓坡度不大于30°的情況，對大于30°的偏壓情況下小凈距隧道的研究較少，但實際工程應用難以避免遇到陡坡偏壓的情形，特別是懷通高速公路由于地形復雜、選線難度大，出現了幾座陡坡偏壓小凈距隧道，迫切需要通過相關研究降低其施工與運營風險，進一步優化設計施工的關鍵技術參數。因此，本文擬通過數值模擬，并結合工程實例，對相同條件下陡坡小凈距隧道的三種不同施工方法進行對比分析，研究IV級圍巖條件下陡坡小凈距隧道的合理施工方法，以為本工程施工提供指導，并為以后類似工程提供設計與施工方面的借鑒。

2計數值模型與工況設計

2.1計算模型與參數

結合懷通高速公路隧道工程實例，建立隧道開挖三維模型。該工程為雙洞單向行車的雙車道小凈距隧道，隧道位于低山丘陵區，基巖主要為片麻巖，巖體破碎，構造發育，隧道中部為IV級圍巖，偏壓較為嚴重，因此該隧道適合作為本研究的依托工程。整體及支護結構模型如圖1所示，單洞開挖跨度13.14m，凈距8m，拱肩覆土厚度8m，地面坡度45°，陡坡條件，模型縱向深度100m。在ABAQUS模型中，圍巖采用一階三維實體縮減積分六面體單元C3D8R，噴射混凝土板采用縮減積分四節點殼單元S4R，錨桿采用桿單元T3D2。模型參數根據《公路隧道設計細則》(JTG/TD70－2010)給出的巖質圍巖基本物理力學參數選取，混凝土的材料模型采用混凝土塑性損傷模型，初支混凝土材料彈性模型通過截面等效原則，將鋼拱架的彈性模量折算成混凝土的彈性模量計算公式(1)。E=Ec+Sg×Lg×EgSc×L(1)式(1)中:E為折算后初期支護的彈性模量，Ec為噴射混凝土彈性模量，Eg為鋼拱架彈性模量，Sc為噴射混凝土截面積，Sg為鋼拱架截面積，Lg為鋼拱架翼緣長，L為鋼拱架間距。模型中錨桿長度為3.5m，錨桿縱橫間距0.5×1.0m，噴射混凝土厚度為0.25m。圍巖及支護結構材料屬性見表1。

2.2工況設計

各施工工法橫斷面施工步流程圖以及開挖三維立體圖見表2。

3計算結果分析

3.1地表位移分析

對于陡坡小凈距隧道，地表位移是判斷圍巖與邊坡穩定性的一個重要標志，地表位移控制往往是隧道建設中的重要環節，因此也是數值分析的重要指標。地表位移分析選取初始開挖斷面上方的地表測線D1，沿隧道開挖方向先行洞拱頂上方地表測線D2和沿隧道開挖方向后行洞拱頂上方地表測線D3，如圖2所示。如圖3所示，由沉降曲線可知:3種施工方法下的地表沉降規律基本一致，最終的地表最大沉降均位于中夾巖柱中心線和淺埋洞拱頂正上方之間的位置，其最大地表沉降值有所差異。當先行洞開挖至80m(后行洞開挖至40m)，采用上下臺階法、組合法和留核心土法開挖的最大地表沉降分別為8.2mm，7.7mm和7.2mm。圖4為先行洞開挖至80m時測線D2和D3的沉降曲線，在沿隧道開挖方向的地表的沉降最大值均出現在初始開挖斷面(橫坐標的0m位置)的地表處，且相同橫坐標下的先行洞上方的地表沉降值明顯大于后行洞。采用上下臺階法、組合法和留核心土法開挖的先行洞上方最大地表沉降分別為8.1mm，7.7mm和7.4mm，后行洞上方最大地表沉降分別為5.9mm，5.5mm和5.2mm。綜合上述沉降云圖和地表沉降曲線圖可知:留核心土法開挖對地表沉降控制效果最好，其次為組合法，而上下臺階法施工引起的地表沉降最大。但總體而言，IV圍巖下的3種施工方法造成的地表沉降差別并不大，均能滿足施工期間的地表沉降控制要求。

3.2掌子面擠出位移分析

圖5為隧道先行洞開挖至80m時，先行洞和后行洞的掌子面沿隧道開挖方向上的位移云圖，灰色區域為掌子面擠出位移的區域。由圖可知，掌子面擠出主要發生在上臺階區域，而采用上下臺階開挖產生的掌子面擠出位移的區域范圍明顯要大于留核心土法，因為上臺階預留的核心土有效地“抵制”了掌子面的擠出趨勢。由于進行下一步開挖時會挖出上一步已經產生擠出位移的掌子面，所以每一步開挖都會產生新的掌子面，這就導致掌子面擠出位移并不像地表沉降一樣是各個開挖步的地表沉降的累加，而是每步開挖后重新產生的，所以掌子面擠出位移的量值并不大。從掌子面穩定性看，留核心土法的掌子面擠出位移區域最小，控制效果最好，其次是組合法，上下臺階法對掌子面穩定性最為不利。

3.3中夾巖柱特征點應力應力分析

選取連接兩隧道起拱線位置的水平線L2上的監測點A、B、C，分別位于深埋洞開挖面附近，巖柱中部以及淺埋洞開挖面附近，如圖6所示。中夾巖柱應力分析點選取巖柱近深埋洞側A點、巖柱中部B點和巖柱近淺埋洞側C點(見圖6)。采用側壁導坑法、組合法和留核心土法開挖時，中間巖柱A、B、C處最大和最小主應力見表3。根據圖7中的各點應力分布情況，無論采用哪種施工方案，中夾巖柱靠近開挖面的位置(A、C點)應力均大于巖柱中間部位(B點)，而深埋側A點的最小主應力則顯著大于淺埋側C點，最大主應力卻略小于C點，深埋側A點最大和最小應力之差最大。從應力值分析，中夾巖柱越靠近開挖面的位置受到施工擾動越大;根據應力差，中夾巖柱深埋側巖土體比淺埋側的更容易發生破壞。3種施工方法中，采用留核心土法施工的中夾巖柱的最大、最小主應力和應力差均要小于組合法和臺階法，所以留核心土法對于中夾巖柱的受力變形控制效果最好。

4結論

①結合數值模擬結果，從各自的地表位移、掌子面擠出位移以及中夾巖柱特征點的應力角度分析3種施工方法的優劣，得出留核心土法優于其它兩種方法，而組合法又優于臺階法。②隧道施工的位移場分布規律主要取決于地質條件，隧道位置和形狀等設計條件，不受施工方法影響，但隧道的施工方法會對位移量值大小產生顯著影響。③留核心土法相比于臺階法，預留的核心土有效抑制了掌子面的擠出位移，保證了掌子面的穩定性，這是導致留核心土法施工造成的巖土體變形小于臺階法的根本原因。

參考文獻：

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作者:張其來 金立豐 單位:湖南省懷化公路與橋梁建設總公司 湖南省第五工程有限公司