烏樹頭隧道施工方案優(yōu)化選擇

烏樹頭隧道施工方案優(yōu)化選擇崔向陽;丁浩【摘要】對于圍巖穩(wěn)定性差的淺埋隧道,合理的施工工法對于保證隧道施工安全性,控制施工質(zhì)量有重大的意義?以烏樹頭隧道為例，綜合分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法(單側(cè)壁導(dǎo)坑法)、三臺階加臨時仰拱法3種不同的施工方法，運用FLAC軟件對3種工法數(shù)值模擬,分析不同施工工法隧道的塑性區(qū)變化、圍巖變形,提出符合本工程的施工工法，并同時對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.研究結(jié)果得出，采用雙側(cè)壁法可以保證圍巖穩(wěn)定性及圍巖變形量最小,并對雙側(cè)壁法施工參數(shù)和關(guān)鍵步驟進(jìn)行了優(yōu)化,可為此類高速公路隧道施工提供一定的參考.期刊名稱】《華東交通大學(xué)學(xué)報》年(卷),期】2019(036)002【總頁數(shù)】7頁(P22-28)【關(guān)鍵詞】公路隧道;塑性區(qū);施工方法;方案優(yōu)化【作者】崔向陽;丁浩【作者單位】重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶400074;招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶400067;重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶400074;招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶400067【正文語種】中文中圖分類】U45隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隧道越來越多的出現(xiàn)在各個地方高速公路的建設(shè)中。而山嶺隧道圍巖穩(wěn)定性差，偏壓等特點使得山嶺隧道在修建過程中施工方法的選擇變得尤為重要［1］。現(xiàn)行規(guī)范并沒有對各種施工工法做出有效的參考和規(guī)定，而合理的施工工法在加快施工進(jìn)度、保證施工安全、節(jié)約資金方面能起到了顯著的作用。另外合理的施工工法能夠有效減少圍巖擾動，保證施工安全，加快施工進(jìn)度。因此，采取合理的施工工法對控制沉降和減少偏壓影響有至關(guān)重要的作用［2］。對于圍巖穩(wěn)定性差的隧道施工方法的選用，國內(nèi)外學(xué)者運用理論與數(shù)值模擬在隧道開挖方面做了以下研究：徐瑞寧運用FLAC3D軟件對昔格達(dá)地層進(jìn)行了仿真模擬，模擬了5種隧道施工工況，得出了設(shè)計預(yù)留變形量為10~15cm,10cm以內(nèi)時分別采用三臺階法和CRD法［3］。舒東利等通過調(diào)研分析和運用滲流場-附加膨脹應(yīng)力耦合方法進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了臺階法更加適合隧道開挖且開挖進(jìn)尺小于等于1.5m［4］。卿偉宸等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場檢測對烏蒙山特大跨度四線鐵路研究，表明運用撐索轉(zhuǎn)換和以索代撐等方式實現(xiàn)了特大跨度隧道臺階法施工［5］。刁心宏等通過對不同開挖方案下隧道圍巖穩(wěn)定性及流變性采用數(shù)值模擬方法分析，得出了圍巖位移變化主要發(fā)生在拱頂，其中最大變形量與循環(huán)尺寸有關(guān)［6］。雖然，上述對于圍巖穩(wěn)定性差的隧道從施工工法方面做了研究，但是僅僅運用數(shù)值模擬得出了影響圍巖穩(wěn)定性的因素，并沒有比選出適合此類圍巖條件的施工工法，也沒有通過監(jiān)測數(shù)據(jù)去驗證模擬結(jié)果［7］。本文從汕湛高速公路惠州至清遠(yuǎn)段TJ4標(biāo)段入手，分析了該項工程中烏樹頭隧道在圍巖條件較差時選取了3種不同的施工工法，并通過對施工現(xiàn)場中施工過程進(jìn)行監(jiān)測與分析，得出了適合此類工程的方法，研究結(jié)果可為此類圍巖條件下隧道施工提供參考［8-11］。1工程概況工程簡介與力學(xué)參數(shù)烏樹頭隧道位于廣東省廣樂高速公路如圖1所示，該洞形為三心圓形式，跨度m，高度11.8m，考慮設(shè)計預(yù)留變形量15cm，則開挖跨度達(dá)17.5m，高度12.1m。進(jìn)口段仰坡坡面上為第四系崩坡積粉質(zhì)粘土夾碎塊石土，結(jié)構(gòu)松散-稍密。穩(wěn)定性較差，土層厚3.0-9.50m，自然斜坡穩(wěn)定。下覆基巖為泥盆系中下統(tǒng)砂巖，強(qiáng)度較低，抗風(fēng)化能力較弱，裂隙發(fā)育。出口段仰坡坡面上為第四系崩坡積粉質(zhì)粘土夾碎塊石土，結(jié)構(gòu)松散-稍密?；鶐r為花崗閃長巖，強(qiáng)度較低，巖體破碎，差異風(fēng)化嚴(yán)重，局部還有接觸熱變質(zhì)作用形成的變質(zhì)巖，巖性較復(fù)雜，裂隙發(fā)育。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)勘察與調(diào)研資料可知，隧道處圍巖級別為IV-V級。圍巖力學(xué)參數(shù)分布情況如表1所示。C25噴射混凝土，厚度30cm;I22b型鋼鋼架，間距0.6m;雙層f8鋼筋網(wǎng)，間距20cmx20cm;D25中空注漿錨桿,L=4m,間距1mx0.6m（環(huán)向x縱向）；C25鋼筋混凝土二次襯砌，厚度60cm。圖1烏樹頭隧道項目平面圖Fig.1Wushutoutunnelprojectplan表1圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)Tab.1Parametersofsurroundingrockandsupportmechanical圍巖級別IV222.40.31300.30V201.30.35220.12重度y/（kN/m3）變形模量E/GPa泊松比p內(nèi)摩擦角屮/（。）粘聚力c/MPa采用數(shù)值計算軟件FLAC3D進(jìn)行模擬，在模擬過程中，圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，支護(hù)采用彈性本構(gòu)關(guān)系，初支采用shell單元，二襯為實體單元［12］。數(shù)值模擬模型沿隧道縱向總長為100m，左右各寬度為35m。模型頂部為自由邊界，底部施加固定約束，四周施加位移約束。開挖順序及過程本工程隧道開挖必須要錯開一定距離才能盡量減少之間的擾動。開挖過程中遵循以下原則：掘進(jìn)上下臺階時按相差30m開挖，后掘進(jìn)的臺階按相差10m開挖，每次開挖進(jìn)尺2m。下臺階施工完成后進(jìn)行仰拱施工，掌子面開挖完成后立刻進(jìn)行初支施工。根據(jù)現(xiàn)場的施工能力、地質(zhì)條件、施工機(jī)具配置等方面因素，對可能用到的雙側(cè)壁法、三臺階法和CD法3種施工工法進(jìn)行數(shù)值模擬，對比最適合實際的最優(yōu)開挖方法。3種施工工法開挖順序如圖2所示，其中圖上所對應(yīng)的的編號順序為每種施工工法對應(yīng)的開挖順序。圖2開挖方式示意圖（單位：m）Fig.2Schematicdiagramofexcavation（Unit：m）2數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)及分析2.1圍巖塑性區(qū)穩(wěn)定性分析隧道分別采用3種施工工法開挖及襯砌完成后，提取每種施工工法模擬結(jié)果進(jìn)行圍巖塑性區(qū)穩(wěn)定性分析，如圖3~圖5所示。圖3雙側(cè)壁法開挖后塑性區(qū)分布圖Fig.3Distributionofplasticzoneafterexcavationbydoublesidewallmethod在雙側(cè)壁法右側(cè)壁導(dǎo)坑開挖時，右部塑形區(qū)向圍巖深部延伸范圍約4m，而中導(dǎo)洞跨度范圍內(nèi)塑形區(qū)貫通。值得注意的是，左導(dǎo)坑塑性區(qū)受右導(dǎo)坑開挖影響不明顯，未見擴(kuò)展。雙側(cè)壁法中導(dǎo)洞開挖時，洞頂塑性區(qū)急劇發(fā)展，向上延伸至地表如圖3所示。表明在雙側(cè)壁工法下，左、右導(dǎo)坑的開挖均能較好地控制圍巖變形，圍巖尚能發(fā)揮一定的承載能力，在中導(dǎo)坑開挖時，3個小導(dǎo)坑相連，整跨跨度擴(kuò)大，塑性區(qū)擴(kuò)大至地表，圍巖自身強(qiáng)度喪失，此時，后期增加荷載必須依靠支護(hù)本身的支撐能力予以承擔(dān)。圖4三臺階法開挖后塑性區(qū)分布圖Fig.4Distributionofplasticzoneafterexcavationbythree-stepmethod由圖4可知，三臺階法上臺階弧形導(dǎo)坑開挖后，剪應(yīng)變主要發(fā)生在弧形導(dǎo)坑的拱腳部位；中臺階開挖后，臺階底部鋼架腳部位置的剪應(yīng)變增加顯著，并向下垂直延伸，表明此時臺階底部基礎(chǔ)主要以承受鋼架底腳局部壓力為主，沖剪滑移破壞現(xiàn)象明顯。下臺階開挖時，鋼架底腳的局部壓力效應(yīng)不再顯現(xiàn)，圍巖剪切應(yīng)變自邊墻墻腳向墻頂乃至地表擴(kuò)張，有貫通趨勢。剪應(yīng)變在洞周形成完全的“蝴蝶”形狀，如此時支護(hù)不及時，剪應(yīng)變將導(dǎo)致圍巖在邊墻部發(fā)生剝離松弛而掉落。從剪應(yīng)變的發(fā)生與發(fā)展規(guī)律看，三臺階工法的弧形導(dǎo)坑基腳為抗沖剪關(guān)鍵位置，拱肩部為剪應(yīng)變向地表發(fā)展，位置如圖4所示，建議可在該兩處設(shè)置鎖腳錨桿，改善圍巖承載性能。圖5CD法開挖后塑性區(qū)分布圖Fig.5DistributionofplasticzoneafterCDexcavation由圖5可知，CD法左側(cè)壁導(dǎo)坑上臺階開挖后，在支護(hù)與圍巖的共同作用下，洞周塑性區(qū)尚控制在圍巖，圍巖具備一定的承載能力；左側(cè)壁導(dǎo)坑下臺階開挖后，盡管有支護(hù)作用，圍巖塑性區(qū)自墻腳與地表基本貫通，處于臨界平衡狀態(tài)。受左側(cè)壁開挖的影響，右側(cè)壁導(dǎo)坑開挖后，右側(cè)塑性區(qū)發(fā)展至地表，整個拱部兩側(cè)的塑形區(qū)均與地表連通如圖5所示。右側(cè)壁導(dǎo)坑開挖后，盡管初期支護(hù)封閉，但其頂部圍巖已經(jīng)喪失承載能力，荷載基本由洞頂全土柱重量構(gòu)成，除去兩側(cè)圍巖對屈服區(qū)的夾持力外，其余荷載全部由初期支護(hù)承擔(dān)。因此，雙側(cè)壁法隧道開挖，當(dāng)中導(dǎo)洞隧道開挖時塑性區(qū)擴(kuò)大，應(yīng)及時施做初支和二襯從而防止圍巖變形過大，發(fā)生危險；三臺階法隧道開挖時，隧道導(dǎo)坑基腳為沖剪的關(guān)鍵部位，應(yīng)及時加固；CD法隧道開挖，隨著右洞隧道開挖，隧道上方圍巖已喪失承載能力，荷載基本由初支承擔(dān)，應(yīng)保證初支質(zhì)量和及時二襯。圍巖變形分析取不同開挖方式下開挖完成后不同位置截面上拱頂、拱腳位移值如表2~表4所示。由表2可知，采用雙側(cè)壁法開挖時，隧道拱頂沉降量約為其他兩種工法的50%，初期支護(hù)封閉前，在左導(dǎo)坑的上、下臺階開挖中，又以上臺階開挖占當(dāng)前導(dǎo)坑沉降值的比例最大，達(dá)87.5%，下臺階開挖僅占12.5%；在右導(dǎo)坑的上、下臺階開挖中，以上臺階開挖占當(dāng)前導(dǎo)坑沉降值的比例最大，達(dá)88.1%，下臺階開挖僅占11.9%；在中導(dǎo)坑的上、下臺階開挖中，以上臺階開挖占當(dāng)前導(dǎo)坑沉降值的比例最大，達(dá)86.3%，下臺階開挖僅占12.5%。表2雙側(cè)壁法隧道沉降量與階段拱頂下沉量Tab.2Settlementofdouble-sidetunnelandstagecrownsubsidencemm測點位置階段沉降量總沉降左洞開挖右洞開挖中洞開挖拆撐前拆撐后1左導(dǎo)坑拱頂4.71.30.76.77.52右導(dǎo)坑拱頂0.97.40.99.29.93中導(dǎo)坑拱頂2.95.35.213.414.3由表3可知三臺階法施工左、右拱腳總沉降量與拱頂接近，表明弧形導(dǎo)坑拱部支護(hù)存在一定的整體下沉。上、中臺階開挖對拱腳的沉降影響最大，合計占比85.7%~86.3%，而尤以中臺階較為突出，約占53%，這是由于中臺階錯臺開挖，左、右拱腳局部短暫懸空所致。因此，必須強(qiáng)調(diào)在拱腳施做鎖腳錨桿及臨時槽鋼墊板，增加拱腳承載能力，此外還需控制中臺階一次開挖長度，并及時接長拱腳至中臺階底部的鋼架。表3三臺階法隧道沉降量與階段拱頂下沉量Tab.3Settlementofthree-steptunnelandstagesubsidencemm開挖階段沉降量測點位置總沉降上臺階中臺階下臺階核心土仰拱1拱頂5.945.411.430.03-0.1712.642左拱腳3.575.771.670.02-0.1310.903右拱腳3.535.681.590.05-0.1710.68由表4可知CD法施工左上臺階的開挖對左導(dǎo)坑拱頂沉降影響最大，階段貢獻(xiàn)占比49.6，其次為右上臺階開挖，階段貢獻(xiàn)占比16.2%，其余各階段對其貢獻(xiàn)為10%左右。左、右上臺階的開挖對右導(dǎo)坑拱頂沉降影響最大，階段貢獻(xiàn)占比42.8%，36.1%，其余各階段對其貢獻(xiàn)為10%左右。拆除中隔壁臨時支撐對于拱頂沉降的貢獻(xiàn)比為10%~14%，影響不大。但由于拆撐時圍巖可能處于極限平衡狀態(tài)，一次拆除可能導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)；因此必須多次拆除，并做好監(jiān)控量測工作，及時跟進(jìn)施做二次襯砌。表4CD法隧道沉降量與階段拱頂下沉量Tab.4ThesettlementofthetunnelbyCDmethodandtheamountofcollapseofthestagevaultmm階段沉降量測點位置總沉降左上臺階左下臺階右上臺階右下臺階拆撐后1左導(dǎo)坑拱頂7.721.192.521.952.1715.552右導(dǎo)坑拱頂7.721.856.52.051.8518.03開挖方式的選擇綜上分析可知，在烏樹頭隧道段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑進(jìn)行實地開挖可使隧道導(dǎo)坑拱頂位移達(dá)到最小，左導(dǎo)洞拱頂僅為6.7mm，右導(dǎo)洞拱頂為9.2mm，中導(dǎo)洞拱頂為13.4mm左右，且左、右導(dǎo)洞開挖塑性區(qū)變化不明顯，能較好地控制圍巖變形，只有在中導(dǎo)洞開挖時，洞頂?shù)乃苄詤^(qū)才急劇發(fā)展，圍巖強(qiáng)度喪失。三臺階法開挖與其他兩種方式對比拱腳部分剪應(yīng)變增加顯著，當(dāng)下臺階開挖時圍巖所受剪切應(yīng)變自邊墻墻角向上擴(kuò)展直至地表，此時圍巖自承能力完全喪失；因此，三臺階法對于控制圍巖變形較弱，需要額外提前加固圍巖。CD法基本與三臺階法類似，右洞下臺階開挖后圍巖承載能力已經(jīng)喪失；因此，圍巖變形較大，不利于施工安全。綜上所述，可以得出烏樹頭隧道段采用雙側(cè)壁法要優(yōu)于其他兩種施工工法。3現(xiàn)場地面沉降監(jiān)測在隧道拱頂?shù)淖?、中、右?dǎo)坑拱頂共設(shè)置3個沉降測點，在側(cè)壁導(dǎo)坑邊墻設(shè)置2個水平位移測點。沉降測點和水平測點均處于同一斷面，通過這5個監(jiān)測點可得到整個隧道開挖過程（開挖、初支、二襯）中隧道整體的沉降及水平收斂大小。由圖6可以看出在采用雙側(cè)壁法隧道開挖過程中，左、中、右導(dǎo)坑拱頂沉降一開始增速較快，后緩慢增大。到拆除中隔壁時，沉降量突然增大，接下來施做二襯后，沉降基本不再變化。由于開挖順序是左導(dǎo)坑在前，右導(dǎo)坑居中，中導(dǎo)坑最后，左導(dǎo)坑超前右導(dǎo)坑15m，同時沉降測點距模型邊緣10m。在左導(dǎo)坑掌子面到達(dá)沉降測點斷面時，右導(dǎo)坑、中導(dǎo)坑尚未開挖，故圖中一開始是左導(dǎo)坑拱頂沉降量最大。從圖中還可看出，中導(dǎo)坑拱頂沉降值最大，約為8.5mm，左導(dǎo)坑拱頂沉降值最小，約為5.2mm。從圖7中可看出，采用雙側(cè)壁法施工在拆除中隔壁之前，在左導(dǎo)坑開挖至監(jiān)測點斷面時，左監(jiān)測點水平位移迅速增大，到后期基本不變。在右導(dǎo)坑開挖至監(jiān)測點斷面時，右監(jiān)測點水平位移迅速增大，到后期基本不變，同時，前期左導(dǎo)坑的開挖對右監(jiān)測點水平位移也有一定的影響。在拆除中隔壁時，左、右監(jiān)測點水平位移均突然減小，接下來施做二襯后，水平收斂基本不再變化。水平收斂的最大值發(fā)生在隧道的開挖過程中，而非后期的二襯施做過程。水平收斂最大值約為5.2mm，小于隧道中心線拱頂沉降，符合實際情況。圖6雙側(cè)壁工法隧道左、中、右導(dǎo)坑拱頂沉降曲線Fig.6Settlementcurveoftheleft,middleandrightguidetunnelsofthedouble-walledtunnel圖7雙側(cè)壁工法隧道水平位移曲線Fig.7Horizontaldisplacementcurveofdouble-walledtunnel4結(jié)論通過以上對烏樹頭隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，分別對雙側(cè)壁法、留核心土法、CD法3種開挖方法進(jìn)行對比分析，得出了不同施工工法進(jìn)行施工時隧道所對應(yīng)不同的塑性區(qū)圍巖變形及地表監(jiān)測沉降情況，總結(jié)以上規(guī)律得出以下結(jié)論：1） 本工程中主洞洞身段V級淺埋段、土質(zhì)圍巖段或風(fēng)化、破碎較為嚴(yán)重的洞口段地段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，通過與其他兩種施工工法對比，在采用支護(hù)條件適當(dāng)?shù)那闆r下，左導(dǎo)洞開挖洞頂沉降最小，約為5.2mm，隨著中導(dǎo)洞的開挖洞頂沉降最大值約為8.3mm，沉降范圍可控，水平收斂最大值約為5.2mm，小于隧道中心線拱頂沉降，符合實際情況；因此，采用雙側(cè)壁法開挖優(yōu)于其他兩種方法。2） 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的側(cè)壁導(dǎo)坑領(lǐng)先長度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場具體情況確定，左右側(cè)導(dǎo)坑錯開距離應(yīng)按開挖一側(cè)導(dǎo)坑引起圍巖應(yīng)力重新分布的影響不波及另一側(cè)導(dǎo)坑穩(wěn)定為原則予以確定，本工程宜取15m，導(dǎo)坑上臺階長度宜為5m，下臺階長度宜為7.5m。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的中隔壁拆除長度宜為10m，二次襯砌滯后距離宜為30m。側(cè)壁導(dǎo)坑開挖為關(guān)鍵施工序，而上臺階開挖為重中之重。需要控制側(cè)壁導(dǎo)坑上臺階開挖單個循環(huán)一次進(jìn)尺，必須及時跟進(jìn)支護(hù)，縮短開挖進(jìn)尺，控制關(guān)鍵工序的沉降變形與水平位移。另外臨時中隔壁拆除也應(yīng)為關(guān)鍵工序，并加以控制且中隔壁在隧道軸向分距離進(jìn)行多次拆除。為防掌子面坍塌，噴射混凝土應(yīng)緊跟開挖作業(yè)面，及早封閉巖面，必要時用噴混凝土封閉掌子面和預(yù)留核心土，分部開挖等應(yīng)急方案。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】丁建隆?淺