石常生+李賀朋+董文魯

摘 要：以京滬高速濟(jì)南連接線超大斷面公路隧道工程為依托，對Ⅳ級圍巖條件下采用的半步“CD”法隧道施工變形規(guī)律進(jìn)行研究，對結(jié)構(gòu)變形提出針對性控制措施。結(jié)果表明：半步“CD”法施工，拱頂沉降及收斂監(jiān)測值較“CD”法開挖小，在保證施工安全及進(jìn)度的前提下，大大縮短了施工周期及支護(hù)成環(huán)時間，對相似超大斷面隧道施工提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道工程；超大斷面隧道；半步“CD”法；數(shù)值模擬；監(jiān)控量測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.101

1 前言

周丁恒[1]等對洞口邊坡及不同圍巖情況下的隧道變形規(guī)律、控制大變形的工程措施進(jìn)行了分析，并提出控制大變形的工程措施。袁勇和王勝輝[2]采用FLAC 數(shù)值模擬平臺分析了其在超大斷面低扁平率公路隧道穩(wěn)定性方面的效果。肖同強(qiáng)等[3]利用現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬等方法分析超大斷面硐室變形及破壞機(jī)理，提出了分區(qū)耦合支護(hù)圍巖穩(wěn)定控制原理。本文以京滬高速濟(jì)南連接線港溝隧道為工程依托，采用FLAC有限元分析與現(xiàn)場監(jiān)測的方法，對半步“CD”法開挖技術(shù)進(jìn)行研究，揭示超大斷面隧道IV級圍巖開挖變形機(jī)理，同時對隧道的設(shè)計、支護(hù)施做時機(jī)的選取和施工過程中的工法選擇等提供相應(yīng)指導(dǎo)。

2 工程概況

港溝隧道位于濟(jì)南市歷城區(qū)太平莊村東北側(cè)，進(jìn)口位于港溝村西南側(cè)，出口位于濟(jì)南民兵訓(xùn)練中心南側(cè)。本區(qū)位于魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上的中部丘陵地區(qū)，海拔100～900米，隧址區(qū)地勢起伏，海拔240～400米，切割深度100～200米，地形坡度20～50°。

（1）工程地質(zhì)水文狀況。據(jù)踏勘、鉆探揭露，與隧道工程有關(guān)的地層主要為第四系上更新統(tǒng)洪積層（Q3pl）、奧陶系馬家溝組（O2nl）、奧陶系冶里-亮甲山組（O1y+l）、寒武系鳳山組（∈3f）。隧道區(qū)出露地層為奧陶系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r，局部溝谷地段上覆上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土及碎石。

隧址區(qū)出露的巖性為奧陶系寒武系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動影響，隧址區(qū)局部節(jié)理密集帶或構(gòu)造斷裂帶發(fā)育。

（2）隧道半步“CD”法施工方案。針對隧道Ⅳ級圍巖開挖段，試采用改進(jìn)“CD”法—半步“CD”法進(jìn)行施工。施工時，第一步開挖先行導(dǎo)坑上臺階1，隨后進(jìn)行Ⅰ、Ⅱ上部初期支護(hù)；其次開挖后行導(dǎo)坑上臺階2，施作初期支護(hù)Ⅲ上部；開挖后行導(dǎo)坑下臺階3，初期支護(hù)Ⅰ下部；開挖后行導(dǎo)坑下臺階4，初期支護(hù)Ⅲ下部；最后拆除中隔壁臨時支護(hù)，開挖下臺階核心土5，進(jìn)行初期支護(hù)Ⅲ下部及仰拱封閉；最后位移變化速率達(dá)到要求，進(jìn)行仰拱模筑Ⅳ、拱墻模筑Ⅴ。

設(shè)計支護(hù)參數(shù)為：拱部采用Φ42×4mm超前注漿小導(dǎo)管，長4.5m，環(huán)向間距40cm；采用3m長Φ22砂漿錨桿鎖腳；鋼筋網(wǎng)采用Φ8@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)片，鋼拱架為I18型型鋼，縱向間距80cm，噴射C25混凝土厚20cm。

3 監(jiān)控量測結(jié)果

通過對兩種施工工法進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，拱頂沉降、凈空收斂監(jiān)測結(jié)果得出隧道開挖后一周左右為變形劇烈變化階段，隨著掌子面開挖，后方圍巖變形逐漸穩(wěn)定。隧道半步“CD”法開挖，采用設(shè)計支護(hù)方案，其拱頂沉降、凈空收斂監(jiān)測值均比“CD”法開挖小，其累計變化量均小于10mm。

4 數(shù)值模擬

（1）模型的建立。結(jié)合工程現(xiàn)場情況，采用有限元分析軟件ANSYS建立數(shù)值模擬模型，利用專有軟件接口將模型導(dǎo)入FLAC3D軟件進(jìn)行計算、進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模型如圖1所示。

（2） 數(shù)值模擬結(jié)果分析。隧道在開挖之后變形以豎向沉降為主，拱頂附近變形最大，凈空收斂較拱頂沉降小，主要出現(xiàn)在兩側(cè)拱腰位置。通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比可以得到，兩者比較接近，但是數(shù)值模擬結(jié)果均比實測值大。分析其原因可能是數(shù)值分析所用的巖土參數(shù)是根據(jù)勘察資料以及結(jié)合前人的研究成果得到的，與現(xiàn)場實際情況可能有差別。另一方面數(shù)值模擬采用的支護(hù)方式較實際施工簡單，未考慮錨桿、鋼拱架等支護(hù)作用，支護(hù)效果較實際施工差。

5 結(jié)論

對Ⅳ級圍巖半步“CD”法施工圍巖變形規(guī)律進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：

（1）通過數(shù)值模擬與實際施工相比較，隧道開挖后，按照設(shè)計參數(shù)進(jìn)行初期支護(hù)的方法，可以較好的控制圍巖大變形，在實際應(yīng)用中得到驗證。

（2）針對隧道Ⅳ級圍巖開挖段，試采用改進(jìn)“CD”法—半步“CD”法進(jìn)行施工。通過現(xiàn)場監(jiān)測，半步“CD”法施工拱頂沉降及收斂監(jiān)測值較“CD”法開挖較小，證實采用半步“CD”法開挖對周邊圍巖二次擾動較小，在保證安全、質(zhì)量的前提下，加快了初期支護(hù)封閉成環(huán)的速度，為周邊圍巖的快速穩(wěn)定和初期支護(hù)盡快形成支撐環(huán)起到了積極的作用，同時為下一步施工的安全提供了有力的保障。對相似隧道工程半步“CD”法施工提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]周丁恒，曹力橋，曲海鋒等.不同圍巖情況下特大斷面公路隧道施工變形監(jiān)測與控制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（12）：2510-2519.

[2]袁勇，王勝輝.超大斷面低扁平率公路隧洞先成預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)新型支護(hù)體系數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2008.

[3]肖同強(qiáng)，李化敏，楊建立等.超大斷面硐室圍巖變形破壞機(jī)理及控制[J].煤炭學(xué)報，2014.endprint