李揚 費維水 陳光楊 汪偉偉 薛揮杰 費建文

(昆明理工大學 昆明 650000)

0 引言

隨著城市人口規(guī)模不斷增加，城市地面交通的壓力越來越大，建設地下公路隧道已經(jīng)成為大中城市解決交通擁堵的有效手段之一。但城市地下空間開發(fā)的限制條件較多，很多時候必須要穿越一些地質(zhì)條件特殊的地區(qū)，構筑物也常常會因此而承受復雜的外力作用[1]。

淺埋偏壓小凈距土層隧道較一般隧道施工更為復雜，目前針對此類隧道有多種施工方式。選用哪種開挖方式施工，才能夠有效改善偏壓，使施工過程安全進行，這是重點問題中較為突出的一個。較常用的開挖方式有：三臺階七步開挖法、留核心土法、CD法、CRD法等；其中三臺階七步開挖法與留核心土法類似，CD法與CRD法類似。本文通過建立二維及三維數(shù)值計算模型，對比分析不同施工方式下隧道的圍巖變形、襯砌內(nèi)力，分析采用三臺階七步開挖法及CRD法施工的安全性，為后續(xù)淺埋偏壓隧道施工的研究提供參考。

1 工程概況

該道路為城市主干路，雙向六車道，設計行車速度為50 km/h。沿線隧道布置情況見表1。

表1 隧道布置情況

本次計算分析主要針對隧道部分，隧道左線長3.979 km，右線長3.948 km，隧道凈寬13.25 m。該隧道在施工過程中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況復雜，初支及地表沉降和位移超標，屬場地條件復雜工程。該段隧道處于粘聚力僅有3 kPa的素填土層中，最不利斷面隧道完全埋置于六級圍巖中，并存在淺埋、偏壓、小凈距等情況，設計和施工難度大[2]。

2 模型概況

2.1 模型設置

本文采用Midas GTS NX有限元程序進行模擬分析，考慮到邊界效應產(chǎn)生的計算誤差，模型范圍取為：左右邊界為4倍洞徑寬度，上邊界到地面。計算模型根據(jù)實際的地形建立，以便真實反映隧道周邊環(huán)境和地形情況。模型如圖1所示。

(a)三臺階七步開挖法模型

2.2 計算參數(shù)選取

本模型的圍巖采用摩爾-庫倫本構模型，初期支護和二次襯砌等支護結(jié)構采用線彈性模型；初期支護(噴層+鋼架)采用梁單元模擬；圍巖應力釋放根據(jù)工程類比和計算經(jīng)驗，在開挖+初期支護階段釋放50%，二次襯砌施作后，應力完全釋放；初始應力場僅考慮自重應力場。

通過提高土體力學參數(shù)的方法模擬超前小導管注漿及隧道基底高壓旋噴樁對周圍土體的加固作用。

根據(jù)《公路隧道設計細則》(JTG/T D70—2010)[3]、勘察報告及文獻資料[4-5]，確定物理力學計算參數(shù)如表2所示。

表2 模型物理力學計算參數(shù)

2.3 計算工況

2.3.1 加固方式

隧道采用Ⅵ級襯砌，預支護措施采用超前小導管。加固措施如圖2所示。

(a)橫斷面示意

初期支護采用C25噴射混凝土，內(nèi)置雙層φ8鋼筋網(wǎng)以及工25b鋼架，鎖腳錨桿采用小導管；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土。

對于隧道底部為土層的部分，采用直徑1 m的高壓旋噴樁進行基礎加固，旋噴樁間距3 m×3 m梅花形布置，高壓旋噴樁在洞內(nèi)基礎底設置，實施時間為初期支護成環(huán)后[6]，如圖3所示。

圖3 隧道地基加固(單位：m)

2.3.2 開挖工法

在加固及支護方式相同的前提下，本文分析了三臺階七步開挖法及CRD法兩種開挖方式，施工工序如圖4所示。

(a)三臺階七步法增設臨時仰拱開挖工序

(1)三臺階七步開挖法

施工采用三臺階七步開挖法以減小開挖高度，并在中臺階處增設兩道臨時仰拱。臨時仰拱采用噴錨+型鋼拱架進行臨時支護，開挖出來的掌子面應及時噴射混凝土封閉。

(2)CRD法

CRD法左右導坑分別設置上、中、下三臺階開挖，并在中臺階設置臨時仰拱，上臺階由于機械操作空間問題不設臨時仰拱，臨時中隔壁及臨時仰拱采用噴錨+型鋼拱架進行臨時支護。

3 模型數(shù)值分析

3.1采用不同施工方式時隧道圍巖變形及應力分析

(1)隧道圍巖變形分析

采用不同施工方式時隧道圍巖豎向位移情況如表3所示。對比表中數(shù)據(jù)可以看出，CRD法能更好的控制圍巖的變形。與臺階法相比，CRD法的拱頂位移減小了約300 mm，邊墻及拱腳的圍巖豎向位移減小200 mm左右，仰拱的變形由下沉變?yōu)榱烁欣谒淼朗芰Φ穆∑?。采用不同施工方式時隧道圍巖變形分布如圖5、圖6所示。

圖6 采用不同施工方式時隧道圍巖豎向位移折線

表3 隧道圍巖豎向位移值統(tǒng)計表 mm

(a)臺階法

不同施工方式下隧道圍巖豎向位移折線表明，從多個角度看，CRD法控制圍巖變形的能力都優(yōu)于臺階法。且如果采用臺階法開挖，隧道圍巖變形不能滿足《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》(Q/CR 9218—2015)的要求[7]。

(2)隧道圍巖應力分析

采用不同施工方式時隧道圍巖最大、最小主應力統(tǒng)計如表4、表5所示，圍巖最大、最小主應力云圖如圖7所示。

表4 隧道圍巖最大主應力統(tǒng)計表 kPa

表5 隧道圍巖最小主應力統(tǒng)計表 kPa

(a)臺階法隧道圍巖最大主應力

對比采用不同開挖方式時隧道圍巖最大主應力可知，臺階法施工時隧道的最小主應力為1 332.9 kPa的壓應力，遠小于混凝土的抗壓強度[8]；最大主應力為200.5 kPa的拉應力，雖然不大，但是對于圍巖及襯砌的受力是不利的。而CRD法施工時的隧道最大、最小主應力均為壓應力，且遠小于混凝土抗壓強度。因此，CRD法開挖時隧道圍巖的應力更加合理。

3.2 采用不同施工方式時隧道初期襯砌內(nèi)力分析

不同施工方式下隧道初期支護噴層內(nèi)力統(tǒng)計如表6所示。

表6 隧道初期支護噴層內(nèi)力最大值統(tǒng)計

通過對比表中數(shù)據(jù)可以看出，采用臺階法與CRD法兩種方法開挖，隧道初期支護的內(nèi)力也有較大差距。軸力相差約150 kN，彎矩相差約200 kN·m，剪力相差約80 kN?？偟膩碚f，采用CRD法開挖時隧道初期支護的內(nèi)力更小更有利。

4 結(jié)語

(1)采用三臺階七步開挖法時隧道圍巖的變形遠遠大于采用CRD法開挖，從圍巖變形的角度來看，在此類土體中采用三臺階七步開挖法不太適合，比較不安全。

(2)從隧道圍巖應力的數(shù)值上看，采用三臺階七步開挖法或CRD法開挖隧道的圍巖應力都是滿足要求的，但三臺階七步開挖法的隧道圍巖應力中出現(xiàn)了拉應力，這是比較不利的，因此CRD法更加合理。

(3)比較三臺階七步開挖法與CRD法的隧道初期襯砌內(nèi)力可知，兩種方法的隧道初期襯砌內(nèi)力都是滿足要求的，但CRD法的初期襯砌內(nèi)力更加合理。

(4)在此類土體中對淺埋偏壓土層隧道進行施工時，采用三臺階七步開挖法雖然工期短、成本低，有一定的可行性，但是具有較高的風險，CRD法相對更合適，安全性更高。