黎建華

(中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司，湖北 武漢 430200)

0 引 言

在軟弱圍巖及復(fù)雜工程地質(zhì)條件下進(jìn)行山嶺隧道修建時(shí)，往往采用傳統(tǒng)的臺(tái)階法開挖以保證施工安全性[1-2]。但臺(tái)階法開挖對圍巖擾動(dòng)次數(shù)較多，開挖頻次高、施工組織及工序復(fù)雜、作業(yè)空間有限、施工效率低[3- 4]。近年來，隨著新奧法理論的不斷發(fā)展和運(yùn)用，隧道建設(shè)理念開始逐漸向減少對洞室?guī)r體的擾動(dòng)破壞，發(fā)揮圍巖結(jié)構(gòu)自承效應(yīng)的方向轉(zhuǎn)變[5- 6]，全斷面開挖方法及相應(yīng)的機(jī)械化配套施工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者也對此展開了大量的研究。Merlini[7]總結(jié)了橫貫瑞士阿爾卑斯山脈的平坦鐵路南段塞涅里隧道開挖及施工方法對掌子面穩(wěn)定性的影響；Shah[8]通過數(shù)值模擬手段研究了隧道機(jī)械化開挖過程中開挖順序，工作面支護(hù)手段對地表沉降的影響及控制方法；崔光耀等[9]通過數(shù)值模擬綜合比較了以臺(tái)階法為基礎(chǔ)的多種施工方法對大斷面鐵路隧道開挖穩(wěn)定性的影響，提出了三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的優(yōu)越性；趙明階等[10]針對巖溶區(qū)隧道全斷面開挖后的圍巖穩(wěn)定性展開了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，并結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果得出了最優(yōu)支護(hù)時(shí)機(jī)和圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法；徐穩(wěn)超、湯憲高等[11-12]以貴廣鐵路為例，詳細(xì)研究了在II、III級(jí)圍巖條件下的大斷面隧道開挖機(jī)械化配套適用性，并提出了未來機(jī)械化施工的適用范圍，通過與普通鉆爆法進(jìn)行詳細(xì)比對，證明了機(jī)械化施工高效高質(zhì)，工期短等顯著優(yōu)勢；田佳等[13]詳細(xì)研究了高速鐵路大斷面隧道機(jī)械化施工裝置、施工組織以及施工安全等，合微，臺(tái)階全斷面法開挖適用條件，得出了隧道大斷面機(jī)械化施工連續(xù)作業(yè)方法；李書兵[14]通過開展全斷面機(jī)械化爆破施工測試，研究了現(xiàn)場支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征隨時(shí)間的變化規(guī)律。目前在隧道機(jī)械化施工條件下，受作業(yè)設(shè)備操作空間影響，臺(tái)階法施工很難充分發(fā)揮機(jī)械化施工高效優(yōu)勢。目前，我國機(jī)械化配套全斷面開挖工法僅適用于地質(zhì)條件相對較好的I～I(xiàn)II級(jí)圍巖小斷面山嶺隧道。一方面，我國目前的機(jī)械化施工多應(yīng)用于單一工序，整體系統(tǒng)性的機(jī)械化施工水平相對較低；另一方面，由于缺乏大型機(jī)械化配套全斷面開挖現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)及優(yōu)化研究，僅僅是數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)得到的成果，應(yīng)用和推廣具有一定的局限性。

本文以鄭萬高鐵高家坪隧道為依托，采用了國內(nèi)先進(jìn)的全電腦三臂鑿巖臺(tái)車、拱架安裝臺(tái)車等大型機(jī)械裝備，開展機(jī)械化配套施工。在考慮界面接觸效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)段的長期測試與分析，研究了V級(jí)圍巖條件下傳統(tǒng)臺(tái)階法和全斷面機(jī)械化開挖對隧道變形規(guī)律的影響，對保證高家坪隧道進(jìn)口軟弱圍巖地段機(jī)械化施工安全，確保施工效率具有重要意義。

1 工程概況

高家坪隧道位于湖北省南漳縣李廟鎮(zhèn)境內(nèi)，全長5 498 m。進(jìn)口起訖里程為DK449+037～DK452+300，全長3 263 m，其中IV級(jí)和V級(jí)圍巖占比達(dá)到54.24%。圍巖分級(jí)長度及占比見圖1。隧道最大埋深320 m，縱坡設(shè)計(jì)為23‰，順坡施工。隧道圍巖主要為頁巖及灰?guī)r，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，主要不良地質(zhì)體為巖溶，易發(fā)生突水、突泥。DK450+150～DK450+280穿越炭質(zhì)頁巖夾煤線瓦斯地層，施工中可能發(fā)生瓦斯泄漏風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件較差，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，屬Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

圖1 圍巖分級(jí)長度及占比

2 現(xiàn)場監(jiān)控量測

全斷面機(jī)械化施工見圖2。為獲取軟弱圍巖地段不同開挖工法施工的圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的受力水平、規(guī)律，驗(yàn)證設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否滿足要求，為今后設(shè)計(jì)和施工方案制定提供科學(xué)依據(jù)，選取某一試驗(yàn)段開展針對性監(jiān)控量測工作。施工工法主要選擇三臺(tái)階法、兩臺(tái)階法、全斷面帶仰拱進(jìn)行綜合比較。為保證選取的斷面具有相同條件，此次均選取巖性相近的頁巖，圍巖級(jí)別為V級(jí)，對比施作小導(dǎo)管后的襯砌類型Vcw與采取了管棚和掌子面超前預(yù)加固措施后的襯砌類型VK1的支護(hù)參數(shù)。每種工法開挖均分別選取了2個(gè)試驗(yàn)斷面進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測，共6個(gè)試驗(yàn)斷面。量測項(xiàng)目主要為拱頂沉降和洞周收斂。監(jiān)控量測點(diǎn)布設(shè)見圖3。

圖2 現(xiàn)場機(jī)械化施工

圖3 監(jiān)控量測點(diǎn)布設(shè)

2.1 臺(tái)階法開挖監(jiān)控量測

選取隧道進(jìn)口DK449+073和DK449+083試驗(yàn)斷面開展三臺(tái)階法開挖監(jiān)控量測；選取隧道進(jìn)口DK449+093和DK449+098試驗(yàn)斷面開展兩臺(tái)階法開挖監(jiān)控量測；大型機(jī)械化配套全斷面開挖(帶仰拱)選擇DK449+403和DK449+463試驗(yàn)斷面。沉降監(jiān)測曲線見圖4、5。從圖4、5可知：

圖4 拱頂沉降監(jiān)測

圖5 洞周收斂監(jiān)測

(1)三臺(tái)階法開挖。以DK449+073為例，斷面在開挖后30 d內(nèi)，上臺(tái)階拱頂(測點(diǎn)A)下沉量顯著增加，之后逐漸趨于穩(wěn)定。在79 d的監(jiān)測周期內(nèi)，累計(jì)沉降量22.6 mm，平均沉降速率0.29 mm/d，最大沉降速率2.09 mm/d。上臺(tái)階邊墻在開挖后15 d內(nèi)發(fā)生顯著洞周收斂，平均收斂速率0.086 mm/d，最大收斂速率1.71 mm/d，累計(jì)收斂6.8 mm。中臺(tái)階邊墻在開挖10 d內(nèi)收斂明顯，在71 d的監(jiān)測周期內(nèi)，累計(jì)收斂量6.9 mm，平均收斂速率0.1 mm/d，最大收斂速率1.39 mm/d。下臺(tái)階邊墻開挖后7 d內(nèi)發(fā)生顯著洞周收斂，平均收斂速率0.11 mm/d，最大收斂速率2.7 mm/d，累計(jì)收斂7.2 mm。

(2)兩臺(tái)階法開挖。該斷面圍巖為頁巖夾砂巖，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，巖質(zhì)較軟，圍巖自穩(wěn)性差，設(shè)計(jì)襯砌類型Vcw。以DK449+093為例，斷面在開挖后20 d內(nèi)，上臺(tái)階拱頂(測點(diǎn)A)下沉量顯著增加，40 d 后逐漸趨于穩(wěn)定。在93 d的監(jiān)測周期內(nèi)，累計(jì)沉降量10.8 mm，平均沉降速率0.12 mm/d，最大沉降速率1.26 mm/d。上臺(tái)階邊墻(測點(diǎn)S1)開挖20 d 收斂顯著，在93 d的監(jiān)測周期內(nèi)累計(jì)收斂量為8.4 mm，最大收斂速率1.2 mm/d，平均收斂速率0.09 mm/d。下臺(tái)階邊墻(測線S2)開挖20 d內(nèi)顯著變形，74 d的監(jiān)測周期內(nèi)累計(jì)收斂量為7.2 mm，最大收斂速率1.4 mm/d，平均收斂速率0.1 mm/d。

(3)大型機(jī)械化配套全斷面法開挖監(jiān)控量測(含仰拱)。拱頂顯著沉降主要發(fā)生在10～30 d內(nèi)，最大可達(dá)7.2 mm，最大沉降速率1.71 mm/d。隧道周邊收斂隨開挖時(shí)間的推移表現(xiàn)出先快后慢，并最終輕微波動(dòng)的變化規(guī)律。拱腰處測線S1的最大收斂速率約1.5 mm/d，最大累計(jì)收斂量7.3 mm。邊墻處S2測線的最大收斂速率約1.2 mm/d，最大累計(jì)收斂量7.3 mm。

2.2 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)綜合分析

隧道拱頂下沉和凈空變化總體較小。三臺(tái)階、兩臺(tái)階開挖最快沉降速率出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)均為下部開挖時(shí)間節(jié)點(diǎn)，如DK449+073.000斷面中臺(tái)階于2017年6月26日開挖，6月27日拱頂沉降觀測A測點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)明顯增大，沉降速率2.09 mm/d，上臺(tái)階收斂S1測線最大收斂速率1.71 mm/d；下臺(tái)階于7月4日開挖，7月5日中臺(tái)階收斂S2測線最大收斂速率1.39 mm/d；仰拱于7月14日開挖，7月15日下臺(tái)階收斂S3測線最大收斂速率2.7 mm/d。

不同開挖工法條件下平均變形量分布見圖6。從圖6可以看出，拱頂下沉最小的斷面DK449+403采用的是全斷面帶仰拱工法開挖，開挖累積沉降量5.8 mm。而沉降量最大的斷面為DK449+073，采用工法為三臺(tái)階法，開挖累積沉降22.6 mm。凈空收斂最小的斷面DK449+403采用的是全斷面帶仰拱法開挖，開挖積累凈空收斂4.3 mm，最大的斷面DK449+098采用的是兩臺(tái)階法開挖，開挖積累凈空收斂11.9 mm。通過以上數(shù)據(jù)分析可知，全斷面帶仰拱工法開挖斷面的開挖積累拱頂沉降約為三臺(tái)階工法斷面的34.4%、為兩臺(tái)階法開挖斷面的47.6%；全斷面帶仰拱工法開挖斷面的開挖積累凈空收斂約為三臺(tái)階開挖斷面的85%、為兩臺(tái)階開挖斷面的67.4%。

圖6 不同開挖工法條件下平均變形量分布

3 計(jì)算模型及參數(shù)

3.1 數(shù)值模型建立及參數(shù)

選用Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行二維隧道開挖穩(wěn)定性的非線性分析。根據(jù)現(xiàn)場情況，圍巖級(jí)別設(shè)為V級(jí)，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，噴射混凝土厚度為24 cm，采用殼單元進(jìn)行模擬。為消除邊界效應(yīng)的影響，計(jì)算范圍選取以隧道中心線兩側(cè)5～6倍的隧洞半徑作為模型邊界，其他埋深以自重荷載形式體現(xiàn)。模型長80 m，高為92 m，左右兩側(cè)邊界采用水平向位移約束，模型底部邊界采用Z向位移約束。隧道開挖的應(yīng)力釋放率控制在30%左右。初期支護(hù)施作后，釋放所有節(jié)點(diǎn)荷載，錨固及超前支護(hù)則通過提高圍巖加固圈(5 m)巖體力學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。假定地層結(jié)構(gòu)模型滿足M-C彈塑性本構(gòu)模型，根據(jù)現(xiàn)場的基礎(chǔ)力學(xué)試驗(yàn)得到圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值，見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2 建立界面及接觸關(guān)系

在實(shí)際的圍巖開挖及支護(hù)過程中，圍巖和噴射混凝土之間不可能完全貼合，而是具有一定的接觸特性。兩者的界面之間并非完全光滑，也并非可以承受無限大摩擦力，界面間可以傳遞一定的剪切應(yīng)力或產(chǎn)生相對滑動(dòng)。此外，襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖兩者剛度差異的存在也會(huì)影響兩者的相互作用，這在以往的數(shù)值分析中并未考慮[15]。襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖接觸關(guān)系見圖7?，F(xiàn)有研究表明，考慮界面接觸效應(yīng)使得計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際更為符合。

圖7 襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖接觸關(guān)系

本文采用罰函數(shù)接觸算法對圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸及相互作用進(jìn)行研究。將非線性問題中的約束條件通過變換，轉(zhuǎn)換為無約束條件下求極值的問題。原目標(biāo)函數(shù)g(x)可通過采用罰函數(shù)法改變?yōu)樵鰪V目標(biāo)函數(shù)，也即罰函數(shù)P，公式為

(1)

(2)

式中，nk為罰因子。當(dāng)fi(x)不為0時(shí)，無法滿足約束，罰函數(shù)P(x，nk)取值會(huì)很大；當(dāng)fi(x)=0時(shí)，可以得到

P(x，nk)=fi(x)

(3)

此時(shí)，式(2)求解可轉(zhuǎn)化為無約束最優(yōu)化問題，即

(4)

當(dāng)圍巖與襯砌接觸時(shí)，荷載作用下兩者會(huì)發(fā)生粘結(jié)滑動(dòng)，采用罰函數(shù)進(jìn)行約束，當(dāng)襯砌與圍巖相對運(yùn)動(dòng)滿足接觸條件時(shí)，即可得到符合實(shí)際的開挖支護(hù)狀態(tài)。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 圍巖位移變化特性

不同工法開挖圍巖位移云圖見圖8、9。數(shù)值模擬與實(shí)測圍巖位移對比見圖10。從圖8、9、10可知，不同工法條件下圍巖拱頂沉降變化規(guī)律一致，但量值有所差異，數(shù)值模擬結(jié)果均比現(xiàn)場實(shí)測要偏大，增幅范圍均在20%以內(nèi)。由計(jì)算結(jié)果可以看出，無論是臺(tái)階法還是全斷面開挖，圍巖豎向變形均是以拱頂沉降為主。其中，全斷面法、三臺(tái)階法和兩臺(tái)階法的最大拱頂沉降值分別為8.5、16.4、22.6 mm，而拱底則以隆起為主。兩側(cè)的拱肩和拱腳范圍內(nèi)以水平橫向變形為主，洞周收斂全斷面法為7.9 mm，三臺(tái)階法為10.8 mm，兩臺(tái)階法為11.4 mm，全斷面開挖對于圍巖變形控制效果相對較好。通過與現(xiàn)場監(jiān)控量測的對比分析可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)雖然在結(jié)果上有所差異，但不同工法條件下圍巖位移的變化規(guī)律是一致的，表明所建立的模型及參數(shù)取值與實(shí)際較為符合。

圖8 圍巖Y向的位移云圖

圖9 圍巖X向的位移云圖

圖10 數(shù)值模擬與實(shí)測圍巖位移對比

3.3.2 圍巖應(yīng)力分布特性

圍巖應(yīng)力分布見圖11。從圖11可以看出，不同開挖工法條件下，圍巖屈服應(yīng)力分布有較大差異。其中，全斷面開挖條件下，隧道兩側(cè)邊墻及拱腳處屈服應(yīng)力較大，但分布較為均勻，約為1.88 MPa。兩臺(tái)階法開挖時(shí)，上臺(tái)階初期支護(hù)底部至拱腳處圍巖屈服應(yīng)力較大，約為1.92 MPa，應(yīng)力分布由上向下部延伸并逐漸增加。三臺(tái)階法開挖時(shí)，圍巖屈服應(yīng)力由第一層臺(tái)階至第三層臺(tái)階逐漸增加，最大應(yīng)力分布于拱腳處，約為1.95 MPa，且分段襯砌連接處圍巖在開挖過程中出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖11 圍巖應(yīng)力分布

3.3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性

由于兩臺(tái)階和三臺(tái)階法受力分布相似，故選取全斷面和臺(tái)階法初期支護(hù)最小主應(yīng)力分布圖進(jìn)行對比分析。不同施工方法初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖見圖12。從圖12可以看出，隧道不同工法開挖條件下，初期支護(hù)多以受壓為主，最大壓應(yīng)力可達(dá)6 MPa。全斷面開挖工法中，拱底受拉作用顯著；而臺(tái)階法開挖中可以明顯看到每層支護(hù)結(jié)構(gòu)銜接部位有明顯的拉應(yīng)力破壞特征，拱底也同樣受到一定的拉應(yīng)力作用。

圖12 不同施工方法初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

斷面的軸力和彎矩分布見圖13。從圖13可以看出，拱頂處軸力較小，約為400 kN，而仰拱處軸力最大，約為1 600 kN左右。2種開挖條件下仰拱及拱頂處軸力大小相近。其中，全斷面法軸力最大約為1 521 kN，而臺(tái)階法最大為1 633 kN，兩側(cè)邊墻處軸力則是全斷面法開挖相對較大。在彎矩分布上，拱頂處臺(tái)階法施工的彎矩明顯大于全斷面法開挖，但兩側(cè)邊墻處彎矩則是全斷面法較大；仰拱處2種開挖方法彎矩大小相近，約為2～3 kN·m。

圖13 斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力及彎矩

4 結(jié) 語

本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段，研究了IV、V級(jí)軟弱圍巖條件下隧道開挖支護(hù)特性，在考慮界面效應(yīng)的基礎(chǔ)上，綜合對比分析了臺(tái)階法和全斷面法開挖后圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)及變形響應(yīng)，得到如下結(jié)論：

(1)軟弱圍巖條件下，開挖拱頂沉降及結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力較大。不同開挖工法條件下引起的圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性雖有所差異，但現(xiàn)場及數(shù)值模擬結(jié)果表明，2種工法均能滿足圍巖變形及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的要求。

(2)臺(tái)階法有利于開挖面的穩(wěn)定性，尤其是上部開挖支護(hù)后，下部作業(yè)則較為安全。但分部多次開挖對圍巖大量擾動(dòng)，初期支護(hù)變形多次累加，不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形風(fēng)險(xiǎn)增大。

(3)在大型機(jī)械化施工條件下，掌子面采用合理超前支護(hù)及預(yù)加固措施，保障掌子面穩(wěn)定及安全前提下，采用機(jī)械化全斷面帶仰拱一次性開挖工法，掌子面一次性開挖到位，一方面減少圍巖重復(fù)擾動(dòng)，有效降低變形，另一方面仰拱隨掌子面初期支護(hù)同步封閉成環(huán)，有效保證了掌子面初期支護(hù)的穩(wěn)定。同時(shí)，大斷面開挖可充分發(fā)揮機(jī)械化設(shè)備大斷面施工優(yōu)勢，有效提升現(xiàn)場施工效率。