郭弘宇，張承富

(中建五局土木工程有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，市區(qū)跨越河流的交通矛盾越來(lái)越突出，已經(jīng)嚴(yán)重制約了依托兩岸拓展城市的發(fā)展空間。相比于與其他跨越江河湖海的工程方法，水下隧道具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近些年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了迅速發(fā)展[1-3]。

城市水下隧道常用的修建方法有：礦山法、盾構(gòu)法、沉管法等。這些修建方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，有其適用的范圍。與沉管法相比，礦山法具有不干擾航運(yùn)的優(yōu)勢(shì)；與盾構(gòu)法相比，礦山法具有機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)，且對(duì)于中短長(zhǎng)度過(guò)江隧道的施工又具有造價(jià)較低、工期較短的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，城市過(guò)江隧道因河道寬度有限、又考慮到節(jié)約城市土地資源、方便連接兩岸既有道路需要，采取“水下淺埋”的形式以滿(mǎn)足坡度設(shè)置的要求。因此，城市過(guò)江隧道宜采用低擾動(dòng)的銑挖法施工。

銑挖工藝適用于圍巖強(qiáng)度等級(jí)較低、對(duì)地表沉降及圍巖變形有嚴(yán)格控制要求的工程[4-7]，易與其他施工工法結(jié)合運(yùn)用?？紤]隧道圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性，銑挖法特別適用于不宜采用鉆爆法的軟弱圍巖地段，如黃土地層、風(fēng)化巖或者斷層等軟弱圍巖。項(xiàng)志敏等[8]以采用銑挖法施工的瀏陽(yáng)河隧道為依托，在理論研究的基礎(chǔ)上，借鑒懸臂式掘進(jìn)機(jī)和裝配式銑挖機(jī)在煤礦采掘行業(yè)中的研究成果，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)，對(duì)EBZ160S型懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行了適應(yīng)性研究，結(jié)果表明：銑挖法適用于巖石強(qiáng)度小于20MPa、裂隙發(fā)育、開(kāi)挖節(jié)理、巖體完整性差的圍巖。董輝等[9]通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)際數(shù)據(jù)監(jiān)控測(cè)量，分析了瀏陽(yáng)河隧道開(kāi)挖時(shí)三臺(tái)階鉆爆法與機(jī)械銑挖法的卸荷瞬態(tài)特性及動(dòng)力效應(yīng)對(duì)河堤的影響，結(jié)果表明：機(jī)械銑挖法能有效地控制豎向位移，且不增加圍巖應(yīng)力，能有效提高淺埋過(guò)江隧道工程掘進(jìn)作業(yè)的安全性和可靠性。關(guān)則廉[10]通過(guò)對(duì)廣州地鐵6號(hào)線(xiàn)站前銑挖隧道的工程實(shí)踐進(jìn)行研究，摸索出了EBZ-132型懸臂式掘進(jìn)機(jī)在粉砂質(zhì)泥巖條件下的掘進(jìn)參數(shù)及掘進(jìn)機(jī)機(jī)械配套模式，提出在軟巖隧道施工中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)具有圍巖擾動(dòng)小、適應(yīng)能力強(qiáng)、開(kāi)挖質(zhì)量及安全性高等傳統(tǒng)礦山法不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

超大斷面、小凈距公路隧道由于其跨度較大、結(jié)構(gòu)規(guī)則性差、受力條件復(fù)雜，施工時(shí)諸多工序相互影響大，圍巖失穩(wěn)和襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂及破壞現(xiàn)象極易發(fā)生。因此，在設(shè)計(jì)階段和施工之前，必須對(duì)隧道施工過(guò)程力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行研究，了解圍巖體及襯砌結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞的情況及部位，以及采用何種施工方案對(duì)隧道圍巖體的穩(wěn)定性影響較小，并根據(jù)其影響規(guī)律采取針對(duì)性的加固措施和圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)，確保隧道施工安全。根據(jù)隧道工程實(shí)際賦存地層的地質(zhì)情況，常采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD工法或CRD工法、臺(tái)階法、全斷面法或其組合方法[2,10-13]。李國(guó)等[14]采用上下臺(tái)階方法(其中上臺(tái)階分為左右區(qū)域分部開(kāi)挖)從銑挖施工順序方案確定的主要影響因素分析入手，建立隧道銑挖施工順序方案優(yōu)化模型。張博[6]依托香山莊銑挖隧道，采用有限差分軟件FLAC3D分別探究了水平、水平循環(huán)、豎向、環(huán)形、中槽等銑挖步序以及臺(tái)階法、中隔壁法、交差中隔壁法等開(kāi)挖工法對(duì)圍巖擾動(dòng)的影響。張聚文[11]以瀏陽(yáng)河公路隧道為工程背景，結(jié)合流固耦合理論與斷裂損傷理論，使用FLAC3D 軟件建立了瀏陽(yáng)河隧道數(shù)值模型，模擬分析了隧道開(kāi)挖的動(dòng)態(tài)過(guò)程，研究不同工況下圍巖和襯砌力學(xué)特征及變化規(guī)律。熊啟東等[15]通過(guò)建立重慶某越江隧道的數(shù)值模型，計(jì)算分析了在不同覆土厚度和不同水位下，越江隧道襯砌的應(yīng)力和位移變化特征。王秀英等[16]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析及模型試驗(yàn)研究了水下隧道復(fù)合式襯砌的水壓特征，結(jié)果表明：在考慮隧道排水的前提下，注漿圈越厚、注漿質(zhì)量越好，分擔(dān)的水壓力就越大，襯砌承擔(dān)的水壓力就越小，但考慮到經(jīng)濟(jì)與結(jié)構(gòu)的合理性，應(yīng)該取最佳注漿圈厚度(3～8m)；初襯承擔(dān)的水壓力主要由初襯與注漿圈滲透系數(shù)的比值決定。然而有關(guān)采用銑挖法開(kāi)挖圍巖級(jí)別差、超淺埋的水下隧道施工方案的研究鮮有報(bào)道。

綜上，國(guó)內(nèi)外對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)銑挖隧道時(shí)圍巖受銑挖步序擾動(dòng)的分析極少，適用于懸臂式掘進(jìn)機(jī)銑挖法的設(shè)備配套以及輔助工藝體系方面仍有較大的改善空間。本文以贛州市蓉江新區(qū)蓉江隧道為研究對(duì)象，遵從圍巖暴露時(shí)間短、襯砌早封閉、拱腳早落地的原則，提出一種適用于銑挖機(jī)開(kāi)挖的大斷面、超淺埋、圍巖級(jí)別差的水下隧道施工工法。

1 模型建立

工程場(chǎng)地屬對(duì)稱(chēng)的丘嶺崗地和河谷堆積地貌，兩岸地形基本對(duì)稱(chēng)。工程區(qū)勘探深度范圍內(nèi)，揭露地層為人工填土、第四系全新統(tǒng)沖擊層、上更新統(tǒng)殘坡積層、下更新統(tǒng)沖擊層、白堊系南雄組基巖。選擇暗挖部分上覆土層較薄處進(jìn)行數(shù)值研究(里程樁號(hào)：K1+700)。該處土層自上而下依次為：第1層為2.8m厚的雜填土，第2層為2.1m厚的淤泥質(zhì)黏土，第3層為5.3m厚的砂卵石土，第4層為大約7.1m厚的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，第5層是中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。隧道埋深24.3m，其中3.8m處于強(qiáng)風(fēng)泥質(zhì)粉砂巖層中，6.9m處于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中，地下水位埋深在地面以下2.8m處。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

本文采用有限元軟件PLAXIS研究了不同開(kāi)挖工法對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。為了減少邊界條件對(duì)分析結(jié)果的影響，模型邊界為6倍洞徑，如圖1所示。計(jì)算過(guò)程中土體采用實(shí)體單元模擬，所有土層均采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型；支護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，并采用彈性本構(gòu)模型模擬其力學(xué)行為。

圖1 計(jì)算模型

2 數(shù)值模型試驗(yàn)方案

該過(guò)江隧道屬于超淺埋、大斷面、圍巖條件差的公路隧道。由于隧道位于航空禁飛區(qū)，且變形控制要求嚴(yán)格，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)定決定采用銑挖機(jī)開(kāi)挖的工法?？紤]到銑挖機(jī)的結(jié)構(gòu)特征以及銑挖機(jī)在開(kāi)挖過(guò)程中需滿(mǎn)足的幾何條件，在CD工法的基礎(chǔ)上，提出一種新的適用于大斷面、淺埋、變形要求嚴(yán)格的隧道開(kāi)挖工法(改進(jìn)CD工法)，如圖2所示。該工法將隧道斷面分解為7個(gè)部分，按順序分步開(kāi)挖，結(jié)合超前加固以及快速封閉臨時(shí)支撐等措施，有效減小隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)效應(yīng)，減少?lài)鷰r變形。

圖2 CD法與改進(jìn)CD法

數(shù)值試驗(yàn)中分別進(jìn)行了改進(jìn)CD法和CD法的模擬。開(kāi)挖過(guò)程中為了模擬支護(hù)的延時(shí)性，采用給開(kāi)挖面施加法向應(yīng)力并逐步減少法向應(yīng)力的方法，即地層荷載法。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移急劇增加時(shí)施加初期支護(hù)，具體開(kāi)挖步驟如圖3所示。同時(shí)，給襯砌以不同程度的收縮來(lái)分析圍巖的應(yīng)力重分布以及襯砌所承擔(dān)的荷載。

圖3 改進(jìn)CD工法開(kāi)挖步驟

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 改進(jìn)CD法

改進(jìn)CD法開(kāi)挖-1中不同環(huán)向應(yīng)力荷載工況下的拱頂沉降曲線(xiàn)如圖4所示。可以看出，隨著環(huán)向應(yīng)力的減少，拱頂沉降開(kāi)始呈線(xiàn)性變化，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力小于200kN/m2之后沉降快速發(fā)展直至破壞，此時(shí)拱頂沉降為5mm。因此，當(dāng)監(jiān)控到拱頂沉降大于5mm之前應(yīng)當(dāng)完成初期支護(hù)。同時(shí)，開(kāi)挖1拱頂右側(cè)30°的豎向位移曲線(xiàn)也反映了當(dāng)環(huán)向應(yīng)力小于200kN/m2豎向位移快速發(fā)展這一結(jié)論，此時(shí)拱頂右側(cè)30°的豎向位移為10.54mm，如圖5所示。

圖4 改進(jìn)CD法步驟1拱頂沉降曲線(xiàn)

圖5 改進(jìn)CD法在拱頂右側(cè)30°處的豎向位移曲線(xiàn)

圖6a為開(kāi)挖1環(huán)向應(yīng)力為200kN/m2時(shí)的有效主應(yīng)力路徑矢量。模型豎直邊界處的主應(yīng)力分布情況與初始應(yīng)力平衡時(shí)的主應(yīng)力路基一致，即邊界條件不會(huì)影響隧道范圍內(nèi)的應(yīng)力分布，開(kāi)挖1拱腳處應(yīng)力集中較嚴(yán)重，拱圈頂部應(yīng)力基本沿拱形分布。圖6b給出了開(kāi)挖1的環(huán)向應(yīng)力為200kN/m2時(shí)的豎向位移矢量圖。圖中可以看出沉降主要集中在開(kāi)挖1拱圈中部區(qū)域，且沉降傳遞到地面。由于中隔壁臨時(shí)支護(hù)的存在拱頂區(qū)域的豎向位移相對(duì)較小。

圖6 改進(jìn)CD法開(kāi)挖1初期支護(hù)有效主應(yīng)力路徑與豎向位移矢量

根據(jù)開(kāi)挖1不同環(huán)向應(yīng)力工況下的豎向位移云圖，由于拱頂處應(yīng)力集中較突出，且位移受到臨時(shí)中隔壁的限制，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力較大時(shí)除拱頂外其他區(qū)域的附加應(yīng)力較小。因此，隨著環(huán)向應(yīng)力逐步減少，豎向位移最大值逐漸向拱頂右側(cè)30°區(qū)域移動(dòng)。

根據(jù)不同環(huán)向應(yīng)力工況下的改進(jìn)CD法開(kāi)挖1豎向應(yīng)力云圖，可知開(kāi)挖1左下角處應(yīng)力集中明顯，隨著環(huán)向應(yīng)力減少開(kāi)挖1右下角應(yīng)力集中逐漸明顯。隨著環(huán)向應(yīng)力逐漸減少，拱圈中部的應(yīng)力逐漸減少，此處也是豎向位移最大處，如圖6b所示。

圖7給出了改進(jìn)CD開(kāi)挖5過(guò)程中拱頂左、右30°處的豎向位移曲線(xiàn)。由于拱頂右側(cè)的初期支護(hù)已經(jīng)完成，其豎向位移受開(kāi)挖5的影響較小，僅為4mm。當(dāng)開(kāi)挖5的環(huán)向應(yīng)力為190kN/m2時(shí)，此時(shí)拱頂左側(cè)30°處的豎向位移為9.9mm。在拱頂左側(cè)30°處的豎向位移為大于9.9mm之前施作初期支護(hù)。在初期支護(hù)施作后拱頂左側(cè)30°處的最終豎向位移為12.2mm。

圖7 改進(jìn)CD法開(kāi)挖5拱頂右、左側(cè)豎向位移

圖8給出了開(kāi)挖5初期支護(hù)完成后的有效主應(yīng)力矢量與豎向位移矢量。圖8a中拱頂、拱腰處應(yīng)力集中較明顯，并分別以拱頂、拱腰為拱腳形成了兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的土拱。圖8b拱頂兩側(cè)的豎向位移基本關(guān)于隧道中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，且豎向位移的影響范圍大致為隧道凈空范圍。對(duì)比圖8a，8b，可得出豎向位移較大處應(yīng)力較小，位移較小處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也是在隧道頂上部區(qū)域形成土拱的原因。

圖8 改進(jìn)CD法開(kāi)挖5初期支護(hù)有效主應(yīng)力路徑、豎向位移矢量

圖9給出了改進(jìn)CD法分部開(kāi)挖以及支護(hù)完成后施加不同的收縮系數(shù)時(shí)拱頂以及拱頂左右側(cè)30°的豎向位移曲線(xiàn)。圖中橫坐標(biāo)st1代表開(kāi)挖1支護(hù)完成時(shí)，c0.001代表襯砌收縮0.1%，以此類(lèi)推。由圖可得：拱頂處的豎向位移較拱頂兩側(cè)的豎向位移大，拱頂兩側(cè)的豎向位移由于開(kāi)挖順序的影響略有差異。當(dāng)襯砌收縮率大于0.1%(此時(shí)拱頂位移為10.16mm)之后，豎向位移急劇增加。

圖9 襯砌收縮時(shí)拱頂及其兩側(cè)的沉降曲線(xiàn)(改進(jìn)CD法)

圖10給出了收縮系數(shù)為1%時(shí)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩圖。圖中可以得出，拱肩處的彎矩最大，且彎矩關(guān)于隧道中心線(xiàn)呈軸對(duì)稱(chēng)分布。圖11給出了不同收縮系數(shù)工況下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩曲線(xiàn)。圖中水平軸是將支護(hù)結(jié)構(gòu)從拱底順時(shí)針展開(kāi)后各點(diǎn)到拱底的水平距離。從圖中可以看出，在不同的收縮系數(shù)工況下，拱頂范圍內(nèi)的彎矩值基本保持不變。隨著收縮系數(shù)的增加拱肩、拱底處彎矩逐漸增加。

圖10 襯砌收縮量為1%時(shí)襯砌彎矩(改進(jìn)CD法)

圖11 不同襯砌收縮工況下襯砌的彎矩曲線(xiàn)

3.2 CD法

圖12為CD法開(kāi)挖3拱頂左、右側(cè)30°處不同環(huán)向應(yīng)力作用下的豎向位移曲線(xiàn)。由于開(kāi)挖1的初期支護(hù)已經(jīng)完成，拱頂右側(cè)30°處的豎向位移增量較小。當(dāng)環(huán)向應(yīng)力小于160kN/m2，拱頂左側(cè)30°處的豎向位移急劇增加。因此，開(kāi)挖3的初期支護(hù)應(yīng)該在環(huán)向應(yīng)力為160kN/m2時(shí)施加。

圖12 步驟3拱頂兩側(cè)豎向位移曲線(xiàn)

圖13為CD工法開(kāi)挖、支護(hù)全過(guò)程拱頂左、右側(cè)30°處的豎向位移曲線(xiàn)。拱頂兩側(cè)豎向位移隨開(kāi)挖步驟的變化趨勢(shì)不同，但最終豎向位移基本一致分別為13.7，14.2mm。

圖13 兩種工法的開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程中拱頂兩側(cè)的沉降曲線(xiàn)

3.3 討論

圖13給出了兩種開(kāi)挖工法的豎向位移曲線(xiàn)。對(duì)比分析兩種開(kāi)挖工法對(duì)隧道拱頂兩側(cè)變形的影響，采用改進(jìn)CD工法開(kāi)挖時(shí)，拱頂兩側(cè)的豎向位移較CD工法開(kāi)挖時(shí)小。根據(jù)兩種開(kāi)挖工法開(kāi)挖完成后的豎向位移矢量圖，在拱頂即拱頂兩側(cè)的豎向位移變化基本一致。然而，對(duì)于拱底隆起變形，CD法開(kāi)挖較改進(jìn)CD法要大很多。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)過(guò)江隧道超淺埋、大斷面、圍巖條件差等實(shí)際工程情況，提出一種適用于小凈距、大斷面或超大斷面、圍巖條件差且對(duì)圍巖變形控制要求高、并采用銑挖機(jī)開(kāi)挖的工法。該工法充分考慮銑挖機(jī)的特征以及銑挖機(jī)工作過(guò)程中所需滿(mǎn)足的幾何條件，在CD工法的基礎(chǔ)上將開(kāi)挖面分解為7個(gè)區(qū)域，按順序分步開(kāi)挖。通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)對(duì)比分析兩種開(kāi)挖工法對(duì)隧道的影響得出如下結(jié)論。

1)改進(jìn)CD工法能夠有效控制隧道拱頂沉降以及拱腰的水平位移。

2)改進(jìn)CD工法配合銑挖施工能夠有效減少礦山法施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

3)改進(jìn)CD工法拱頂兩側(cè)30°處的主應(yīng)力基本與拱線(xiàn)平行。拱頂、拱腰處應(yīng)力集中較明顯，并分別以拱頂、拱腰為拱腳形成了兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的土拱。為隧道拱頂理論計(jì)算提供了指導(dǎo)思路。