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(tái)階加臨時(shí)仰拱法3種不同的施工方法，運(yùn)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(shí)對監(jiān)控?cái)?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(bào)》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(jì)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(jì)院有限公司,重慶400067【正文語種】中文中圖分類】U45隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隧道越來越多的出現(xiàn)在各個(gè)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(diǎn)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］?，F(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(dòng)，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(yùn)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(yùn)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(jì)預(yù)留變形量為10~15cm,10cm以內(nèi)時(shí)分別采用三臺(tái)階法和CRD法［3］。舒東利等通過調(diào)研分析和運(yùn)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(tái)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(yùn)用撐索轉(zhuǎn)換和以索代撐等方式實(shí)現(xiàn)了特大跨度隧道臺(tái)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(yùn)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(yàn)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(xiàng)工程中烏樹頭隧道在圍巖條件較差時(shí)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(jì)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(xiàng)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(jì)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(shí)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(cuò)開一定距離才能盡量減少之間的擾動(dòng)。開挖過程中遵循以下原則：掘進(jìn)上下臺(tái)階時(shí)按相差30m開挖，后掘進(jìn)的臺(tái)階按相差10m開挖，每次開挖進(jìn)尺2m。下臺(tái)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(tái)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(shí)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?yàn)槊糠N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(shí)，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(shí)，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(shí)，3個(gè)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(shí)，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(tái)階法開挖后塑性區(qū)分布圖Fig.4Distributionofplasticzoneafterexcavationbythree-stepmethod由圖4可知，三臺(tái)階法上臺(tái)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(tái)階開挖后，臺(tái)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(shí)臺(tái)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(tái)階開挖時(shí)，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(shí)支護(hù)不及時(shí)，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(tái)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(tái)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(tái)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(gè)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(shí)塑性區(qū)擴(kuò)大，應(yīng)及時(shí)施做初支和二襯從而防止圍巖變形過大，發(fā)生危險(xiǎn)；三臺(tái)階法隧道開挖時(shí)，隧道導(dǎo)坑基腳為沖剪的關(guān)鍵部位，應(yīng)及時(shí)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(shí)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(shí)，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(tái)階開挖中，又以上臺(tái)階開挖占當(dāng)前導(dǎo)坑沉降值的比例最大，達(dá)87.5%，下臺(tái)階開挖僅占12.5%；在右導(dǎo)坑的上、下臺(tái)階開挖中，以上臺(tái)階開挖占當(dāng)前導(dǎo)坑沉降值的比例最大，達(dá)88.1%，下臺(tái)階開挖僅占11.9%；在中導(dǎo)坑的上、下臺(tái)階開挖中，以上臺(tái)階開挖占當(dāng)前導(dǎo)坑沉降值的比例最大，達(dá)86.3%，下臺(tái)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(diǎn)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(tái)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(tái)階開挖對拱腳的沉降影響最大，合計(jì)占比85.7%~86.3%，而尤以中臺(tái)階較為突出，約占53%，這是由于中臺(tái)階錯(cuò)臺(tái)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(shí)槽鋼墊板，增加拱腳承載能力，此外還需控制中臺(tái)階一次開挖長度，并及時(shí)接長拱腳至中臺(tái)階底部的鋼架。表3三臺(tái)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(diǎn)位置總沉降上臺(tái)階中臺(tái)階下臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)位置總沉降左上臺(tái)階左下臺(tái)階右上臺(tái)階右下臺(tái)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(shí)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(shí)，洞頂?shù)乃苄詤^(qū)才急劇發(fā)展，圍巖強(qiáng)度喪失。三臺(tái)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(tái)階開挖時(shí)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(shí)圍巖自承能力完全喪失；因此，三臺(tái)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(tái)階法類似，右洞下臺(tái)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)淖蟆⒅?、右?dǎo)坑拱頂共設(shè)置3個(gè)沉降測點(diǎn)，在側(cè)壁導(dǎo)坑邊墻設(shè)置2個(gè)水平位移測點(diǎn)。沉降測點(diǎn)和水平測點(diǎn)均處于同一斷面，通過這5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)可得到整個(gè)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(shí)，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(shí)沉降測點(diǎn)距模型邊緣10m。在左導(dǎo)坑掌子面到達(dá)沉降測點(diǎn)斷面時(shí)，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(diǎn)斷面時(shí)，左監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)斷面時(shí)，右監(jiān)測點(diǎn)水平位移迅速增大，到后期基本不變，同時(shí)，前期左導(dǎo)坑的開挖對右監(jiān)測點(diǎn)水平位移也有一定的影響。在拆除中隔壁時(shí)，左、右監(jiān)測點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(cuò)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(tái)階長度宜為5m，下臺(tái)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(tái)階開挖為重中之重。需要控制側(cè)壁導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖單個(gè)循環(huán)一次進(jìn)尺，必須及時(shí)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(shí)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(shí)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