淺埋隧道單側(cè)擴建施工方案優(yōu)化

淺埋隧道單側(cè)擴建施工方案優(yōu)化摘要：

目前國內(nèi)外常見隧道擴建施工大都采用傳統(tǒng)新建隧道的施工方法，但由于傳統(tǒng)開挖方法忽略了原隧道襯砌對圍巖的長期支撐穩(wěn)定優(yōu)勢，降低了施工效率。依托重慶渝州隧道擴建施工實例對擴建優(yōu)化施工方案進行了深入研究，提出了淺埋隧道單側(cè)擴建優(yōu)化施工方案，即橫向采用合理拱軸線開挖，縱向采用跳槽開挖的新方法。通過現(xiàn)場監(jiān)控量測和ANSYS三維有限元模擬還原施工全過程進行對比分析。采用優(yōu)化施工方案時，隨著開挖掌子面的推進，原隧道襯砌受壓應(yīng)力計算值增大，縱向跳槽開挖時未拆除的原隧道襯砌能夠發(fā)揮柱的作用，承擔因跳槽開挖而產(chǎn)生的圍巖壓力，可有效提高施工安全穩(wěn)定性。橫向采用合理拱軸線開挖，使得開挖后圍巖壓力傳遞更加合理，并顯著降低了初期支護結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力和一定程度上增加了初期支護結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力。數(shù)值計算結(jié)果及現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比顯示，淺埋隧道單側(cè)擴建開挖方案優(yōu)化后拱頂位移比現(xiàn)狀開挖方式小約16%～20%，且拱頂基本不出現(xiàn)受拉區(qū)，證明優(yōu)化后的開挖方案在地下工程開挖卸荷時改變了原圍巖的應(yīng)力路徑，能夠充分調(diào)動圍巖的自穩(wěn)能力。故采用優(yōu)化施工方案不但能夠減少拱頂沉降，降低襯砌的拉應(yīng)力，還能在保證施工安全的同時縮短施工工期，為今后的類似隧道擴建工程提供借鑒。關(guān)鍵詞：

隧道工程;施工方案;對比分析；跳槽開挖;淺埋隧道;單側(cè)擴建0引言21世紀以來，我國城市地下空間的開發(fā)數(shù)量明顯增加，利用體系也得到不斷地完善，特大級城市地下空間開發(fā)利用的總體規(guī)模和發(fā)展速度已步入世界同類城市的先進行列?！?9世紀是橋梁的世紀，20世紀是高層建筑的世紀，21世紀則是人類開發(fā)利用地下空間的世紀”，中國目前已經(jīng)成為世界上城市地下空間開發(fā)利用的大國[1]。但由于城市規(guī)劃的不合理以及對交通量增長的預(yù)測不足，原有的隧道的截面已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的需求，這就需要我們對已有隧道進行擴建來滿足當前的使用要求或新增要求。由于淺層地下空間大都已接近飽和，為達到道路擴容要求，只能對已有隧道進行改擴建，增建一至兩個車道。國內(nèi)外對地下空間擴建也有一些研究，如國內(nèi)的羊石隧道[2]、關(guān)村壩隧道[3]、重慶渝中區(qū)鵝嶺隧道擴建工程[4-6]、日本名神高速公路的天王山隧道、意大利Nazzano隧道[7]、美國的WhiteHaven和Rockport隧道[8]等。但淺埋隧道的擴建開挖對施工工序的要求很高，且不同的改擴建形式和方法對圍巖穩(wěn)定性的影響也很大，目前大多數(shù)隧道的擴建方式及施工方法仍然采用新建隧道的施工方法，與新建隧道相比僅僅是相對減少了土方量，卻并沒有專門采取針對隧道擴建時能夠充分利用原隧道穩(wěn)定性條件選取適合擴建的施工方法,因此,開展對淺埋隧道的擴建優(yōu)化施工方案的研究是十分必要和迫切的。1工程概況現(xiàn)狀渝州隧道為平面成喇叭型布置的圓拱直墻式雙洞隧道，位于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地面標高為435～488m，下伏基巖主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組的砂巖、泥巖，巖層傾角為20°～25°。根據(jù)調(diào)查工程勘察，原隧道現(xiàn)狀穩(wěn)定，洞壁無地下水滲出，地下水不發(fā)育，根據(jù)相鄰場地工程地質(zhì)條件及重慶地區(qū)經(jīng)驗，隧道所經(jīng)過地段為第四紀人工填筑及洪坡積層，基層為砂巖、泥巖地層，巖體較完整，節(jié)理一般不發(fā)育，隧道全長范圍內(nèi)圍巖級別為IV級，隧道平均埋深約30m，其平面布置及剖面布置圖見圖1和圖2所示。圖1渝州隧道平面布置圖

Fig.1PlanelayoutofYuzhoutunnel圖2渝州隧道剖面布置圖(單位：mm)

Fig.2SectionallayoutofYuzhoutunnel(unit:mm)根據(jù)現(xiàn)場施工條件，隧道擴建采取鉆爆法全斷面開挖，初期支護具體流程及要求如下：(1)噴射作業(yè)緊跟開挖面，混凝土終凝到下一循環(huán)放炮時間，不應(yīng)小于3h；噴射混凝土宜用濕噴工藝；噴射混凝土應(yīng)采用普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，強度等級不低于42.5MPa。(2)先噴后錨，首次噴射砼厚度不小于50mm，噴射作業(yè)中隨時觀察圍巖變化情況；錨桿施工宜在噴射混凝土終凝3h后進行；錨桿的抗拔力不低于規(guī)范標準，每300根錨桿抽樣一組，進行抗拔力試驗，每組不少于3根，并應(yīng)符合《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》(GB50086—2015)的規(guī)定；鋼筋網(wǎng)應(yīng)隨受噴面的起伏鋪設(shè)，鋼筋網(wǎng)混凝土保護層厚20mm，且與錨桿聯(lián)結(jié)牢固。(3)鋼架安裝允許偏差，橫向和高程均為±50mm，垂直度為±2°；鋼架立柱埋入底板深度應(yīng)滿足設(shè)計要求，并置于基巖上，鋼架與巖壁之間必須楔緊，相鄰鋼架連接牢固，鋼架與圍巖之間的混凝土保護層厚40mm，臨空一側(cè)的混凝土保護層厚為20mm。2現(xiàn)場監(jiān)控量測2.1監(jiān)控量測方法(1)觀測工程地質(zhì)和支護狀況。每次爆破及初期支護噴射混凝土后均需通過肉眼、錘擊和地質(zhì)羅盤檢查隧道的掌子面，詳細記錄和描述圍巖地質(zhì)情況：地下水情況、巖層產(chǎn)狀、巖性、裂隙、圍巖完整性與穩(wěn)定性。判斷圍巖類別是否與設(shè)計相符并觀察支護效果。(2)確定量測頻率。根據(jù)量測斷面距離掌子面距離、位移發(fā)展速率和量測斷面開挖時間取最高頻率。根據(jù)渝州隧道圍巖的情況確定量測頻率見表1。表1

渝州隧道拱頂位移量測頻率表Tab.1

Measurement

frequency

of

vault

displacement

of

Yuzhou

tunnel(3)拱頂下沉量測。進行拱頂下沉的量測方法是在隧道開挖毛洞的拱頂及軸線左右各2～3m處設(shè)3個帶掛鉤的錨樁，測深為30cm，鉆孔直徑φ42，用快凝水泥固定，測樁頭需設(shè)保護罩。用精密水準儀、鋼卷尺量測拱頂下沉，測點布置見圖3所示。圖3隧道單洞斷面拱頂下沉測點布置(單位:cm)

Fig.3Layoutofmeasuringpointsofvaultsubsidenceofcross-sectionofsingletunnel(unit:cm)2.2拱頂下沉監(jiān)測結(jié)果根據(jù)本研究的內(nèi)容和要求，選取右洞YK0+530～YK0+570的區(qū)段為研究對象，此區(qū)段最大埋置深度為21.16m，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的條文規(guī)定計算屬淺埋隧道。YK0+570斷面在隧道開挖的監(jiān)測中為必測項目，對拱頂下沉共監(jiān)測了38d，直至所選區(qū)段開挖貫通，各測點在不同開挖進尺下的位移變化情況列于表2，可看出左側(cè)測點下沉累計8.25mm，右側(cè)測點下沉累計9.07mm。從位移變化情況看，圍巖變形整體已趨于穩(wěn)定。表2

各測點在不同開挖進尺下的位移Tab.2

Displacements

of

each

measuring

point

in

different

excavation

footages根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測中得出的量測結(jié)果可知，拱頂下沉在開挖早期的變形速率較大，開挖后12d內(nèi)的變形占整個觀測周期內(nèi)變形的85%，在27d后圍巖的變形趨于穩(wěn)定，從此樁號的拱頂位移的監(jiān)測情況來看，兩側(cè)拱頂?shù)淖兓厔菔且恢碌?。從位移變化來看，施工中選擇在開挖20～26m左右開始施做二襯是比較合理的，此時的左右側(cè)拱頂位移值基本達到最終值的70%，施做二襯后預(yù)留部分變形后可進一步減小圍巖對二襯的壓力。3淺埋隧道單側(cè)擴建三維數(shù)值分析3.1原施工方案數(shù)值計算還原現(xiàn)場施工方案擬采用全斷面開挖,見下圖4所示，由于在計算時傳統(tǒng)的摩爾-庫倫屈服準則的計算結(jié)果有較大誤差，所以采用摩爾-庫倫等面積圓D-P屈服準則來代替?zhèn)鹘y(tǒng)摩爾-庫倫準則，實踐也是證明了與現(xiàn)實情況比較接近，該準則要求偏平面上的摩爾-庫倫不等角六角形與D-P圓的面積相等，故本計算采用Drucker-Prager彈塑性模型進行模擬計算采用摩爾-庫倫不等角六邊形外接圓D-P屈服準則[9-10]，計算單元的選取時，圍巖采用Solid45三維實體單元，噴射混凝土及鋼拱架簡化為殼單元[11-14]。樁號為YK0+530的覆蓋層厚度為21.16m，YK0+570的覆蓋層厚度為20.31m，由于此段上覆巖體的覆蓋層厚度相差不大，故在三維計算時采用平均埋深20.735m。選取從樁號YK0+570到Y(jié)K0+530區(qū)段所在區(qū)域進行計算，為減少邊界效應(yīng)的影響，選取計算范圍大于3倍洞跨，具體尺寸為160m×40m×50m，數(shù)值計算模型見圖5，計算參數(shù)的選取采用地勘資料及規(guī)范的綜合評定值，鋼拱架的作用可采用等效方法予以考慮，將鋼拱架的彈模按公式[15]進行換算給混凝土(具體參數(shù)見下表3)，隧道的開挖進尺的選取實際工程一樣采用循環(huán)進尺為2.0m。圖4隧道單側(cè)擴建示意圖(單位:mm)

Fig.4Schematicdiagramofsingle-sidedtunnelextension(unit:mm)圖5現(xiàn)狀開挖數(shù)值計算模型圖

Fig.5Numericalcalculationmodelforcurrentexcavation表3

隧道段巖、土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.3

Physical

and

mechanical

parameters

of

tunnel

rock

and

soil具體分析計算具體實施步驟按照：(1)按圖4和表3確定開挖隧道的幾何參數(shù)及圍巖支護的力學(xué)參數(shù)；(2)確定計算區(qū)域及建立圍巖支護分析模型；(3)由于隧道擴建是在原既有隧道的穩(wěn)定狀態(tài)下進行的，所以進行初始位移場計算時認為圍巖是穩(wěn)定的，直接進行計算；(4)按施工進尺進行計算，每步開挖完成立即進行初襯的施做，并進行計算；(5)直到所選區(qū)段隧道擴挖全部貫通，得到每步開挖及最終貫通后的應(yīng)力場和位移場。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果監(jiān)測目標研究斷面YK0+570拱圈處圍巖拱頂處不同開挖進尺的位移，見表4。表4

YK0+570拱頂位移Tab.4

Vault

displacement

of

YK0+570由此可以看出在距開挖面8～20m時的沉降速率最大，20m時達到總位移的79.9%，20m以后速率放緩，直到選定區(qū)段開挖完成，左側(cè)拱頂最終沉降為8.24mm，右側(cè)拱頂最終沉降為7.99mm。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計表中左右拱頂位移可以看出，數(shù)值計算的最終沉降結(jié)果略小于現(xiàn)場監(jiān)測值，但兩者的拱頂位移的變化趨勢基本相同，證明數(shù)值計算在模擬現(xiàn)場施工上得出的結(jié)果是可信的。根據(jù)計算監(jiān)測隧道開挖后圍巖的大主應(yīng)力和小主應(yīng)力的變化列于表5。表5

不同開挖進尺的截面大小主應(yīng)力值Tab.5

Maximum

and

minimum

primary

stresses

of

cross-

section

in

different

excavation

footages從結(jié)果中可以看出，原襯砌進行拆除后，應(yīng)力會逐漸釋放，隨著不同的開挖進尺的進行，主應(yīng)力中σ2max隨開挖掌子面的推進逐漸增大為0.119～0.304MPa，表現(xiàn)為洞周局部受拉；σ1min主要在1.0a～1.2MPa左右波動，表現(xiàn)為受壓σ3在未開挖時為4.81MPa，當對襯砌進行拆除后壓應(yīng)力逐漸增大，最大壓應(yīng)力為開挖30m時為6.09MPa，此時所受的最大壓應(yīng)力主要表現(xiàn)未拆除襯砌上，當襯砌完全拆除后壓應(yīng)力為4.05MPa，此時圍巖釋放的壓應(yīng)力大部分由初期支護承擔，根據(jù)初期支護的抗壓強度來說還是可以承擔的，只需在拆除原襯砌后注意對未拆除部分進行保護，若是采用鉆爆發(fā)施工時應(yīng)當適當控制爆破的強度，以免對初期支護和未拆除部分原隧道襯砌造成大范圍的擾動。監(jiān)測目標斷面YK0+570處初襯左右拱腳、左右拱腰及拱頂處的大小主應(yīng)力值列于表6。表6

YK0+570斷面處初襯的的主應(yīng)力值Tab.6

Primary

stress

of

initial

lining

of

cross-section

of

YK0+570從表6中的數(shù)據(jù)來看當開挖進尺為第一步開挖時最大為0.147MPa，14～40m區(qū)段壓應(yīng)力保持在0.092MPa，在開挖24m時拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，但對初襯混凝土構(gòu)件來說值比較小，可以忽略，即施工過程中初期支護是安全的。3.2優(yōu)化施工方案數(shù)值計算文獻[16]和文獻[17]分別進行了橫向施工方案及縱向施工方案的力學(xué)行為的優(yōu)化研究，這里根據(jù)前期所研究的計算方法得出的結(jié)論進行組合，確定優(yōu)化施工方案。由于渝州隧道的開挖方法為單側(cè)擴建，且為全斷面開挖，故在采用橫向施工方案上作比較時，也應(yīng)采用全段面開挖，即根據(jù)文獻[16]沿合理拱軸線進行一次開挖；縱向采用跳槽開挖，根據(jù)文獻[17]的組合拱效應(yīng)的計算得到合理槽寬及預(yù)留間隔均為5m，具體開挖步序及數(shù)值計算模型見圖6和圖7。圖6隧道擴建縱向跳槽施工界限斷面示意圖

Fig.6limitingexcavationcross-sectionoflongitudinaljump-drillingintunnelextension圖7優(yōu)化施工方案數(shù)值計算模型圖

Fig.7NumericalcalculationmodelforoptimizedconstructionschemeStep1：選定第1個開挖目標斷面，然后每隔5m確定其他幾個同時施工的目標段，從確定的幾個目標面開始同時進行開挖，橫向斷面仍按照合理拱軸線進行開挖，開挖完成后可立即施做初襯。Step2：由于Step1完成后施做了初期支護，可以確保開挖后隧道圍巖的穩(wěn)定性，所以除首尾兩端外，其他作為預(yù)留各段的開挖可同時進行，當開挖完成后進行初期支護。Step3～Step4：對首尾兩段分別進行開挖和支護，此時完成YK0+530～YK0+570區(qū)段的開挖和初期支護，之后便可統(tǒng)一施作二襯。監(jiān)測優(yōu)化施工方案擴建開挖的拱頂位移，列于表7?？梢钥闯霾捎脙?yōu)化施工方案開挖完成后左右拱頂測點最終位移分別為7.33mm和6.85mm，且每步開挖的位移變化比較均勻，在step3的開挖時雖然只向前掘進了5m，但是對選定區(qū)段內(nèi)的圍巖來說，失去原隧道襯砌柱的作用后位移量變化較大，直到選定區(qū)段開挖貫通后位移區(qū)域穩(wěn)定。表7

優(yōu)化施工方案的不同開挖進尺時的拱頂位移Tab.7

Vault

displacements

of

optimized

construction

scheme

in

different

footages將優(yōu)化后施工方案每步開挖計算后監(jiān)測的大小主應(yīng)力的最大最小值列于表8。表8

優(yōu)化施工方案每步大小主應(yīng)力值(單位:MPa)Tab.8

Maximum

and

minimum

primary

stresses

of

in

each

step

of

optimized

excavation

scheme

(unit:

MPa)可以看出,在對原襯砌進行跳格拆除后，應(yīng)力會逐漸釋放轉(zhuǎn)移到未拆除的原襯砌上，隨著不同的開挖步，主應(yīng)力中σ2max隨跳槽開挖的進行會有相應(yīng)的變化(先增大后減小)，從0.089MPa增大到0.314MPa，表現(xiàn)為原隧道洞周出現(xiàn)局部受拉，隧道貫通后為0.237MPa，此時的拉應(yīng)力為隧道地面底鼓產(chǎn)生的力。σ2min先增大后減小，開挖前和開挖后的應(yīng)力基本表現(xiàn)為受壓。σ3max隨著不同開挖步的進行而逐漸增大，但在受力上表現(xiàn)也不太明顯；σ3min的變化趨勢較為明顯，從各步的小主應(yīng)力變化來看，也主要表現(xiàn)在原襯砌的受壓且先大后小，這是由于跳槽開挖使上覆巖土體的拱效應(yīng)發(fā)揮出來，理由同文獻[17]中所述，兩邊跳槽后產(chǎn)生的拱效應(yīng)的拱腳力全部作用在原襯砌上，所以在實際開挖過程中可適當在計算槽寬的基礎(chǔ)上多預(yù)留原襯砌的長度，以此保證跳槽開挖時的圍巖穩(wěn)定性，當開挖完成后,圍巖應(yīng)力進行釋放調(diào)整產(chǎn)生的壓應(yīng)力大部分由施做的初期支護承擔。從計算得出的初襯大主應(yīng)力值可以看出，在開挖過程中，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在開挖貫通后為1.36MPa，基本沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，而現(xiàn)狀渝州隧道的施工方法的初襯貫通后初襯最大壓應(yīng)力為1.22MPa，拱頂會出現(xiàn)局部拉應(yīng)力為0.349MPa，從受力角度可以得出改進方法比現(xiàn)狀渝州隧道的施工方法有著較顯著的優(yōu)勢，將優(yōu)化施工方案不同開挖進尺時的初襯左右拱腰、左右拱腳及拱頂處的主應(yīng)力列于表9。表9

初期支護主應(yīng)力值大小Tab.9

Primary

stresses

of

initial

support4結(jié)果比較分析4.1原方案計算與現(xiàn)場監(jiān)測位移比較從現(xiàn)場監(jiān)控測量和數(shù)值模擬計算結(jié)果曲線繪于圖8。圖8監(jiān)控測量和數(shù)值計算的拱頂位移曲線

Fig.8Vaultdisplacementcurvesofmonitoringmeasurementandnumericalcalculation從圖8可以看出，現(xiàn)場監(jiān)控測量與數(shù)值模擬計算所得左右拱頂位移相差不大，開挖進尺為32m之前數(shù)值計算的位移略大于現(xiàn)場實測值，開挖完成后的最終沉降值略小于現(xiàn)場實測值為0.84mm。但兩者的變化趨勢是一致的，兩者的區(qū)別究其原因是數(shù)值模擬采用的是理想彈塑性條件下有限元計算模型，而實際工程中的巖石介質(zhì)是非完全彈塑性介質(zhì)，需考慮天然裂隙及孔隙水的影響，同時在鉆爆法施工條件下，巖體的性質(zhì)又會發(fā)生變化，所以導(dǎo)致結(jié)果的不一致性。此外，根據(jù)兩者的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，單側(cè)擴建時左側(cè)拱頂產(chǎn)生的位移大于右側(cè)拱頂，即在單側(cè)擴建時遠離原隧道一側(cè)受力條件比靠近原隧道一側(cè)要差，在具體的施工過程中需要重點監(jiān)測遠離原隧道一側(cè)的位移變化情況，以便及時做出相應(yīng)措施進行支護。4.2優(yōu)化方案與原方案比較(1)位移比較將前面計算出的兩種方案的拱頂位移繪于圖9。圖9優(yōu)化方案與原方案計算的拱頂位移曲線

Fig.9Calculatedvaultdisplacementsofoptimizedconstructionschemeandoriginalscheme根據(jù)優(yōu)化方案與原方案計算的拱頂位移曲線可以看出，整個開挖過程中優(yōu)化方案的開挖方法的拱頂位移均比原方案小，在整體開挖進尺為30m時，優(yōu)化方案產(chǎn)生的拱頂位移約為原方案的28%，所選定的區(qū)段全部貫通后，所選樁號斷面的拱頂最終沉降位移比渝州現(xiàn)狀開挖方法小14%左右，但是從曲線上看在開挖30m時位移發(fā)生突變(左側(cè)拱頂從2.31～7.02mm，右側(cè)拱頂從2.34～6.45mm)，此時是因為選定區(qū)域內(nèi)中間部分移除后,在開挖首尾部分時消去原襯砌的支撐作用使得因掏槽后產(chǎn)生的巖石拱失去了拱腳，因而發(fā)生位移的突變[18]。所以單從拱頂位移角度來看，優(yōu)化的施工方案明顯發(fā)揮了其優(yōu)勢，此法能夠有效地利用原隧道襯砌的支撐作用抵制圍巖自動調(diào)整產(chǎn)生的位移進一步發(fā)展。所以在施工過程中(首尾預(yù)留段位開挖前)，先對中間部分進行跳槽開挖，直到初期支護和二次襯砌全部施做完成后再將首尾預(yù)留段挖除，這樣既避免了在進洞和出洞時對圍巖的大范圍破壞，也可相應(yīng)地減少常規(guī)的高密度支護來保持洞口的圍巖穩(wěn)定性。若圍巖穩(wěn)定性本身比較差，可以在中間部分圍巖全部挖除并完成二襯的施做后，通過管棚施工及預(yù)加固手段來降低口部因既有襯砌拆除后產(chǎn)生的位移突變。(2)應(yīng)力比較從圖10曲線可知，現(xiàn)狀開挖方案的小主應(yīng)力隨開挖進尺的增加先增大至6.09MPa，開挖完成后逐漸降低至4.05MPa，此時的最小小主應(yīng)力表現(xiàn)在初期支護上；優(yōu)化施工方案的小主應(yīng)力隨開挖進尺的增加也是先增大至7.02MPa，開挖完成后逐漸