懸索橋隧道式錨碇開挖方案分析

譚 浩 明

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長大橋梁建設施工技術行業重點實驗室，湖北 武漢 430040)

懸索橋隧道式錨碇開挖方案分析

譚 浩 明1,2

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長大橋梁建設施工技術行業重點實驗室，湖北 武漢 430040)

以浙江官山大橋工程為背景，從開挖施工步驟與隧道錨施工中的應力及位移變化特點等方面，對臺階法與CD法兩種開挖支護方案進行了比較，推薦采用臺階法進行該橋梁施工。

隧道錨，臺階法，CD法，開挖施工

1 工程概況

隧道錨是將圍巖作為錨碇的承載受力的一部分，與錨碇組成共同的受力體系，承受橋梁纜索拉力，相比于重力式錨碇而言，其結構更為受力合理，且工程量小，工程造價也較低。但其對錨碇周邊地質條件要求較高，一般用于節理較小、巖體力學性能較好的地區。隧道錨的設計主要需考慮錨體周圍的巖體要有足夠的強度和穩定性承受錨體傳來的纜力。即要求隧道錨本體與圍巖之間膠結面穩定、隧道錨與圍巖整體穩定。本文依托工程為浙江官山大橋，其錨室間的間距范圍較小，僅為9.5 m～16.0 m，隧道錨中夾巖墻對錨碇的整體穩定性影響較大，施工過程中應盡可能減小對中夾巖墻的爆破擾動，開挖工法的選擇比較重要。

縱觀隧道錨的施工方法，主要有以下幾種：全斷面法、臺階法、中隔墻法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法等。在實際工程中，Ⅴ級圍巖常常采用CD法或環形開挖留核心土法進行開挖，Ⅳ級圍巖較多采用臺階法開挖，本依托工程主要針對CD法和臺階法進行方案比選，確定合理的開挖方案。

2 臺階法開挖支護方案分析

數值模擬采用ABAQUS有限元軟件，采用平面應變模型，模擬兩錨室最近距離斷面(相距9.51 m)。

2.1 開挖施工步驟

隧道錨采用臺階法開挖與支護施工步驟如圖1所示。

2.2 隧道錨施工過程中應力及位移分析

先行隧道上斷面開挖并噴錨支護后，隧道拱腳位置出現較大的應力集中，最大應力為1.074×106Pa，如圖2所示。開挖底邊，應力釋放較多，塑性區主要分布在下臺階腳部，如圖3所示。下斷面開挖并噴錨支護后，隧道錨圍巖應力改善明顯，上斷面拱腳位置較大的應力集中消失，隧道下斷面拱腳位置出現應力集中，此時圍巖最大應力為1.764×106Pa，見圖4。塑性區主要分布在隧道底部拱腳處，最大塑性應變為4.286×10-5，見圖5。

后行隧道開挖的應力與塑性區變化規律與先行洞行一樣，當隧道完全開挖完成后，當隧道采用臺階法開挖完成后，圍巖塑性區位于兩隧道拱腳部位。后行隧道的塑性區與先行隧道的塑性區位置與區域均一致，由于后行隧道的影響，先行隧道的塑性應變增大由4.2×10-5變到6.9×10-5。

3 CD法開挖支護方案分析

3.1 開挖施工步驟

隧道錨先行洞室采用臺階法，后行洞室采用CD法開挖與支護施工步驟如圖6所示。

3.2 隧道錨施工過程中應力及位移分析

先行洞室采用臺階法開挖，其應力場和位移場與上節分析一樣。當后行洞室采用CD法開挖時，其應力變化和塑性區變化與臺階法開挖類似，主應力主要集中在頂部與腳部，當隧道開挖完成后，隧道的塑性區分布圖如圖7所示。當采用CD法施工后行洞室，塑性區較采用臺階法施工略有變小，但變化不大，塑性區最大塑性變形由7.121×10-5減小到6.163×10-5。

開挖后圍巖朝洞內方向移動，整個開挖過程中，由于圍巖強度較高，因而水平收斂與拱頂下沉量均較小。隧道開挖完成后，先行隧道的最大收斂位移為0.52 mm，后行隧道的最大收斂位移為0.53 mm，先行隧道的最大拱頂下沉量為2.38 mm，后行隧道最大拱頂下沉量為2.40 mm；先行隧道最大隆起量為1.74 mm，后行隧道最大隆起量為1.77 mm。

4 結語

通過對臺階法和CD法工法比選，由施工期圍巖應力、位移場等計算結果可知：

1)CD法較臺階法而言，對隧道拱頂沉降的控制效果更好，但由于CD法加大了豎向約束，但水平約束無明顯增強，因而水平位移較臺階法而言略有增大。依托工程中圍巖強度較高，后行洞室采用CD法和臺階法對圍巖的變形影響不大。

2)無論是采用CD法還是臺階法，均為在隧道的拱腳位置產生少量的塑性區。相比臺階法，采用CD法，塑性區相對較小，且最大塑性應變值也較小。

3)臺階法相對CD法而言工序少，相互影響小，出渣快，機械設備效率比較高，上、中、下導坑一次成形，圍巖暴露時間短，安全能保證，工程造價低。

綜上所述，后行洞室如果改用臺階法施工，對圍巖的擾動和洞室的變形影響微小，但具有提高施工效率、加快工期、降低工程造價的優點。因而從可行性、經濟合理性和安全可靠性三個方面分析，認為可以采用臺階法替代CD法進行施工。

[1] JTG C20—2011，公路工程地質勘察規范[S].

[2] JTG D70/2—2014，公路隧道設計規范(第二冊)[S].

[3] 陳方東，豐月華，白雨東，等.大跨度、淺覆土、小凈距隧道錨微擾動開挖施工技術研究[J].交通科技，2016(98)：56-62.

[4] 賈曉旭，趙玉成.軟弱圍巖隧道CD法和臺階法施工力學行為分析[J].隧道/地下工程，2016(5)：91-93.

[5] 瞿東明，侯明章，吳科亮，等.深埋大斷面隧道開挖施工方案比選分析[J].橋隧工程，2015(19)：82-84.

[6] 郭 瑞,方 勇,何 川.隧道開挖過程中應力釋放及位移釋放的相關關系研究[J].鐵道工程學報，2010(9)：46-50.

Analysis on suspension bridge tunnel-style anchorage excavation scheme

Tan Haoming1,2

(1.ChinaCommunication2ndNavigationEngineeringBureauCo.,Ltd,Wuhan430040,China; 2.ChangdaBridgeConstructionTechnologyIndustryLaboratory,Wuhan430040,China)

Taking Zhejiang Guanshan bridge engineering as the background, starting from aspects of stress and displacement alteration features in excavation construction procedures and tunnel anchorage construction, the paper compares two kinds of excavation support schemes of bench cut method and CD method, and recommends to apply bench cut method in the bridge construction.

tunnel anchorage, bench cut method, CD method, excavation construction

1009-6825(2017)03-0161-03

2016-11-16

譚浩明(1986- )，男，助理工程師

U455.4

A