高速公路隧道開挖施工技術及控制策略分析

周順

摘要：文章以某高速公路隧道1#段開挖施工工程為例，利用有限元數值軟件MIDAS-GTS NX建立二維數值模型，分析采用上下臺階法、三臺階法、三臺階預留核心土法等施工技術開挖時，隧道淺埋段埋深1O m處圍巖襯砌的應力變化、位移及塑性區分布情況，確定了三臺階預留核心土法為該工程較合理的開挖方式，為類似高速公路隧道淺開挖工程設計和施工提供參考。

關鍵詞：高速公路;隧道開挖;淺埋暗挖;施工方法;數值模擬

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.024

文章編號：1673-4874（2019）07-0076-04

0引言

淺埋隧道的地質條件較差，圍巖結構松散且易受地下水影響，周邊圍巖無法有效地形成天然拱形，隧道洞室受周圍環境的影響極易產生變形。淺埋暗挖法是針對淺埋隧道地質條件差、覆土層薄、承載力小、容易坍塌等特點提出的通過圍巖預加固并及時支護控制地面沉降，保證施工安全的施工方法。本文以某高速公路隧道為依托，通過二維數值模擬，分析采用上下臺階法、三臺階法、三臺階預留核心土法等施工技術開挖時隧道淺埋段埋深10m處圍巖襯砌的應力變化、位移及塑性區分布，確定合理的開挖控制手段，為類似高速公路隧道淺開挖工程設計和施工提供參考。

1工程概況

在某高速公路隧道的左側標段ZK30+875～ZK35+900是明洞隧道段，ZK35+900～930是淺埋地下段。埋地深度最大為28m，最小埋深只有6m。隧道口靠近稻田，地形相對平坦，自然坡度為10°～15°。煙道分布在東門附近約100m處，設計高程有點低。洞室覆蓋層厚度小，強烈風化的基巖部分裸露，巖體破碎。邊坡開挖后，表層容易開裂、塌陷和下降。左段隧道口軸線大致與等高線正交。天然坡度約為30°，隧道口附近的覆蓋層厚度較小。

2基于MIDAS-GTSNx的數值模擬

2.1建立二維數值模型

結合現場的施工地質情況，該高速公路隧道1#段淺埋暗挖以三臺階預留核心土法等施工技術開挖，同時對土體實行快速注漿工藝進行加固，并輔助錨桿、工形鋼拱搭建聯合支護措施。而后利用有限元數值軟件MIDAS—GTSNX建立二維數值模型，對隧道施工和開挖階段進行了仿真。隧道出口屬于淺埋隱蔽開挖段，圍巖本身承載力差，層間結合力差，充填淤泥。采用了保留三臺階預留核心土法工藝。隧道體圍巖主要為中風化砂頁巖和強風化砂頁巖，出口段地形相對平坦，沒有偏差壓力。根據設計規范所推薦的三中心圓形曲線側墻的結構形式和運算原理，隧道洞室開挖后的應力和應變只在開挖過程中受到影響。數值模型的寬度在左右向取約30m，在垂直方向和地面上取30m。數值模型如圖1所示。

2.2模型參數選擇（見表1）

根據高速公路隧道地質調查報告和高速公路隧道設計規范，選擇圍巖的物理力學參數。在隧道開挖過程中，圍巖開挖后立即進行初始支護。首先，建立預制鋼制拱架和鋼網，然后采用空心灌漿螺栓，最后采用注射硅進行密封。在上述施工過程中產生的剛度矩陣對總剛度矩陣的影響較小。在數值模擬中沒有必要進行分布建模。在初始階段，襯砌可以根據如下的等效原理轉換：

Eo×A=Ec×Ac+Es×As

式中：Eo——等效最初的支持的彈性模數;

A——初期支護的面積;

Ec、Es——商品混凝土和鋼筋的彈性模量;

AcAs——硅和鋼筋的面積。

3數值模擬計算結果與分析

3.1圍巖位移

由圖2可知：（1）采用上下臺階法、三臺階法和三臺階預留核心土法開挖洞室后，最大穹頂沉降值分別為12.66mm、12.50mm和12.26mm，并且最大周邊收斂分別為11.33mm、11.27mm、11.22mm，洞室沉降均超過設計要求的預警值，與現場實際施工情況相符。（2）在淺開挖深為10m以下時，以上三種工藝開挖引起的圍巖變形差異不大。三臺階法和三臺階預留核心土法的變形一過程曲線變形溫和，圍巖變形不存在突變現象，更符合安全建設要求。（3）3種開挖方式下，左右墻周圍的收斂變形趨勢一般相似，這是因為隧道地質中沒有偏倚現象，左右側墻襯砌結構的變形一般是對稱的。

綜上，隧道開挖后，洞室拱頂沉降和周邊收斂均超過預警值，匯聚變形趨向在左右側面墻附近是相似的;采用3種施工方法開挖洞室，埋深10m處圍巖的位移相差不大。

3.2圍巖最大主應力

采用不同施工方法開挖時隧道圍巖最大主應力見圖3，拉應力為+、壓應力為-。

由圖3可知：（1）采用上下臺階開挖時，拱頂最大主應力為-75.99kPa，左右基臺最大主應力分別為-82.15kP和-82.51kPa，左、右拱腰處最大主應力分別為-183.80kPa和-181.51kPa，其巖體左右壓強差不大;而上下部則出現內應力過渡集中現象，如底層襯砌不牢固時會產生開裂，與現場出現的缺陷一樣。（2）采用三臺階開挖法，拱形最大主應力為80.82kPa，左、右圍巖的最大主應力分別為-87.91kPa、-87.76kPa，左右巖腰最大主應力分別為-175.51kPa和-175.62kPa，與上下臺階法相比，由于開挖步驟的三個步驟細分和減少了圍巖開挖的程度，圍巖的最大主應力減少：左右拱腳的最大主應力分別為-118.60kPa和-106.7kPa，并出現壓縮和拉應力轉換現象，容易發生剪切破壞。（3）采用三臺階預留核心土開挖方法時，拱頂最大主應力為-81.02kpa，左右拱肩最大主應力分別為-89.51kPa和-87.31kPa。比較了三種開挖方法可知，圍巖的最大主應力與開挖步驟成反比，與細化程度成反比，在各個階段都能避免圍巖出現應力集中現象，保護襯砌結構的完整性;左拱腳和右拱腳的最大主應力分別為-15.16kPa和-151.67kPa，易出現變形。

綜上可知，隧道開挖后，洞室拱頂與腰巖及至腳巖受壓應力相關不大;采用3種施工方法開挖洞室，埋深10m處圍巖的最大應力等值相關不大。

3.3襯砌結構軸應力

（1）不同施工方法下襯砌結構軸應力均左右大致對稱且均為壓應力，表明襯砌結構不存在偏壓現象。（2）采用上下臺階法、三臺階法、三臺階預留核心土法開挖洞室后，襯砌最大軸向應力的襯層結構分別是一1718.93kPa、-1771.7kpa和-1802.2kPa。最大軸向應力的襯砌結構將出現在兩側的拱肩下。當使用上下臺階法時，上下臺階交界處的軸向應力發生顯著突變，從-131.12kpa臺階變為-795.19kPa。這說明施工中上下臺階連接處的襯砌結構承受著很大的壓力，具有一定的安全風險。（3）開挖步驟的細分有利于襯砌軸向應力的合理分布，從而大大降低襯砌拱腳的軸向力。如果在圍巖拱體開挖后采用三臺階法，襯砌軸的應力變化相對溫和，中間臺階與上臺階交界處的最大襯砌軸應從-1213.81kPa變為-961.59kPa，中間步驟和上一步下臺階交界處的最大襯砌軸應力從-1129.76kPa變為-877.50kPa。

如上所述，襯砌結構軸應力當采用三臺階法開挖時襯砌軸應力增大，與隧道埋深增加成正比;3種施工技術劃分越細，臺階連接處的軸應力突變越小。

4結論

（1）該高速公路1#段淺埋暗挖段圍巖自穩能力差，結構較松散，采用上下臺階法開挖時，由淺埋挖掘期間得知其周圍的巖石不穩定，結構惡劣，巖層強度寬松。采用上下開挖的步法，由于埋深淺，高臺階細分法的施工會引起隧道內拱頂下降，引發塌陷現象。開挖步驟少，不僅可以減少圍巖的干擾，還能快速完成支護結構，最大限度地控制圍巖的變形，確保隧道洞室的施工安全。

（2）采用三臺階法挖掘隧道時，襯砌結構的連接是一個薄弱環節。襯砌在這部分的軸向應力變化極大，塑性區集中，易產生沉降現象，所以變形程度也尤其突出，需要加大支護措施。

（3）當隧道埋深約10m的深度時，三臺階預留核心土法作為施工技術，可以合理地分配隧道襯砌的結構應力，使圍巖的壓力釋放得到控制，有效地控制圍巖變形，保證最大程度的施工安全。