基于某高速公路隧道施工工法分析比較

(重慶大學建筑規劃設計研究總院有限公司 重慶 400045)

一、概述

本文涉及隧道為小凈距+分離式長隧道，左洞起訖樁號為ZK47+390～ZK49+450，長度2060米；右洞起訖樁號為K47+365～K49+482，長度2117米。左洞最大埋深125.5米，右洞最大埋深130米。其中，隧道進出口段埋深較淺，根據地質勘察資料，地質比較完整，結構性一般，基本接近Ⅳ級圍巖條件。本文采用ANSYS軟件中的非線性分析功能對隧道進行建模分析，通過對單側壁導坑法、環形導坑預留核心土法及上下臺階法三種不同功法的研究，分析選取安全可靠的施工工法。

二、有限元模型及施工步序模擬

(一)計算模型的選取

數值模擬軟件對隧道開挖進程進行模擬時，選取右線進口K47+450斷面，斷面埋深約27m，模型采用平面二維計算，為減小邊界效應保證計算的準確性，建立的平面模型(如圖1)，模型尺寸為：左右隧道開挖邊界想兩側分別取50m，豎直向上取至地表，地表至隧道拱頂27m，地表至下邊界50m；因隧道為小凈距淺埋隧道，故計算時按自重應力場考慮，本次隧道計算未考慮超前和鋼支撐的支護作用，計算相對保守。

圖1 典型計算模型

(二)計算參數的選取

根據地勘資料，本次模擬計算選取的各材料有限元計算參數見下表：

表1 有限元計算物理力學參數綜合取值表

(三)施工步序

根據單側壁導坑法施工方案特點，結合本隧道實際情況，本次模擬計算分步如下表：

表2 單側壁導坑法開挖計算步驟表

根據環形導坑預留核心土法，本次模擬計算分步如下表：

表3 環形導坑預留核心土法開挖計算步驟表

根據上下臺階法，本次模擬計算分步如下表：

表4 上下臺階法開挖計算步驟表

三、計算結果及分析

(一)圍巖位移分析

本文分別采用單側壁導坑法、環形導坑預留核心土法及上下臺階法三種不同施工工法時對應的圍巖最大變形量統計見表5。

表5 各工法下圍巖整體最大位移表(單位：mm)

根據上表可知，三種施工工法圍巖位移均小于12mm，滿足《公路隧道施工技術規范》中關于隧道變形的規定及設計預留變形(12mm)要求，即變形值滿足施工控制要求。

(二)圍巖應力分析

本文分別采用單側壁導坑法、環形導坑預留核心土法及上下臺階法三種不同施工工法時對應的圍巖最大應力統計見表6。

表6 各工法下圍巖最大應力分析表(單位：MPa)

根據上表及地勘資料可知，三種施工工法的圍巖應力均滿足巖體的受力要求。

(三)初支應力分析

本文分別采用單側壁導坑法、環形導坑預留核心土法及上下臺階法三種不同施工工法時對應的初支最大應力統計見表7。

表7 各工法下初支最大應力分析表(單位：MPa)

(四)二襯安全系數分析

根據《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)求得各個荷載步下二襯結構安全系數，匯總各工況下最小安全系數如表8。

表8 各工法下二襯最小安全系數統計表

通過對二襯安全系數分析，三種工法下二襯結構最小安全系數均大于2.4，滿足《公路隧道設計規范》的規定。

四、結論

(1)本文研究隧道的進出口段采用單側壁導坑法、環形導坑預留核心土法和上下臺階法施工均能夠滿足施工控制要求。

(2)環形導坑預留核心土法施工雖能有效控制變形和受力，但其施工工序多，施工周期長。

(3)單側壁導坑法二襯最小安全系數相對較大，但其施工過程中工序及臨時支護使用相對臺階法多。

(4)臺階法圍巖應力相對較大，但各項指標均能滿足施工控制要求，且施工工藝成熟，施工工序較少，能夠有效縮短施工工期。