桐梓隧道Ⅴ級圍巖段施工方法適用性數值分析

姜 健 郭騰飛

(河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000)

1 工程概況

蘭州至海口國家高速公路重慶至遵義段桐梓隧道地處黔北高原北部，該隧道為分離式雙向六車道特長隧道，左幅起訖ZK34+508～ZK45+005，全長10 497 m,最大埋深約639.61 m，右幅起訖樁號為YK34+530～YK45+015，全長10 485 m，最大埋深約639.07 m。左幅隧道中Ⅴ級圍巖段落為ZK34+508～ZK34+585，ZK35+740～ZK35+770，ZK37+730～ZK37+920，ZK39+890～ZK40+090，ZK41+330～ZK41+460，ZK42+250～ZK42+330和ZK43+405～ZK43+600，共7段，共902 m，其中ZK34+508～ZK34+585為淺埋段，其余為深埋段。右幅隧道中Ⅴ級圍巖段落為YK34+530～YK34+585,YK35+725～YK35+755,YK37+780～YK37+980，YK39+970～YK40+210，YK41+425～YK41+545，YK42+315～YK42+395，YK43+500～YK43+695，YK44+895～YK45+015，共8段，共1 040 m，其中YK34+530～YK34+585，YK44+895～YK45+015為淺埋段，其余為深埋段。

為掌握不同開挖方法的適用性，取淺埋段ZK34+585斷面進行模擬分析。ZK34+585斷面頂板埋深為26 m，洞身圍巖為中風化灰巖夾炭質泥巖，巖質較軟，Rc=30 MPa。巖體破碎，Kv=0.32。圍巖無自穩能力，無支護時易產生坍塌及掉塊，甚至冒頂。

根據設計資料及以往工程經驗，針對Ⅴ級圍巖條件下三車道隧道施工方法提出對雙側壁導坑法、三臺階七步開挖法和三臺階+臨時仰拱三種開挖方法，從施工過程中圍巖的穩定性和變形等角度進行分析。

雙側壁導坑法，其施工順序示意圖如圖1所示。

雙側壁導坑法主要施工步驟為：1)開挖導坑Ⅰ；2)施作初期支護及臨時支護①；3)開挖導坑Ⅱ；4)施作初期支護及臨時支護②；5)開挖導坑Ⅲ；6)施作初期支護及臨時支護③；7)開挖導坑Ⅳ；8)施作初期支護及臨時支護④；9)開挖導坑Ⅴ；10)施作初期支護及臨時支護⑤；11)開挖導坑Ⅵ；12)施作初期支護及臨時支護⑥。

三臺階七步開挖法，其施工順序示意圖如圖2所示。

三臺階七步開挖法主要施工步驟為：1)環形開挖上臺階Ⅰ；2)施作上臺階初期支護①；3)跳槽開挖中臺階Ⅱ,Ⅲ；4)施作中臺階初期支護②,③；5)跳槽開挖下臺階兩側Ⅳ,Ⅴ；6)施作下臺階初期支護④,⑤；7)分臺階開挖Ⅵ-1，Ⅵ-2，Ⅵ-3；8)開挖仰拱Ⅶ；9)施作初期支護⑥。

三臺階+臨時仰拱法，其施工順序示意圖如圖3所示。

三臺階+臨時仰拱法主要施工步驟為：1)開挖上臺階Ⅰ；2)施作上臺階初期支護①-1及臨時仰拱①-2；3)開挖中臺階Ⅱ；4)施作中臺階初期支護②-1及臨時支護②-2；5)開挖下臺階Ⅲ；6)施作下臺階初期支護③-1。

2 數值模擬

2.1 模型建立

參考類似工程案例[1-4]，以淺埋段ZK34+585斷面，建立數值模型如圖4～圖6所示，其計算模型的邊界范圍在水平方向上取大于3.5倍的最大洞跨，垂直方向上則取大于3.0倍的洞室高度。模型邊界條件為：底部采用位移邊界條件，即垂直和水平方向的位移均約束，側面僅水平方向位移約束，頂部為自由表面，不施加任何約束。

2.2 計算參數

鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土：

(1)

其中,E為折算后混凝土的彈性模量；E0為原混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面面積；Eg為鋼材的彈性模量；Sc為混凝土的截面面積。

初始應力場根據巖體的自重應力場計算得到。圍巖采用平面四邊形等參單元，判定準則采用Mohr-Coulomb屈服準則。結合現場工程地質勘察資料及相關規范標準[5-7]可得其余參數值如表1所示。

表1 數值分析計算參數

2.3 數值模擬結果分析

分別針對淺埋條件下，對三種不同施工方法引起的圍巖塑性區、拱頂沉降、水平收斂和初支內力進行分析。

2.3.1圍巖塑性區

數值模擬三種開挖方法引起圍巖塑性區分布如圖7～圖9所示，從圖中可以看出，就塑性區的范圍來看，雙側壁導坑法和三臺階+臨時仰法，在隧道拱肩部位和拱腳部位均出現明顯塑性區。總的來看，三臺階+臨時仰拱法較三臺階七步開挖法引起的最大塑性變形小，但三種施工方法均未出現塑性變形貫通情況，均適用于類似斷面。

2.3.2拱頂沉降

三種工法拱頂測點布設示意圖如圖10～圖12所示。其拱頂沉降數值模擬如圖13～圖15所示。

由圖13～圖15中可以看出，雙側壁開挖法施工引起的隧道拱頂沉降量為34.02 mm，三臺階七步開挖法的拱頂沉降為63.92 mm，三臺階+臨時仰拱法的拱頂沉降為42.93 mm，即三臺階七步開挖法引起的拱頂累積沉降量最大，雙側壁開挖法施工引起的拱頂累積沉降量最小。

2.3.3水平收斂

三種工法水平收斂測點布設示意圖如圖16～圖18所示。其拱頂沉降數值模擬如圖19～圖21所示。

由圖19～圖21中可以看出，雙側壁開挖法施工引起的水平收斂累積最大變形量為42.24 mm，三臺階七步開挖法引起的水平收斂累積最大變形量為57.6 mm，三臺階+臨時仰拱法施工引起的水平收斂累積最大變形量為43.4 mm，即三臺階七步開挖法引起的累積水平收斂量最大，雙側壁開挖法施工引起的累積水平收斂量最小。

3 位移控制標準

位移控制基準包括隧道內位移、地表沉降等，根據JTG D70—2004公路隧道設計規范中規定，應根據地質條件、隧道施工安全性、隧道結構的長期穩定性，以及周圍構(建)筑物特點和重要性等因素制定，見表2。

表2 洞周水平相對收斂值 %

埋深<5050～300>300Ⅲ級圍巖0.10～0.300.20～0.500.40～1.20Ⅳ級圍巖0.15～0.500.40～1.200.80～2.00Ⅴ級圍巖0.20～0.800.60～1.601.00～3.00注:1)水平收斂值系指收斂位移累計值與兩測點間距之比;2)硬質圍巖隧道取表中較小值,軟質圍巖隧道取表中較大值;3)拱頂下沉允許值一般可按本表數值的0.5倍～1.0倍采用;4)本表所列數值在施工過程中可通過實測和資料積累作適當修正

根據表2，取拱頂下沉允許值為0.5，可以得出桐梓隧道Ⅴ級圍巖中位移變形控制標準，見表3。

表3 位移變形控制標準 mm

根據表3，結合數值計算結果，可以得出在數值計算結果上，三種開挖工法引起的位移值均滿足控制標準。

4 綜合分析

三種工法現場實際情況對比分析如表4所示，從表4中可以看出三臺階+臨時仰拱在施工進度、資源利用、造價、工序轉化及施工難度均要優于三臺階七步開挖法和雙側壁導坑法，但工法安全度相對較低，開挖能夠滿足圍巖及支護安全穩定要求，因此在保證施工安全的條件下三臺階+臨時仰拱法是適用的。

表4 三種工法對比分析表

5 結語

通過數值模擬，三種不同開挖方法中圍巖和初支的內力和變形分析，得出如下結論：

1)雙側壁導坑法施工在控制圍巖變形和保證圍巖穩定性方面優于三臺階七步開挖法和三臺階+臨時仰拱法，但三種工法施工均能滿足圍巖及支護穩定性的要求。

2)在隧道開挖中能夠及時封閉成環可以改善初支結構的受力狀態，既可避免較大的受力突變，減少受力相對集中的狀態，又可保證圍巖和支護的穩定性，因此在實際施工過程中，考慮工序轉換及施工質量控制方面，三臺階+臨時仰拱法較三臺階七步開挖法更適用于隧道開挖。

3)對于大跨度隧道施工，應在保證安全的前提下，充分考慮施工進度、資源的利用率及施工質量等方面，根據實際條件選用合適的施工方法。