庫爾勒隧道開挖掌子面穩(wěn)定性研究

朱孟艷 陳國 竇晗 談闖

摘要：在砂質(zhì)圍巖地層和軟弱破碎圍巖中開挖隧道會引起圍巖擾動卸荷并改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，若變形控制不當(dāng)，極易導(dǎo)致掌子面發(fā)生破壞。庫爾勒隧道為典型的戈壁全風(fēng)化砂巖淺埋隧道，下穿既有營業(yè)線，掘進(jìn)施工難度大，技術(shù)復(fù)雜。采用離散元顆粒流軟件PFC2D研究全斷面法、雙臺階法及三臺階法在庫爾勒隧道開挖中的適用性，從而確定合理的開挖工法。研究結(jié)果表明：采用全斷面法和雙臺階法施工時，圍巖變形控制能力差，塑性區(qū)分布面積較大，圍巖易產(chǎn)生滑塌。三臺階法更適合開挖庫爾勒隧道，仰拱施作后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)較大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小。相關(guān)研究成果可為今后類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞： ?隧道工程 ?掌子面 ?全斷面法 ?兩臺階法 ?三臺階法 ?變形控制

Research on Stability of Excavating Face of the Korla Tunnel

ZHU Mengyan1，2 CHEN Guo1，2 DOU Han1TAN Chuang2

（1. China Railway First Group Third Engineering Co.， Ltd.， Baoji， Shanxi Province，721006 China;2. College of Civil Engineering， Nanjing Forestry

University， Nanjing， Jiangsu Province，210037 China）

Abstract：Tunnel excavation in sandy surrounding rock strata and soft fractured surrounding rock will cause disturbance and unloading of surrounding rock and changes the state of stress distribution of surrounding rock. If the deformation is not controlled properly， it is very easy to cause damage to the tunnel face. Korla tunnel is a typical shallow buried tunnel in Gobi completely weathered sandstone. It crosses the existing business line， which is difficult to excavate and complex in technology. The discrete particles flow software PFC2D is used to study the applicability of the full face method， double-step method， three-step method in the Korla tunnel excavation， so as to determine the reasonable excavation method. It was found that when using the full face and double-step methods in the excavation， the deformation control of the surrounding rock is bad， the distribution area of the plastic area is large， and the surrounding rock is easily collapsed. The three-step method is more suitable to excavate the Korla tunnel， the safety factor of the tunnel lining structure after inverted arch construction is bigger， and the internal force of the structure is smaller. The relevant research results can provide reference for similar projects in the future.

Key Words： Tunnel engineering;Tunnel face;Full face method;Double-step method;Three-step method;Deformation control

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們出行的需求越來越，公路、地鐵和鐵路的建設(shè)如火如荼。隧道對于節(jié)約土地資源、減少線路里程以及改善行車舒適度等均具有非常重要的意義。隧道工程施工難度大、工期長、造價高，而且往往需要穿越復(fù)雜地質(zhì)條件的地層，如軟弱圍巖、斷層破碎帶和富水砂層等[1-5]。對于穿越砂巖地層的淺埋暗挖隧道而言，砂層易受擾動，拱頂其施工方法的選擇需要充分考慮圍巖的工程地質(zhì)、地下水、隧道斷面大小及形狀、施工機(jī)械配備能力以及工期等要求[6-8]。在隧道的開挖過程中，由于施工不當(dāng)而導(dǎo)致的圍巖松動、拱頂坍塌、地表下沉的破壞現(xiàn)象屢見不鮮。因此，選擇科學(xué)合理的隧道開挖方法是隧道施工安全的關(guān)鍵，可以保證工程安全的同時縮短工期，從而降低隧道的工程造價。

1 工程概況

全長4550m的庫爾勒隧道位于庫爾勒火車站東側(cè)的開發(fā)區(qū)境內(nèi)，起始里程為DYK1211+700，終點里程為DYK1216+250。所在地形地貌屬庫魯塔格山前沖洪積傾斜平原區(qū)，海拔高程990～1015m。全隧道淺埋，最小埋深僅6m，洞頂覆蓋層為砂層，需要穿越戈壁全風(fēng)化砂巖地層。隧道下穿既有鐵路、公路、市政天然氣管道、輸油管道等結(jié)構(gòu)，為Ⅱ級風(fēng)險隧道。

2 掌子面穩(wěn)定性

2.1 數(shù)值模型及參數(shù)

庫爾勒隧道全線位于干旱區(qū)，地下水貧乏，在數(shù)值分析的過程中不考慮出現(xiàn)涌水的情形。全線開挖跨度約為7.16m，但為了便于建模分析計算，采用離散元顆粒流PFC2D軟件分析時設(shè)定隧道開挖跨度為7.2m，這是一種偏于保守的做法。模型只有地表面為自由面外，四周通過固定墻的位移約束其變形，開挖支護(hù)采用WALL單元，忽略支護(hù)材料的力學(xué)及變形情況。假定隧道全線穿越范圍內(nèi)均為戈壁砂巖，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

通過對常見的砂巖地層隧道經(jīng)常使用的全斷面法、兩臺階法和三臺階法進(jìn)行數(shù)值模擬，從圍巖裂隙、顆粒狀態(tài)等角度分析評價各種方法的優(yōu)缺點及在砂質(zhì)圍巖地層中的適用性。為便于橫向比較，各施工開挖方法數(shù)值模型均采用同一斷面尺寸。

2.2 全斷面法

由圖1可知，采用全斷面法進(jìn)行開挖時，掌子面圍巖穩(wěn)定性很差，松動區(qū)范圍較大，最大處位于掌子面拱頂上方8.6m處。由圖2可知，采用全斷面法施工時，隧道圍巖整體穩(wěn)定性較差，由于原有的巖體被挖掉，導(dǎo)致在隧道開挖過程中，圍巖將發(fā)生明顯的滑塌現(xiàn)象，開挖無法自穩(wěn)。所以，對于砂質(zhì)地層隧道，采用全斷面法施工圍巖無法自穩(wěn)，隧道施工安全性無法得到保障，所以不宜采用全斷面法施工。

2.3 兩臺階法

相比全斷面法而言，兩臺階法具有更多的作業(yè)空間和更快的施工速度。由圖3可知，采用兩臺階法開挖庫爾勒隧道時，掌子面圍巖的穩(wěn)定性比全斷面法有了較大的改善，松動區(qū)整體向上發(fā)展，最大處位于掌子面拱頂上方6.2m處。

分別提取進(jìn)尺為0.5m、0.75m和1.0m時的隧道地層沉降結(jié)果進(jìn)行對比分析。有限元模擬結(jié)果表明，當(dāng)開挖面遠(yuǎn)離監(jiān)測面時，地層的沉降值很小，近似可忽略不計;然而，隨著開挖面距離監(jiān)測面越來越近時，隧道附近圍巖地層的沉降值越來越大，當(dāng)開挖面到達(dá)監(jiān)測面時，圍巖的沉降值達(dá)到最大值。隨后，開挖面越過監(jiān)測面后，監(jiān)測面的圍巖地層沉降逐漸變小，當(dāng)開挖進(jìn)尺到隧道直徑的一半時，變形逐漸趨于恒定值，這與現(xiàn)場實測結(jié)果吻合良好。此外，采用不同進(jìn)尺時的隧道圍巖地層的最終豎向沉降值存在較大的差異。通過現(xiàn)場監(jiān)測到的地表沉降值可知，當(dāng)進(jìn)尺分別為0.5m、0.75m和1.0m時，隧道上面的砂巖地表沉降值分別為50.2、58.7和69.1mm。其中，進(jìn)尺為0.5m時的隧道地層沉降值最小。

上臺階開挖后，拱頂下沉量較大，約為39.7mm，水平收斂量較小，為13.3mm;當(dāng)下臺階開挖后，隧道拱頂處的下沉量變化較小，僅為48.6mm，但水平收斂量增長較快，達(dá)到46.2mm。上臺階開挖后，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為5.3，當(dāng)下臺階開挖后，拱頂處的最小安全系數(shù)為2.0，拱腳處僅為1.3。采用臺階法施工時，第一臺階施工后地表最大沉降為74mm，位于拱頂正上方，拱部最大豎向位移為107mm，底部最大隆起為91mm，圍巖最大水平位移為36mm，位于初期支護(hù)兩側(cè)底角，向圍巖方向擴(kuò)張;圍巖最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左右兩側(cè)底角，分別為0.82MPa，和0.85MPa，同時在兩側(cè)底角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，在兩側(cè)底角下部圍巖內(nèi)出現(xiàn)較大塑性區(qū);初期支護(hù)最大彎矩出現(xiàn)在兩側(cè)拱腰處，約為204kN.m，最大軸力出現(xiàn)兩側(cè)底角處，約為750kN。第二臺階開挖后，地表最大沉降為41mm，拱部最大豎向位移為88mm，底部最大隆起為159mm，圍巖最大水平位移為42mm，位于初期支護(hù)兩側(cè)底角處;圍巖最大壓應(yīng)力約為0.91MPa，出現(xiàn)在隧道兩側(cè)的拱腳處，在第二臺階左右兩側(cè)及底部圍巖內(nèi)出現(xiàn)較大范圍塑性區(qū);初期支護(hù)最大彎矩出現(xiàn)在兩側(cè)拱腰附近，約為265kN.m，最大軸力出現(xiàn)在拱頂處，約為1101kN。

從臺階法施工過程的數(shù)值模擬結(jié)果分析可以看出，臺階法圍巖變形控制能力差，圍巖變形較大，塑性區(qū)分布面積較大。第一臺階施工產(chǎn)生的拱頂沉降占最終沉降量的比重最大，約為75%，整體工法控制沉降效果較差。施工中各級臺階底角處應(yīng)力集中明顯，塑性區(qū)分布范圍較大，洞室穩(wěn)定性很差。拱頂及周邊圍巖向隧道凈空移動趨勢明顯，變形量大，且無減緩趨勢，易誘發(fā)侵限、塌方等事故。

2.4 三臺階法

由圖4可知，采用三臺階法進(jìn)行開挖時，掌子面圍巖穩(wěn)定性較好，松動范圍較小。為研究不同施工階段的圍巖和初支位移的變化規(guī)律，選取其中6個關(guān)鍵斷面進(jìn)行實時監(jiān)測，主要考察拱頂沉降、周邊收斂兩項指標(biāo)。下臺階長度為5m，中臺階長度為24m，第1個至第2個斷面、第4個至第5個斷面以及第5個至第6個斷面的水平距離均為2.5m，而第2個至第3個以及第3個至第4個之間的距離為12m，如圖5所示。隨著庫爾勒隧道開挖過程中的3個臺階向前推進(jìn)，6個監(jiān)測斷面的拱頂均產(chǎn)生了一定的豎向沉降。當(dāng)開挖至第4個監(jiān)測斷面時，早期的支護(hù)已經(jīng)閉合成環(huán)，圍巖地層的沉降值趨于恒定，1號斷面監(jiān)測到拱頂最終沉降值為36mm。當(dāng)開挖到第2個斷面時，2號監(jiān)測點處的沉降值將超過1號點的沉降值，2號點的最終沉降值達(dá)38mm。各施工階段的6個監(jiān)測斷面的最終沉降值均滿足規(guī)范要求。

庫爾勒隧道開挖過程中，圍巖拱頂下沉大致經(jīng)歷了4個階段：（1）環(huán)形導(dǎo)坑開挖后，隧道的內(nèi)襯、墻壁和天棚等部位均未噴射混凝土保護(hù)層時，拱頂處的圍巖下沉速度最快。（2）當(dāng)開挖至中臺階時，圍巖的應(yīng)力再次發(fā)生重分布，此階段的拱頂下沉速度較快，但略低于第一階段的下沉速度。（3）在中臺階開挖結(jié)束后，隨即開挖下臺階，盡管經(jīng)歷了前兩個階段開挖后的圍巖產(chǎn)生了較大的不可逆變形，但此時的圍巖擾動程度較小，拱頂處的圍巖下沉速率非常緩慢。（4）根據(jù)新奧施工法，閉合成環(huán)初期支護(hù)約束了隧道的變形，因而此時的拱頂不再發(fā)生下沉變形。

在隧道洞室的施工過程中，圍巖被逐漸挖去，這極大改變了原有土體的受力狀態(tài)，洞室兩側(cè)及頂面圍巖開始擠壓隧道洞室，并重新形成新的受力平衡狀態(tài)，最終收斂變形。這種變形過程十分復(fù)雜，形式多樣。開挖擾動次數(shù)越多，圍巖的穩(wěn)定性越差，拱頂和地表的下沉位移越大。各斷面的收斂變形與進(jìn)尺的大小密切相關(guān)。4、5和6號斷面的收斂變形規(guī)律性不強(qiáng)，但1、2和3號斷面的收斂變形具有比較明顯的變化規(guī)律，初期的收斂速度非常迅速，但隨著隧道的掘進(jìn)，收斂速度逐漸放緩，最終逐漸穩(wěn)定在35mm左右，符合規(guī)范要求。分析表2數(shù)據(jù)可知：采用三臺階法對隧道開挖時，仰拱施作后隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)在2.1～4.5之間，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，施工安全可行。

3 結(jié)語

全斷面法和雙臺階法開挖過程中圍巖變形控制能力差，圍巖變形較大，塑性區(qū)分布面積較大。庫爾勒隧道采用采用三臺階法施工時的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力、拱頂和地表的下沉位移都在規(guī)范允許范圍內(nèi)。初期支護(hù)后的拱頂、左（右）拱肩、左（右）邊墻以及拱底處的安全系數(shù)在2.1～4.5之間，三臺階施工法安全可行。

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