超大斷面隧道工法轉(zhuǎn)換過渡段最優(yōu)長度

殷明倫, 張晉勛, 江玉生, 江 華, 王春河,3

(1.北京城建集團(tuán)博士后工作站, 北京 100088; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083； 3.中建山東投資有限公司, 濟(jì)南 250101)

隧道施工大多位于相對單一的地層中，針對不同的圍巖級別，需選擇合適的開挖支護(hù)方法。通常在超大斷面公路施工中Ⅴ級圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，Ⅳ級圍巖采用中隔墻(center diagram,CD)法、交叉中隔墻(center cross diagram，CRD)法等工法施工，Ⅲ級圍巖采用臺階法施工。實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)由于地質(zhì)運(yùn)動導(dǎo)致的圍巖條件突變，如斷裂帶、斷層、不整合等現(xiàn)象，施工時需要在不同工法間相互轉(zhuǎn)換。工法轉(zhuǎn)換會引起圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的改變，合理的工法轉(zhuǎn)換時機(jī)可以減小由于開挖支護(hù)方式的轉(zhuǎn)換對圍巖產(chǎn)生的擾動，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。因此，在圍巖條件發(fā)生突變時，工法轉(zhuǎn)換過渡段的設(shè)置就尤為重要，過渡段是指圍巖條件突然變好后開挖方式及支護(hù)參數(shù)保持不變的段落，過渡段的合理設(shè)置既可以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，也方便參建人員提前組織下一階段的生產(chǎn)。超大斷面隧道施工自身難度大，不合理的工法轉(zhuǎn)換可能嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全，因此對超大斷面隧道工法轉(zhuǎn)換的研究是十分必要的。

中外學(xué)者對超大斷面圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究[1-6]，并比較各工法在超大斷面隧道施工中對圍巖穩(wěn)定性的影響，各類分析均表明雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工安全性最高，CD法次之，臺階法最差；但對不同工法之間轉(zhuǎn)換時機(jī)的研究較少，鄧建林[7]基于強(qiáng)度折減法研究了在上軟下硬地層條件下掌子面與地層分界面相交位置改變時隧道安全系數(shù)的變化規(guī)律；蔣坤等[8]利用離散元數(shù)值模擬分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法和CD法三種開挖方法對周圍圍巖的擾動；賈曉旭等[9]借助有限差分軟件FLAC3D數(shù)值模擬并和實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，研究軟弱圍巖隧道在CD法和臺階法兩種不同開挖方法施工過程中圍巖變形、應(yīng)力變化和圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律；譚忠盛等[10]對隧道施工技術(shù)及合理支護(hù)體系進(jìn)行研究，通過模型試驗等方法證明直立中隔壁CD法相較于臺階法更有利于控制拱頂沉降；任尚強(qiáng)[11]對北方干旱缺水地區(qū)三車道隧道洞口淺埋段的施工方法及其轉(zhuǎn)換問題進(jìn)行研究；喬東[12]、李宏標(biāo)等[13]僅依托工程對工法轉(zhuǎn)換進(jìn)行了一定闡述，并未對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行深入分析；趙春華[14]利用ABAQUS分別對掌子面不同入巖深度的11種工況進(jìn)行二維開挖支護(hù)數(shù)值模擬，得到不同入巖深度對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響規(guī)律，確定合理的工法轉(zhuǎn)換時機(jī)。

以上研究均針對不同工法間的對比研究，未專門針對工法間的相互轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究，現(xiàn)階段對工法轉(zhuǎn)換時機(jī)，即過渡段長度的研究幾乎沒有，過渡段支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律有待研究。現(xiàn)利用有限元數(shù)值模擬軟件ABAQUS對工法轉(zhuǎn)換過渡段進(jìn)行研究分析，研究過渡段支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形，分析比較得到最優(yōu)過渡段長度，為今后類似工程設(shè)計施工提供參考。

1 工程概況

龍鼎隧道屬于京滬高速濟(jì)南連接線工程組成部分,位于山東省濟(jì)南市歷下區(qū)太平莊西，設(shè)計開挖斷面凈寬為19.9 m，總高度為13.5 m，單洞開挖面積達(dá)206.3 m2，屬超大斷面隧道，隧道Ⅳ級圍巖襯砌斷面圖如圖1所示。

圖1 隧道Ⅳ級圍巖襯砌斷面圖Fig.1 Tunnel lining section in surrounding rock grade Ⅳ

研究區(qū)段隧道穿越地層主要為白云質(zhì)灰?guī)r向灰?guī)r過渡段，其中白云質(zhì)灰?guī)r中以強(qiáng)風(fēng)化為主，黃褐色，局部灰黃色，中厚層狀構(gòu)造，局部夾薄層青灰色灰?guī)r，層理傾緩，結(jié)合較好，巖塊較堅硬，根據(jù)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》[15]確定圍巖級別，依據(jù)規(guī)范計算得到修正圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]=289，定為Ⅳ2級圍巖；灰?guī)r以中～微風(fēng)化為主，青灰色，中厚層、厚層狀結(jié)構(gòu)，層理傾緩結(jié)合較好，局部夾薄層白云質(zhì)灰?guī)r，巖塊堅硬、較堅硬，[BQ]=365，定為Ⅲ2級圍巖，現(xiàn)場圍巖條件如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場圍巖條件突變情況Fig.2 Sudden change of surrounding rock in field

隧道采用新奧法施工，根據(jù)地勘報告，龍鼎出口左線樁號K8+175附近，圍巖出現(xiàn)顯著變化，該樁號隧道埋深約40 m，由Ⅳ2級圍巖向Ⅲ2級圍巖轉(zhuǎn)變，施工方法由CD法向臺階法轉(zhuǎn)換。

2 隧道施工方案數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用大型通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬研究。計算模型選取龍鼎隧道左線樁號K8+175前后各30 m，總計60 m，埋深取40 m，圍巖級別為Ⅲ2級和Ⅳ2級。模型左右邊界距相鄰側(cè)隧道毛洞壁面距離60 m(3倍洞寬)，下部邊界離毛洞底面的距離為60 m(約4.5倍洞高)。模型上下、左右邊界及底面均采用法向約束，上部邊界為自由平面，計算模型示意圖如圖3(a)所示。

計算中假定圍巖為理想彈塑性介質(zhì)，彈性階段采用線彈性模型模擬，塑性階段采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型模擬，巖體采用六面體實(shí)體單元模擬，數(shù)值計算計算網(wǎng)格劃分如圖3(b)所示。

圖3 計算模型示意圖Fig.3 Numerical simulation model

由于地勘報告中只給出了粗略的巖石材料力學(xué)參數(shù)，室內(nèi)試驗測得的巖塊力學(xué)特性也無法反映巖體的宏觀力學(xué)性質(zhì)，為得到更符合實(shí)際的計算結(jié)果，隧道開挖過程中進(jìn)行實(shí)時圍巖分級，確定圍巖的級別，再根據(jù)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》中給出的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值。本研究區(qū)段Ⅲ2級圍巖[BQ]=365，Ⅳ2級圍巖[BQ]=289，換算得到數(shù)值計算巖體物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

模擬僅考慮初支的支護(hù)作用，Ⅳ級圍巖支護(hù)參數(shù)為28 cm噴射混凝土及間距100 cm的I20b型鋼拱架；Ⅲ級圍巖支護(hù)參數(shù)為20 cm噴射混凝土及間距100 cm的I14b型鋼拱架。模擬中根據(jù)等效剛度原則設(shè)置彈性模量為22 GPa和21 GPa的殼單元以模擬初支拱架及噴射混凝土的支護(hù)效果，并在隧道周圍設(shè)置提高10%彈性模量的加固區(qū)用以模擬錨桿及超前小導(dǎo)管作用。

2.2 模擬工況

模擬中隧道共開挖60 m，其中前30 m為Ⅳ2級圍巖，后30 m為Ⅲ2級圍巖，施工方法進(jìn)洞時為CD法，出洞時為臺階法，單循環(huán)進(jìn)尺均為3 m。模擬中先用CD法開挖支護(hù)，1步與2步、3步與4步開挖均錯開9 m(3個循環(huán))，1、2步到工法轉(zhuǎn)換斷面停止施工，直至3、4步開挖至同一斷面；掌子面平齊后施工方法轉(zhuǎn)換為上下臺階法，上臺階與下臺階錯開9 m(3個循環(huán))的距離，直至隧道開挖完成。

為了研究CD法向臺階法轉(zhuǎn)換過渡段合理長度問題，選擇不同過渡段長度進(jìn)行模擬，過渡段示意圖如圖4所示。現(xiàn)分別模擬過渡段長度為0 m(0個循環(huán))、3 m(1個循環(huán))、6 m(2個循環(huán))、9 m(3個循環(huán))、12 m(4個循環(huán))、15 m(5個循環(huán))共6種工況，重點(diǎn)分析隧道拱頂沉降及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。

圖4 過渡段示意圖Fig.4 Schematic diagram of transition section

3 計算結(jié)果分析

通過對CD法向臺階法轉(zhuǎn)換的不同工況模擬，得到隧道圍巖位移、支護(hù)受力等不同的分布特點(diǎn)，分析研究工法轉(zhuǎn)換過渡段的最優(yōu)長度。

3.1 拱頂沉降

拱頂沉降是反映隧道穩(wěn)定性最直觀的數(shù)據(jù)之一，故分析研究不同工況下隧道拱頂沉降是十分必要的。圖5為6種工況下60 m隧道拱頂沉降曲線，其中前30 m為Ⅳ2級圍巖，后30 m為Ⅲ2級圍巖。

圖5 各工況隧道拱頂沉降曲線Fig.5 Vault settlement curve under each condition

由圖5可知，6種工況下隧道沉降規(guī)律大致相同，最大沉降位于27 m處，即距圍巖級別突變前3 m，同時在圍巖突變處，襯砌拱頂沉降也有“突變”現(xiàn)象，即相鄰觀測點(diǎn)的差異沉降，隨著過渡段長度的增加，圍巖突變處的差異沉降值下降。各工況下27 m處拱頂最大沉降量如圖6所示。

圖6 各工況拱頂最大沉降量及差異沉降量曲線Fig.6 The maximum settlement curve of the vault under each condition

從圖5、圖6可以看出，隨著過渡段長度增大，初支拱頂最大沉降逐漸減小。過渡段長度為0 m時，拱頂最大沉降量為5.29 mm，圍巖條件突變處差異沉降量為1.88 mm，以這種工況為基準(zhǔn)，過渡段長度為15 m的工況拱頂沉降減少了7%，降至4.93 mm，差異沉降量減少了23.9%，降至1.43 mm。從數(shù)值上來看，拱頂沉降量及差異沉降量隨著過渡段長度的增大而減少，當(dāng)過渡段長度大于9 m后過渡段長度的增加對拱頂沉降的影響減弱。可見，合理的設(shè)置工法轉(zhuǎn)換過渡段長度可以在一定程度上控制拱頂沉降，并且可以顯著降低圍巖突變處拱頂?shù)牟町惓两担瑥亩_(dá)到保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

隧道初期支護(hù)大多采用錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)與鋼拱架的復(fù)合支護(hù)形式，由于隧道所處地層條件發(fā)生突變，會出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移突變，導(dǎo)致出現(xiàn)支護(hù)受力不均的情況。由圖6可知，在圍巖條件突變的30 m處附近，隧道拱頂產(chǎn)生了2 mm左右的不均勻沉降，從而導(dǎo)致該處支護(hù)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力增大。噴射混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度較低，受到拉應(yīng)力較大時支護(hù)結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)開裂，縱向連接筋失效等情況，對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不良影響，故分析該處拉應(yīng)力大小。未設(shè)置過渡段的工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力云圖如圖7所示(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))。由圖7可以看出，軸向應(yīng)力最大出現(xiàn)在拱頂右側(cè)。

圖7 不設(shè)置過渡段工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力云圖Fig.7 Axial stress of support structure without transition section

不同工況下60 m隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂右側(cè)軸向應(yīng)力曲線如圖8所示，可知30 m處支護(hù)結(jié)構(gòu)受到極大的拉應(yīng)力。各工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂右側(cè)所受的拉應(yīng)力如圖9所示。

圖8 不同工況下隧道拱頂初支拉應(yīng)力曲線Fig.8 Tensile stress curve of support structure vault under each condition

圖9 各工況隧道拱頂初支最大拉應(yīng)力曲線Fig.9 Maximum tensile stress curve of support structure vault under each condition

從圖9可以看出，隨著過渡段長度增大，初支拱頂拉應(yīng)力大幅度減小。以過渡段長度為0 m的工況為基準(zhǔn)，過渡段長度為15 m的工況拉應(yīng)力減少了34.0%。從數(shù)值上來看，當(dāng)過渡段長度由0 m增加到9 m時，初支拱頂拉應(yīng)力隨著過渡段長度的增大而急劇減少了29.9%；當(dāng)過渡段長度由9 m增加至15 m時，拉應(yīng)力減少了4.1%，過渡段長度的增加對初支拱頂拉應(yīng)力的影響減弱。

由此可以說明，一定長度的工法轉(zhuǎn)換過渡段長度可以顯著降低初支拱頂拉應(yīng)力，從而達(dá)到保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，而過長的過渡段長度對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響有限，反而會由于CD法施工過程較煩瑣而影響工程進(jìn)度。

3.3 圍巖應(yīng)力場分析

巖石抗拉強(qiáng)度低，工程設(shè)計中應(yīng)避免圍巖受拉情況的出現(xiàn)，如無法避免，應(yīng)對可能出現(xiàn)的受拉區(qū)域進(jìn)行加固處理。ABAQUS中規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，為分析圍巖可能破壞的區(qū)域，需分析圍巖的最大主應(yīng)力。圖10為2種不同工況下圍巖最大主應(yīng)力云圖。

圖10 2種不同工況下圍巖最大主應(yīng)力云圖Fig.10 The maximum principal stress cloud of the surrounding rock under two kinds of conditions

由圖10可知，隧道拱頂處與底部出現(xiàn)應(yīng)力較大的區(qū)域，最大主應(yīng)力大于0，即該處圍巖受拉，容易發(fā)生破壞。對比圖10(a)、圖10(b)不難看出，設(shè)置工法轉(zhuǎn)換過渡段后圍巖所受拉應(yīng)力減小。圖11為各工況下圍巖最大主應(yīng)力值及曲線。

圖11 各工況下圍巖最大主應(yīng)力曲線Fig.11 The maximum principal stress curve of the surrounding rock under each condition

由圖11可知，隨著過渡段長度增大，拱頂處圍巖最大主應(yīng)力大幅度減小。當(dāng)過渡段長度由0 m增加至9 m時，最大主應(yīng)力由373.9 kPa減少到183.8 kPa；當(dāng)過渡段長度由9 m增加至15 m時，最大主應(yīng)力變化不明顯，過渡段長度的增加對隧道拱頂圍巖最大主應(yīng)力的影響有限。

由此可以說明，設(shè)置工法轉(zhuǎn)換過渡段是必要的，以該工況為例，9 m的過渡段長度可以顯著降低圍巖所受的拉應(yīng)力，從而保證隧道圍巖穩(wěn)定性。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

結(jié)合以上研究成果，認(rèn)為應(yīng)設(shè)置不小于9 m的過渡段以提高圍巖條件突變處隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。實(shí)際工程中，將該處工法轉(zhuǎn)換過渡段長度設(shè)置為10 m，并分析該處支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)而研究工法轉(zhuǎn)換段支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

提取圍巖突變前CD法1、3步拱頂沉降值及工法轉(zhuǎn)變?yōu)榕_階法后拱頂沉降值進(jìn)行分析，3個測點(diǎn)分別記作測點(diǎn)A、B、C，沉降曲線如圖12所示。

圖12 實(shí)測拱頂沉降曲線Fig.12 Measured vault settlement curve

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可將沉降曲線分為如下三個階段。

第一階段：掌子面剛開挖完成，即測點(diǎn)剛布置好的階段，拱頂沉降量迅速增大，CD法掌子面平齊后測點(diǎn)A累計沉降值穩(wěn)定在約3 mm，測點(diǎn)B累計沉降值較1步稍小，此時測點(diǎn)A、測點(diǎn)B距掌子面距離約1/2D(D為隧道跨度20 m，下同)。

第二階段：隧道轉(zhuǎn)換為臺階法開挖，并陸續(xù)拆除CD法中隔壁。隨著隧道持續(xù)開挖及拆撐的影響，測點(diǎn)A、測點(diǎn)B沉降速率較大，累計沉降值穩(wěn)定增長，測點(diǎn)C沉降速率在掌子面開挖后達(dá)到最大值，并隨著與掌子面距離增加慢慢減小，累計沉降值逐步增加；該階段測點(diǎn)A累計沉降值增加至約8 mm，測點(diǎn)B累計沉降值增加至約7 mm，測點(diǎn)C沉降值迅速增加至約6 mm。

第三階段：測點(diǎn)A、測點(diǎn)B距掌子面距離增加至D后，各測點(diǎn)沉降速率下降，沉降值最終穩(wěn)定在一個很小的范圍內(nèi)。測點(diǎn)A最終累計沉降值約9 mm，測點(diǎn)B累計沉降值穩(wěn)定在約8 mm，測點(diǎn)C累計沉降值穩(wěn)定在約7.5 mm。

上述監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，各測點(diǎn)沉降較小，與數(shù)值模擬結(jié)果接近，均在可控范圍之內(nèi)，且各測點(diǎn)差異沉降值小，未發(fā)生“突變”現(xiàn)象，不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。故超大斷面隧道施工方法由CD法向臺階法的轉(zhuǎn)換過程中，設(shè)置10 m過渡段是合理的，這與數(shù)值計算結(jié)果相吻合。合理的工法轉(zhuǎn)換過渡段設(shè)計既可以確保圍巖及隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，又可以保證在規(guī)定工期內(nèi)順利完成隧道施工。

5 結(jié)論

(1)隧道掘進(jìn)過程中，圍巖條件突變會引起不均勻沉降、應(yīng)力集中等現(xiàn)象，不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在圍巖突變處圍巖較差部分隧道拱頂沉降大，圍巖較好部分隧道拱頂沉降小，導(dǎo)致該處襯砌所受拉應(yīng)力增大，容易出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象。

(2)在圍巖等級由Ⅳ2級突變?yōu)棰?級附近，圍巖應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，隧道拱頂處圍巖處于受拉區(qū)，容易發(fā)生破壞，如果貿(mào)然在此進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換容易發(fā)生掉塊、甚至塌方的危險，因此設(shè)置合理的工法轉(zhuǎn)換過渡段是必要的。

(3)通過對不同長度過渡段的數(shù)值模擬分析可知，隨著過渡段長度的增加，圍巖突變處的拱頂沉降、差異沉降、襯砌拉應(yīng)力、圍巖最大主應(yīng)力均有明顯減小；當(dāng)過渡段長度大于9 m并繼續(xù)增大時，各指標(biāo)變化不明顯，可以認(rèn)為在研究的工況中過渡段設(shè)置大于9 m可顯著提高支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(4)實(shí)際工程中采用10 m的過渡段施工，由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，工法轉(zhuǎn)換順利完成，相鄰測點(diǎn)沉降量及差異沉降量均控制在較小的范圍內(nèi)。

合理的工法轉(zhuǎn)換過渡段設(shè)置既可以保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，又可以保證施工進(jìn)度，縮短工期，降低施工成本，對超大斷面隧道由CD法轉(zhuǎn)換為臺階法過渡段的研究，可為今后類似工程的設(shè)計和施工提供一定參考和指導(dǎo)。