大斷面小凈距城市隧道洞口段穿越散巖堆積體施工技術(shù)*

姜以安，鄒 濤，彭雪峰，方 勇，楊文波

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

我國西南地區(qū)隧道洞口段大多處于堆積體斜坡中，散巖堆積體不同于一般的土體或巖體，是介于兩者間的一種特殊土體，其性質(zhì)復(fù)雜多變[1-3]，且自穩(wěn)能力較差。隧道開挖擾動可能會導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形，因此亟需研究適用于該地層條件的施工技術(shù)。

針對隧道洞口段穿越堆積體地層施工技術(shù)，國內(nèi)許多學(xué)者做過相關(guān)研究。朱正國等[4]利用三維數(shù)值計算，研究了穿越泥石流堆積體隧道圍巖合理加固范圍、開挖工法及臺階施工參數(shù)。張小明[5]結(jié)合東京大斷面堆積體隧道工程，分析了大斷面堆積體隧道進(jìn)洞施工方案及具體施工步驟。黃波[6]研究了不同施工工法對圍巖變形量、塑性區(qū)的影響。謝貴明[7]針對進(jìn)洞口地層均為震后滑坡堆積體的南華隧道，介紹了隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)及變形后的加固處治方法。黃成林等[8]基于十漫高速公路火車嶺隧道工程，分析了3種開挖工法下隧道在x，y，z方向上的位移。王偉鋒等[9]通過某淺埋段地質(zhì)條件復(fù)雜的廣福隧道，分析4種不同開挖工法下的隧道變形情況。周強等[10]通過對松散堆積體中的淺埋小凈距隧道施工進(jìn)行數(shù)值模擬，分析先行洞與后行洞的擾動范圍及施工工序?qū)绊敵两档挠绊憽＠钊A等[11]針對偏壓、超淺埋、小凈距隧道受力復(fù)雜問題，分析施工順序?qū)σr砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響。王春河等[12]對臺階法和CRD法超大斷面隧道施工工法進(jìn)行數(shù)值計算，對比分析不同圍巖等級下隧道的變形規(guī)律及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變化。陳智慧[13]針對湄渝高速珠峰隧道開挖斷面較大、洞口埋深淺等特點，提出多項綜合處理方法，并通過數(shù)值計算驗證其可行性。但上述研究主要為開挖斷面較小，且圍巖自穩(wěn)能力較好的隧道，而針對大斷面、小凈距城市隧道穿越自穩(wěn)能力極差的散巖堆積體施工技術(shù)的研究較少。

本文以大斷面、小凈距、超淺埋的火鳳山隧道為例，研究散巖堆積體中大斷面小凈距城市隧道洞口段合理的施工工法及開挖順序，為類似工程的安全、快速施工設(shè)計提供一定參考。

1 工程概況

重慶市曾家?guī)r北延伸段通道為城市的主干道，設(shè)計行車速度為50km/h，雙向六車道。其二標(biāo)段火鳳山隧道大部分路線穿越散巖堆積體，ZK2+960—ZK3+110，YK2+520—YK2+655為隧道洞口段，該區(qū)域斜坡地表殘?zhí)钔练植紡V泛，由附近施工棄土就近堆填形成，上部填土厚21.1～33.2m，壓縮性大。原始斜坡地形總體向南東方向傾斜，地形坡角32°，坡向約144°，洞口位于土質(zhì)邊坡中部，斜坡高8～12.5m，現(xiàn)狀基本穩(wěn)定，暴雨工況下易沿原填土界面或填土內(nèi)部產(chǎn)生圓弧滑動，隧道進(jìn)洞口的開挖可能誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)。強風(fēng)化層厚0.80～3.70m，巖體較破碎，中風(fēng)化層巖體較完整，層間結(jié)合一般為軟巖。巖層呈單斜狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀為275°∠8°；巖體中構(gòu)造裂隙發(fā)育，主要可見2組，產(chǎn)狀為：①12°∠51°；②342°∠20°。

地下水主要為松散巖類孔隙水，該段線路填土分布面積大，地形平坦不易排泄，因此在雨季或受周圍生活、施工排水影響會形成較多松散巖類孔隙水，對道路邊坡穩(wěn)定性影響大。沿線無滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

采用FLAC3D軟件建立三維計算模型(見圖1)，隧道及山體縱向取80m，橫向距隧道中心線向兩側(cè)取50m，底部為隧道底部以下40m，頂部至自然坡面。隧道所處土層上部為素填土，下部為中風(fēng)化基巖。

圖1 數(shù)值計算模型

模型左、右、后3個邊界面限制垂直平面方向的位移，底面限制垂直和平行平面方向的位移，前邊界面隧道開挖處采用自由界面。噴射混凝土采用shell單元模擬。隧道圍巖按均質(zhì)彈塑性材料考慮[14]，采用Mohr—Coulomb屈服準(zhǔn)則，圍巖采用實體單元，錨桿使用cable單元，噴射混凝土層和鋼筋網(wǎng)根據(jù)抗壓強度等效準(zhǔn)則合并使用shell單元，鋼拱架使用beam單元。對三臺階法、三臺階預(yù)留核心土法、三臺階七步法及CRD法4種開挖工法進(jìn)行模擬，如圖2所示。

圖2 施工工法

2.2 計算參數(shù)

隧道圍巖參數(shù)主要依據(jù)火鳳山隧道堆積體地層土工試驗的物理力學(xué)參數(shù)。通過調(diào)研可知[15-16]，可采用提高圍巖力學(xué)參數(shù)的方式模擬管棚和小導(dǎo)管的加固效應(yīng)。初期支護(hù)采用鋼拱架錨噴聯(lián)合支護(hù)。具體計算參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

3.1 隧道施工工法分析

為探究施工工法對隧道安全性的影響，模擬分析不同施工工法下隧道圍巖的變形規(guī)律。

選取距開挖掌子面前后30m的開挖步(開挖進(jìn)尺為1m)，研究分析開挖完成30m斷面處隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底的豎向位移，如圖3,4所示。

圖3 左線隧道豎向位移

圖4 右線隧道豎向位移

由圖3，4可知，4種工況下的隧道豎向位移變化趨勢基本一致。在開挖斷面還未達(dá)到監(jiān)測斷面的部分區(qū)域已產(chǎn)生一定變形，但變形較小。當(dāng)開挖斷面到達(dá)監(jiān)測斷面時，隨著開挖面推進(jìn)，拱頂沉降不斷增大，初期沉降速率較大，隨離開掌子面距離的增大，其速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。由于左線隧道的埋深大于右線隧道，因此左線隧道的豎向位移均比右線隧道大。

4種工況下的隧道最大沉降出現(xiàn)在拱頂，最大隆起出現(xiàn)在拱底。以三臺階法為例，左線隧道拱頂最大沉降值為11.78cm，拱底最大隆起值為10.32cm，拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移，拱肩最大沉降值為7.96cm，拱腰最大沉降值為4.13cm。右線隧道拱頂最大沉降值為8.44cm，拱底最大隆起值為7.76cm，拱肩與拱腰豎向位移分別為7.23，4.49cm。

從隧道豎向位移分析得出，三臺階法開挖造成的最大位移為11.78cm，三臺階預(yù)留核心土開挖造成的最大位移為9.22cm，三臺階七步法開挖造成的最大位移為8.09cm，CRD法開挖造成的最大位移為4.65cm。在大斷面、小凈距及散巖堆積體地層復(fù)雜條件下，臺階法開挖造成的隧道豎向位移較大，CRD法有中隔墻的支撐作用，利于控制地層變形，隧道開挖變形較小。

3.2 隧道合理開挖順序分析

曾家?guī)r二標(biāo)段火鳳山隧道屬于軟弱、破碎圍巖，隧道凈距小，確定合理的開挖順序，減少對圍巖的擾動，控制圍巖變形是施工的關(guān)鍵。分析采用CRD法對左洞先行開挖、右洞先行開挖及同時開挖3種工況下的隧道圍巖變形。

繪制隧道開挖30m斷面處典型位置(拱頂、拱肩及拱腰)的豎向位移變化曲線，如圖5～7所示。

圖5 隧道拱頂位移

圖6 隧道拱肩位移

圖7 隧道拱底位移

由圖5～7可知，隧道開挖順序?qū)鷰r變形有較明顯的影響，在該地層條件下，開挖順序?qū)λ淼雷缶€影響較大，豎向位移表現(xiàn)為：右洞先行開挖最小，左洞先行開挖次之，同時開挖最大。導(dǎo)致的原因可能是右洞先行開挖后，形成一定的支護(hù)體系，對左線隧道開挖有一定的支擋作用，從而很好地控制了左線位移，而坡體向右線方向傾斜；左洞先行開挖形成的支護(hù)體系不能有效對右洞進(jìn)行支擋。在左線隧道30m監(jiān)測斷面處，右洞先行開挖較左洞先行開挖拱頂沉降減小12.07mm，拱肩沉降減小17.24mm，拱底隆起增加10.34mm；右洞先行開挖較同時開挖拱頂沉降減小16.21mm，拱肩沉降減小20.00mm，拱底隆起增加14.48mm。

從圍巖變形來看，隧道豎向位移隨開挖步的增加逐漸增大，主要通過控制隧道沉降保證其穩(wěn)定性，右洞先行對保障隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更有利。

4 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬對大斷面小凈距城市隧道洞口段穿越散巖堆積體施工技術(shù)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

1)大斷面、小凈距、穿越散巖堆積體地層復(fù)雜條件下，采用臺階法開挖造成的豎向位移較大。CRD法有中隔墻的支撐作用，有利于控制地層變形，開挖造成的隧道變形較小。

2)當(dāng)開挖斷面到達(dá)監(jiān)測斷面時，隨著開挖面的推進(jìn)，拱頂沉降不斷增大。初期沉降速率較大，隨離開掌子面距離的增大，其速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。由于左線隧道的埋深大于右線隧道，左線隧道各監(jiān)測點的豎向位移均比右線隧道大。

3)小凈距隧道的開挖順序?qū)鷰r變形有較明顯的影響，豎向位移表現(xiàn)為：右洞先行開挖最小，左洞先行開挖次之，同時開挖最大。導(dǎo)致的原因可能是坡體向右線方向傾斜，右洞先行開挖后，形成一定的支護(hù)體系，對左線隧道開挖有一定的支擋作用，減小了左線隧道的豎向位移。