公路隧道松散地層洞段三臺階法開挖參數的優化

楊曉俊

（山西路橋第七工程有限公司，山西 晉城 048000）

一、施工方案設計

某公路工程隧址區以第四系松散堆積層和紅色中粒鉀質花崗巖為主，經過斷裂構造影響以及風化作用，自地表向下形成不同的形態和風化程度。由于該公路工程合同段隧道地質條件較為特殊，按照設計要求，合同段Ⅴ級圍巖松散地層地段應當通過臺階分部法展開開挖施工。就施工過程而言，必須通過φ42超前注漿小導管進行開挖施工前的超前支護處理，并結合錨網噴及Ⅰ18、20a鋼拱架的輔助支護方式。待開挖及排險過程結束后必須在設計時間內進行2cm厚度C25混凝土漿液的初噴，同時在設計位置安裝鋼筋網、打設錨桿、架立鋼架、復噴至設計厚度。

開挖、支護順序設計如下：

第一步：在該合同段隧道Ⅰ拱部采用超前小導管注漿的預支護操作；第二步：上臺階②開挖，并按設計要求爆破后及時進行2cm厚混凝土漿液的初噴；第三步：出碴后施作上臺階Ⅲ的初期支護；第四步：在滯后②一段距離后開挖中臺階④，根據相關規范及設計要求爆破開挖后及時噴射2cm厚度的混凝土漿液；第五步：出碴后施作中臺階Ⅴ初期支護；第六步：在滯后④一段距離后按步驟進行下臺階開挖施工⑥，結束爆破開挖并出渣后及時進行2cm厚度混凝土漿液的噴射；第七步：下臺階Ⅶ側初期支護；第八步：澆注仰拱Ⅷ混泥土；第九步：Ⅸ敷設防水板，同時通過模板臺車按照設計全斷面進行混凝土二次襯砌及模筑。

施工過程中必須嚴格控制，使最大臨界震動速度不超過15cm/s[1]。Ⅴ級圍巖開挖進尺為0.5m～1m，臺階長度6m～8m，二次襯砌與掌子面的距離應≤70m；Ⅳ級圍巖開挖進尺為1.5m～2.0m，臺階長度8m～10m，二次襯砌與掌子面的距離應≤90m。三臺階分部法開挖示意圖詳見圖1。

圖1 三臺階分部法開挖示意圖

二、有限元模型的構建

（一）有限元模型

結合公路隧道地質勘察資料，起訖洞段地質條件復雜，為典型的碎屑沉積地層，所以構建該段洞段有限元模型并進行數值模擬。根據理論分析結果，模型下部及左右模擬范圍按照洞徑的5倍確定，上部至地表，故模型長度為20m，設計剖面尺寸為長×寬×高=60m×55m×20m，并以隧洞軸線指向下游的方向為x軸，與x軸垂直且指向右岸的方向為y軸，以豎直向上的方向為z軸。采用Solid45八節點單元進行所構建模型的模擬[2]，整個模型劃分為1.5695×104個計算單元及1.3644×104個計算節點。

（二）邊界條件

由于該公路隧道洞段圍巖埋深大，地質條件差，根據圍巖參數，對于所構建的模型左右邊界應施加0.84MPa的水平向位移約束，同時模型下邊界必須按設計要求施加豎直向位移約束，上邊界施加取值為0.65MPa的法向均布荷載，并保持自由邊界條件。結合與該工程區地質條件及工程規模相類似的工程設計經驗及室內試驗結果，該公路合同段隧道圍巖實際彈性模量值應取2.5GPa，泊松比取0.25，密度2650kg/m3，內摩擦角31.5°，黏聚力0.1MPa。

（三）模型加載

在劃分好模型網格后，還應確定模型的邊界條件，并按照設計邊界條件向模型左右邊界、上下邊界分別施加重力加速度、水平位移和水平應力、豎向位移約束，并對設計模型的前后兩個面上所設置的全部節點同時施加y向位移約束，從而模擬隧道圍巖結構自重。在靜態分析類型下，按照1000次確定迭代次數，并分10個荷載步進行每次求解，位移與應力收斂系數為0.05，采用全牛頓-拉普森迭代方法進行該工程合同段隧道松散地層洞段大位移效果的預測與分析[3]。

該公路隧洞松散地層洞段開挖采用三臺階法，且圍巖穩定性受到臺階開挖高度和長度的影響，為加強圍巖變形控制，必須對這兩個參數進行優化。由于三臺階開挖施工時上臺階高度對圍巖變形影響較大，故應將其作為主要變量，并結合施工實際設置不同工況進行模擬分析。

三、參數優化結果

（一）臺階長度優化結果

應用所構建的有限元模型，假設其他參數保持不變，進行不同上臺階長度工況下圍巖位移情況的模擬，根據所得到的模擬結果，從中提取設計關鍵部位所對應的位移量最大值，具體情況如表1所示。根據對模擬結果的比較分析不難看出，當上臺階長度分別取1m、1.5m和2m時，該公路合同段隧道松散地層洞段拱頂沉降取值和仰拱隆起位移值十分接近，而當上臺階長度2.5m時，拱頂沉降大幅增加，而仰拱隆起沉降位移為0。究其原因主要在于過大的臺階長度導致拱頂變形額沉降量明顯增大。此外，隨上臺階長度的增大，拱腰水平位移的最大值和最小值表現出先降后升的趨勢，且在上臺階長度2m時達到最小，考慮到臺階長度的增大有利于施工效率提升，所以應將上臺階長度最優值確定為2m。

表1 隧道松散地層洞段不同上臺階長度對應圍巖位移模擬

（二）臺階高度優化結果

采用本文所構建的有限元模型并假設其他參數不變的情況下，進行不同上臺階高度圍巖位移情況的模擬，從模擬結果中提取關鍵部位最大位移量，結果如表2所示。根據表中模擬結果可以看出，隧洞開挖施工時，隨著上臺階高度的增加，拱頂沉降位移與仰拱隆起位移均出現先降后升趨勢。

表2 隧道松散地層洞段不同上臺階高度對應圍巖位移模擬

借助有限元模型在其他參數取值不變的情況下，進行上臺階高度不同情況下圍巖噴混結構應力的模擬計算，同時提取出拉應力和壓應力最大值進行針對性分析。根據模擬結果，隨著上臺階開挖高度的增大，噴混結構拉應力和壓應力表現出先降后增的趨勢，且拉應力和壓應力分別在上臺階開挖高度1.4m和1.6m時取值最小，豎向位移和壓應力最大值也與1.6m開挖高度下的模擬結果接近。為此，該公路隧道松散地層洞段三臺階開挖施工上臺階開挖高度應按1.4m確定。

四、結語

本文采用數值模擬方式進行該公路隧道碎屑沉積層洞段三臺階法開挖參數的優化，得出上臺階開挖高度和開挖長度應分別為1.4m和2.0m，且取得了預期的優化設計效果，對于確保隧道開挖施工過程的安全性和經濟性具有參考借鑒價值，所采用的分析方法也為類似工程開挖參數的優化設計提供了可行的分析思路。