改進(jìn)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工穩(wěn)定性分析

劉 正 章希倫 吳學(xué)謙 趙 嘉

(1.中交一公局第一工程有限公司,北京 102205;2.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

0 引 言

我國交通運輸迅猛發(fā)展,線路里程日益增長,道路建設(shè)中的隧道施工在地形復(fù)雜地區(qū)不可避免.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在隧道施工中應(yīng)用廣泛,而傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中存在臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中、斷面閉合時間長、工序多、工期長等問題,因此對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法改進(jìn)的研究很有必要.

針對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在隧道施工中安全與技術(shù)問題,國內(nèi)外學(xué)者用數(shù)值與理論的分析方法做了很多研究.張曉琳等[1-4]通過對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工過程建立模型,通過模型計算與數(shù)值分析得到工法中的關(guān)鍵施工步驟,并提出相應(yīng)的技術(shù)建議.高峰等[5-9]應(yīng)用ANSYS有限元軟件,采用釋放荷載法,研究支護(hù)封閉的快慢對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的隧道穩(wěn)定性的影響,得出支護(hù)封閉時間對隧道受力和位移狀態(tài)的影響,施工中應(yīng)盡量縮短各開挖面的距離,使支護(hù)盡快封閉,有利于隧道穩(wěn)定.姜封國等[10-13]基于區(qū)域地質(zhì)條件,構(gòu)件有限元數(shù)值模型,分析分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和交叉中隔墻法(CRD法)施工過程圍巖變形和受力變化規(guī)律,得出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于CRD法應(yīng)力變化、最大應(yīng)力值均較小,圍巖主應(yīng)力分布也較均勻.但很多學(xué)者對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的研究停留在施工過程與對圍巖的影響上,針對工法本身的施工順序與工藝上研究不足.

本文以張家口市東環(huán)與北環(huán)連接工程的東太平山隧道為背景,在傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的基礎(chǔ)上改進(jìn)施工工藝與施工順序,運用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,通過分析隧道拱頂沉降、圍巖塑型區(qū)域分布、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力,對改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法可行性進(jìn)行評價,為隧道施工提供參考.

1 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法介紹

1.1 施工介紹

傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步驟為:1)導(dǎo)洞超前導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù):2)左(右)側(cè)導(dǎo)洞上半斷面開挖并進(jìn)行初期支護(hù);3)左(右)側(cè)導(dǎo)洞下半斷面開挖并進(jìn)行初期支護(hù);4)主洞中間部分上部開挖并進(jìn)行初期支護(hù);5)主洞中部核心土開挖;6)主洞中部下臺階核心土開挖并進(jìn)行初期支護(hù);7)拆除臨時支護(hù)澆筑仰拱;8)二次襯砌混凝土.

圖1 傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步驟為:1)導(dǎo)洞超前導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù):2)左(右)側(cè)導(dǎo)洞上半斷面開挖并進(jìn)行初期支護(hù);3)主洞中間部分上部開挖并進(jìn)行初期支護(hù);4)主洞中部核心土開挖;5)左(右)側(cè)導(dǎo)洞下半斷面開挖并進(jìn)行初期支護(hù);6)主洞中部下臺階核心土開挖并進(jìn)行初期支護(hù);7)拆除臨時支護(hù)澆筑仰拱;8)二次襯砌混凝土.

圖2 改進(jìn)后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

1.2 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)點

相較于傳統(tǒng)施工方法,改進(jìn)后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法不同體現(xiàn)在施工開挖順序與施工方法中.施工開挖順序結(jié)合了臺階法,將隧道主洞分成上、下半截面兩個主要部分,上截面部分施工完成后建立臨時仰拱為后續(xù)下截面開挖提供一定臨時支撐.施工方法中下截面開挖時縮小了左右導(dǎo)洞的面積,增加的中部核心土可以有效減少施工中的擾動,提高隧道施工安全性.

2 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法安全性分析

2.1 計算模型建立及參數(shù)選取

2.1.1 計算模型建立

考慮邊界效應(yīng),左右邊界距離隧道開挖邊緣為4倍洞寬,下邊界距離隧道開挖邊緣為3.5倍洞高,上邊界至地表,最終形成寬為120m、高為84m的矩形計算模型,如圖3所示.模型設(shè)置按地層分布,隧道左右居中.模型側(cè)邊與底邊為位移邊界,水平位移由模型側(cè)邊限制,垂直位移由模型底邊限制,地表為頂面.

圖3 計算模型

2.1.2 計算參數(shù)

隧道以張家口市東山隧道為依據(jù),圍巖自上而下分為碎石土、強風(fēng)化流紋巖、強風(fēng)化安山巖,圍巖計算參數(shù)如表1.設(shè)計參數(shù):初期支護(hù)為C20噴射混凝土加錨桿,使用鋼筋網(wǎng)加格柵鋼架支撐,混凝土噴層厚度30cm;導(dǎo)洞臨時支撐厚度25cm;錨桿長度4m,直徑25mm;臨時仰拱為C30混凝土,厚度20cm,二次襯砌與仰拱采用C30混凝土,厚度為60cm,支護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表2.模型計算中,地層采用平面應(yīng)變單元,D-P準(zhǔn)則模擬;初期支護(hù)、臨時支護(hù)與臨時仰拱采用1D梁單元;二次襯砌與仰拱采用平面應(yīng)變單元與彈性材料.模型荷載為豎向自重應(yīng)力.

表1 圍巖物理力學(xué)性質(zhì)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 模型計算結(jié)果與分析

2.2.1 豎向位移分析

改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中主要步驟完成后的豎向位移如圖4所示,選取主洞拱頂、左右導(dǎo)洞拱頂、與地表中點為豎向位移監(jiān)測點,主要施工步驟完成后各監(jiān)測點的位移變化如表3所示.

(a)左(右)側(cè)導(dǎo)洞上半斷面開挖并進(jìn)行初期支護(hù) (b)主洞中部核心土開挖

(c)左(右)側(cè)導(dǎo)洞下半斷面開挖并進(jìn)行初期支護(hù) (d)主洞中部下臺階核心土開挖并進(jìn)行初期支護(hù)

(e)二次襯砌混凝土圖4 豎向位移監(jiān)測

表3 主要步驟完成時拱頂沉降

由圖4可以看出改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中左右導(dǎo)洞頂點、主洞拱頂點的沉降隨著隧道施工的進(jìn)行而逐漸增大.由表3可以看出,根據(jù)各個施工步驟開挖完成后造成的沉降量占隧道開挖完成后整體沉降量的比例得出,對左右導(dǎo)洞頂點、主洞拱頂點影響最大施工步驟為中部核心土上臺階開挖,其次為左右導(dǎo)洞下部分開挖,因此中部核心土上臺階開挖、左右導(dǎo)洞下部分開挖是隧道施工控制變形的關(guān)鍵工序.中部核心土上臺階開挖后,隧道主洞整體上臺階開挖完成,雖然有臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)提供支撐力,但隧道主洞上部結(jié)構(gòu)懸空,導(dǎo)坑隨荷載的釋放產(chǎn)生較大的位移.左右導(dǎo)洞下部分開挖完成后,一部分支撐力開始由臨時仰拱提供,因此產(chǎn)生了較大的沉降量.

2.2.2 圍巖塑性區(qū)域分析

由上文分析可知,上臺階左右導(dǎo)洞開挖、上臺階開挖完成、下臺階左右導(dǎo)洞開挖時的拱頂沉降量較大,是改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的關(guān)鍵步驟,因此對此三個施工步驟完成后的圍巖塑性進(jìn)行分析,圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示.

(a)左(右)側(cè)導(dǎo)洞上半斷面開挖完成 (b)主洞上臺階開挖完成

(c)主洞下臺階左右導(dǎo)洞開挖完成圖5 圍巖塑性區(qū)分布

由圖5可知,由于隧道地處圍巖為強風(fēng)化安山巖,屬Ⅴ圍巖,強度較低,隧道開挖時對圍巖土體擾動較大,使隧道周圍土體應(yīng)力重分布,隧道開挖邊緣土體達(dá)到屈服狀態(tài),形成較大的塑性區(qū)域,土體容易失穩(wěn),應(yīng)及時施加錨桿和注漿,防止塑性變形擴展.隧道主洞和左右導(dǎo)洞的墻角和拱腳部分圍巖應(yīng)力集中處于屈服狀態(tài),墻角和拱腳部分塑性區(qū)域向外擴展,而開挖上臺階中部核心土體時尤為突出,容易引起下沉,導(dǎo)致沉降的產(chǎn)生,應(yīng)及時的施加腳鎖錨桿,保證施工穩(wěn)定性.

2.2.3 支護(hù)內(nèi)力分析

對改進(jìn)后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析,軸力圖和彎矩圖如圖6所示.由圖可以看出改進(jìn)后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的臨時支護(hù)與臨時仰拱都可以承擔(dān)隧道開挖時產(chǎn)生的內(nèi)力,且開挖中上、下臺階左右導(dǎo)洞的臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)與臨時仰拱受力均勻提供了較好的支撐力.但由內(nèi)力值對比可以看出左右拱腳點,內(nèi)力值明顯大于其他部位,而彎矩值則出現(xiàn)在左右導(dǎo)洞的墻角位置,這說明左右導(dǎo)洞的拱腳點承擔(dān)了更多的支護(hù)內(nèi)力受隧道圍巖的壓應(yīng)力較大,且左右導(dǎo)洞的墻角位置則更多的承受了隧道圍巖的彎曲應(yīng)力導(dǎo)致彎矩較大,因此洞拱腳與墻角處應(yīng)力集中,可能產(chǎn)生不利影響,需加強結(jié)構(gòu)強度.

(a)支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力分布圖 (b)支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩分布圖圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力示意圖

而在整體上可以看出臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)了較大的荷載,對隧道整體有較好的支護(hù)作用,在隧道施工完成后需要對臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除,此時應(yīng)注意拆除時,應(yīng)分段拆除,本著先拆除內(nèi)力較小結(jié)構(gòu)后拆除內(nèi)力較大結(jié)構(gòu),并密切關(guān)注初襯結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化,及時進(jìn)行二襯與仰拱砌筑.

3 結(jié) 論

(1)通過隧道模型數(shù)值計算分析可以看出,改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能減小下臺階左右導(dǎo)洞的開挖面積,增加了中間下部核心土的面積并增加了臨時仰拱,使下臺階左右導(dǎo)洞開挖工期變短,更快的施加初期支護(hù)與錨桿,減少上部支護(hù)結(jié)構(gòu)懸空時間.

(2)改變了施工順序,由傳統(tǒng)的左右導(dǎo)洞開挖改進(jìn)為開挖上臺階左右導(dǎo)洞開挖、上臺階開挖到下臺階左右導(dǎo)洞開挖,結(jié)合了臺階法施工的優(yōu)點,縮短了斷面閉合時間,控制地面沉降、增強隧道施工安全效果明顯.

(3)改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法上臺階開挖完成后,隧道主洞上部結(jié)構(gòu)懸空,導(dǎo)坑隨荷載的釋放產(chǎn)生較大的位移;下臺階左右導(dǎo)洞開挖,一部分支撐力開始由臨時仰拱提供,造成的拱頂沉降量較大.使用此施工方法是上述步驟隧道施工控制變形的關(guān)鍵工序.

(4)隧道導(dǎo)洞內(nèi)的臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均勻起到很好的支護(hù)作用,導(dǎo)洞拱腳與墻角處應(yīng)力集中,部分圍巖塑性區(qū)域向外擴展,容易引起下沉,導(dǎo)致主洞變形,產(chǎn)生不利影響,施工時需加強結(jié)構(gòu)強度,施工完成后臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)分段拆除,并及時施作二襯與仰拱.