連拱隧道三導(dǎo)洞和臺(tái)階法施工工法的比較

曹艷龍

（山西交通控股集團(tuán)有限公司呂梁北高速公路分公司，山西 呂梁 033100）

1 工程概況

某連拱隧道起訖樁號(hào)K49+586 ～K49+884，隧道凈長(zhǎng)298m。結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪及物探、鉆探勘察結(jié)果，隧道圍巖主要為寒武系三游洞組地層和局部薄層第四系沖洪積物，夾雜風(fēng)化、溶蝕強(qiáng)烈且分布不均的白云巖。圍巖范圍內(nèi)地下水較為發(fā)育，并以巖溶水和裂隙水為主，依靠大氣降水補(bǔ)給；地表水主要以沖溝水為主，流量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。隧道最大埋深為44.5m，連拱跨度28.41m，單個(gè)隧道寬12.20m，高8.2m。

2 施工工法模擬

2.1 模型構(gòu)建

采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件和三維彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行連拱隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程的有限元模擬，具體而言，首先通過(guò)ANSYS 建模，再借助ANSYS-FLAC3D 導(dǎo)入軟件將ANSYS模型導(dǎo)入FLAC3D 中計(jì)算[1]。

考慮到該連拱隧道應(yīng)力場(chǎng)較為復(fù)雜，施工期間隧道應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生多次重分布，并表現(xiàn)出受拉、受壓、剪切、塑性破壞，這就要求本構(gòu)模型必須符合Mohr-Coulmb 準(zhǔn)則。隧道圍巖、中隔墻模擬通過(guò)實(shí)體單元進(jìn)行，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)則通過(guò)板單元進(jìn)行模擬，錨桿通過(guò)植入型桁架模擬。根據(jù)Mohr-Coulmb 準(zhǔn)則，中隔墻和支護(hù)結(jié)構(gòu)服從彈性變形，連拱隧道支護(hù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。進(jìn)行連拱隧道模型構(gòu)建時(shí)僅考慮其自重應(yīng)力，模型上下及左右長(zhǎng)度分別按照跨徑的3 倍和5 倍取值，上邊界按照山體走勢(shì)模擬，其余邊界則采用位移約束[2]。

表1 連拱隧道支護(hù)參數(shù)

2.2 施工過(guò)程模擬

連拱隧道常見(jiàn)的施工工法主要有臺(tái)階法、CRD 法和三導(dǎo)洞法，考慮到該隧道單洞跨度小，CRD 開(kāi)挖法并不適用，故只進(jìn)行臺(tái)階法和三導(dǎo)洞法的比較。

（1）臺(tái)階法的施工次序?yàn)椋? 開(kāi)挖中導(dǎo)洞→2 中導(dǎo)洞初支→3 中隔墻澆筑→4 開(kāi)挖左洞上臺(tái)階→5 左洞上臺(tái)階初支施作→6 開(kāi)挖右洞上臺(tái)階→7 右洞上臺(tái)階初支施作→8 開(kāi)挖左洞下臺(tái)階→9 左洞下臺(tái)階初支施作→10 左洞二襯施作→11 開(kāi)挖右洞下臺(tái)階→12 右洞下臺(tái)階初支施作→13 右洞二襯施作。

（2）三導(dǎo)洞法施工步驟次序?yàn)椋? 開(kāi)挖中導(dǎo)洞→2 中導(dǎo)洞初支→3 中隔墻澆筑→4 左洞左導(dǎo)坑開(kāi)挖→5 左洞左導(dǎo)坑初支→6 右洞右導(dǎo)坑開(kāi)挖→7 右洞右導(dǎo)坑初支→8 左洞右導(dǎo)洞開(kāi)挖→9 左洞右導(dǎo)洞初支→10 左洞二襯施作→11 右洞左導(dǎo)洞開(kāi)挖→12 右洞左導(dǎo)洞初支→13 右洞二襯施作。

3 模擬研究與施工驗(yàn)證

3.1 施工步長(zhǎng)的確定

采用三導(dǎo)洞法和臺(tái)階法進(jìn)行連拱隧道施工數(shù)值模擬分析時(shí)，左右洞開(kāi)挖面間距分別取10m、16m、20m、24m 和32m，當(dāng)隧道左洞開(kāi)挖施工步長(zhǎng)為4m 時(shí)，施工所引起的右洞開(kāi)挖面應(yīng)力和位移變化情況具體見(jiàn)表2。從表中結(jié)果可以看出，連拱隧道左右洞開(kāi)挖間距從16m 增大至20m 時(shí)，拱頂位移最大值、中隔墻位移最大值及初支彎矩增量最大值的變化量依次為0.39mm、0.70mm 和5.46kN/m；各個(gè)量的變化值均為最優(yōu)臨界值，故將施工間距控制在20m。

表2 不同開(kāi)挖間距下隧道右洞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在20m 的開(kāi)挖間距下對(duì)左洞不同施工步長(zhǎng)展開(kāi)數(shù)值模擬，所得到的右洞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺從2m 增大至4m 時(shí)，拱頂位移增量最大值、中隔墻位移和初支彎矩增量最大值的變化量依次為1.69mm、0.53mm 和5.33kN/m，均大于其余相鄰步長(zhǎng)下相關(guān)參數(shù)增量差，故以4m為最優(yōu)開(kāi)挖施工步長(zhǎng)[3]。

表3 左洞不同施工步長(zhǎng)下右洞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 位移分析

（1）拱頂沉降。連拱隧道跨度較大，為評(píng)價(jià)圍巖變形程度及連拱隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，應(yīng)進(jìn)行左右洞拱頂沉降變化模擬分析。臺(tái)階法和三導(dǎo)洞法對(duì)應(yīng)的左右洞拱頂隨施工步的沉降變化曲線詳見(jiàn)圖1。

從圖1（a）可以看出，在開(kāi)挖中導(dǎo)洞及澆筑施工中隔墻的過(guò)程中，左右洞拱頂沉降量較小，最大僅為0.38mm，左洞左導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，左側(cè)拱頂位移增大，但增量相當(dāng)有限；在開(kāi)挖左洞右導(dǎo)洞時(shí)（即施工步8），左側(cè)沉降增大2.20mm，在此處總沉降中占比49.98%，同時(shí)這一施工步驟也使右側(cè)拱頂沉降增大0.93mm，在此處總沉降中占比24.85%，意味著該施工步對(duì)左右洞拱頂穩(wěn)定性存在較大影響，為此，必須在施工期間保證初支及時(shí)跟進(jìn)，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

從圖1（b）可以看出，在臺(tái)階法施工工法下，左洞上臺(tái)階開(kāi)挖是最危險(xiǎn)的施工步，該施工步所引起的左洞和右洞拱頂沉降增量分別為2.65mm 和0.81mm，在總沉降量中占比分別為63.89%和20.71%；在開(kāi)挖右側(cè)上臺(tái)階時(shí)（即施工步6），左洞和右洞拱頂沉降依次為0.699mm 和2.21mm，分別占相應(yīng)側(cè)拱頂總沉降量的16.9%和58.12%，意味著左右洞上臺(tái)階開(kāi)挖應(yīng)作為隧道拱頂位移控制的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

（2）地表沉降。為保證分析結(jié)果的代表性，以中隔墻豎直線和地表交點(diǎn)處為地表沉降點(diǎn)。在三導(dǎo)洞施工工法下，連拱隧道開(kāi)挖時(shí)地表最大沉降主要出現(xiàn)在施工步8 即左洞右導(dǎo)洞開(kāi)挖以及施工步11 即右洞左導(dǎo)洞開(kāi)挖環(huán)節(jié)，對(duì)應(yīng)的沉降依次為0.88mm 和0.69mm，占最終地表沉降（2.91mm）的比例為29.87%和24.15%。

而在臺(tái)階法工法下，最大沉降出現(xiàn)在施工步4 和施工步6即左右側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖階段，對(duì)應(yīng)的沉降依次為0.70mm和1.12mm，占最終地表沉降（2.10mm）的比為34.28%和52.34%。這也表明，上臺(tái)階開(kāi)挖是造成連拱隧道地表沉降的主要原因。三導(dǎo)洞法和臺(tái)階法下最終地表沉降均較小，其中，三導(dǎo)洞法在施工步11 時(shí)完成主要開(kāi)挖步施作，偏壓受力所造成的地表沉降更大，而臺(tái)階法施工由于在前期的施工步中已經(jīng)形成對(duì)稱(chēng)受力形式，故所引起的地表沉降更小。

3.3 圍巖應(yīng)力分析

根據(jù)圖2（a）監(jiān)測(cè)結(jié)果，在三導(dǎo)洞法下，施工步為1 ～3時(shí)左洞拱頂上部0 ～1D 以內(nèi)的圍巖應(yīng)力均呈減小趨勢(shì)，意味著中導(dǎo)洞開(kāi)挖支護(hù)的影響范圍已經(jīng)擴(kuò)展到左拱頂上部；在施工步4即左洞左導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，左拱頂上部0 ～0.5D 范圍內(nèi)的應(yīng)力也呈減小之勢(shì)，說(shuō)明隧道開(kāi)挖施工期間周邊圍巖應(yīng)力得以釋放；而左拱頂上部1 ～1.5D 范圍內(nèi)的應(yīng)力反而增大，表明在該區(qū)域內(nèi)形成壓力拱。在施工步為6 即右洞右導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，因距離遠(yuǎn)，中隔墻起到重要的支撐作用，故應(yīng)力變化不明顯。在施工步為8即左洞右導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)力釋放較大，并形成壓力拱。

圖2 左洞拱頂上部圍巖大主應(yīng)力變化曲線

根據(jù)圖2（b）監(jiān)測(cè)結(jié)果，臺(tái)階法施工期間，施工步為4即左洞上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，拱頂0 ～0.5D 范圍內(nèi)應(yīng)力下降明顯，而在1 ～1.5D 范圍內(nèi)應(yīng)力增大并形成壓力拱。在施工步6 即右洞上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，0.5 ～1D 范圍內(nèi)應(yīng)力增大，表明初支措施實(shí)施后，壓力拱存在縮小跡象。左右下臺(tái)階開(kāi)挖及初支和二襯時(shí)，左洞拱頂沉降變化并不大，說(shuō)明連拱隧道臺(tái)階法施工時(shí)，左右洞上臺(tái)階開(kāi)挖階段風(fēng)險(xiǎn)較大，必須加強(qiáng)支護(hù)。

綜合以上分析可以看出，臺(tái)階法施工工法下前期應(yīng)力變化較大，但不會(huì)造成隧道應(yīng)力多次重分布，并能緩解連拱隧道偏壓作用；臺(tái)階法壓力拱范圍小于三導(dǎo)洞法，意味著臺(tái)階法應(yīng)力對(duì)稱(chēng)分布形成較早，對(duì)圍巖影響范圍也更小。

三導(dǎo)洞工法下，中導(dǎo)洞開(kāi)挖使中隔墻0 ～1.5D 范圍內(nèi)應(yīng)力減小，松動(dòng)圈增大，中隔墻澆筑后應(yīng)力重新分布；左洞右導(dǎo)洞和右洞左導(dǎo)洞開(kāi)挖支護(hù)時(shí)，形成壓力拱；右洞左導(dǎo)洞開(kāi)挖應(yīng)力明顯增強(qiáng)。所以，在右洞左導(dǎo)洞開(kāi)挖前必須進(jìn)行中隔墻上部注漿、錨桿支護(hù)，避免出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

在臺(tái)階法下，中導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)中隔墻的影響與三導(dǎo)洞工法一致，在施工步為4 即左上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，0 ～1D 內(nèi)的應(yīng)力增大，表明上臺(tái)階開(kāi)挖施工對(duì)中隔墻上部圍巖應(yīng)力分布有較大改變，施工前必須加強(qiáng)支護(hù)。在施工步為6 即右上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，由于對(duì)稱(chēng)應(yīng)力分布已經(jīng)形成，中隔墻上部應(yīng)力雖持續(xù)增大，但并未超出0 ～1D 范圍，對(duì)中隔墻的擾動(dòng)也更小。在開(kāi)挖左右洞下臺(tái)階時(shí)，上部對(duì)稱(chēng)應(yīng)力分布已經(jīng)形成，初支同時(shí)跟進(jìn)，故對(duì)中隔墻上部應(yīng)力分布影響并不大。由此可知，在采用臺(tái)階法開(kāi)挖第一導(dǎo)洞上臺(tái)階時(shí)，中隔墻上部應(yīng)力變化明顯，但并未出現(xiàn)多次應(yīng)力重分布，最終的影響范圍小于三導(dǎo)洞法。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，連拱隧道采用臺(tái)階法施工時(shí)，由于對(duì)中隔墻偏應(yīng)力糾正較早，受力體系提前形成等原因，左右洞拱頂沉降和地表沉降均較小；臺(tái)階法和三導(dǎo)洞法施工所面臨的最危險(xiǎn)開(kāi)挖步分別為左洞上臺(tái)階開(kāi)挖和左洞右導(dǎo)洞開(kāi)挖，施工期間必須加強(qiáng)初期支護(hù)和監(jiān)控量測(cè)。隧道開(kāi)挖施工期間，臺(tái)階法左右洞拱頂和中隔墻上部大主應(yīng)力變化幅度和范圍較三導(dǎo)洞法大，但開(kāi)挖施工不會(huì)造成隧道多次應(yīng)力重分布，應(yīng)力影響范圍也更小。臺(tái)階法和三導(dǎo)洞法所形成的左右洞拱頂、中隔墻上部圍巖壓力拱范圍分別為1D 和1.5D。連拱隧道臺(tái)階法在位移沉降、圍巖應(yīng)力、壓力拱變化范圍等方面均優(yōu)于三導(dǎo)洞法，但為避免連拱隧道整體失穩(wěn)，該工法對(duì)左右洞上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)有較高要求。