特大斷面淺埋偏壓隧道雙側(cè)壁工法工序優(yōu)化分析*

歐 敏,李祥東,彭小麗,蔣 彪,張進華

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司,湖南 長沙 410200; 2.湖南省軌道勘察設(shè)計有限公司,湖南 長沙 410200; 3.青島地鐵集團,山東 青島 266000;4.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院,江西 贛州 341000; 5.湖南省軌道交通控股集團有限公司,湖南 長沙 410017)

0 引言

目前,我國已建成>35 000座隧道,總長約37 000km。 這些隧道構(gòu)建起一個極為便捷的超級通道網(wǎng),這些隧道的貫通使得我國隧道設(shè)計理念、施工技術(shù)和運營管理經(jīng)驗日趨完善。隨著交通量不斷增長,單向雙車道隧道成為制約交通發(fā)展的瓶頸,同時為節(jié)約用地和保護生態(tài)環(huán)境考慮,出現(xiàn)了不少單向4車道隧道。單向4車道隧道具有斷面面積大、跨高比大、施工工序多、受力復(fù)雜、變形控制難等特點,為風(fēng)險控制節(jié)點和研究熱點。

目前大斷面隧道施工工法主要有臺階法、雙側(cè)壁工法、CRD工法等,已有不少學(xué)者通過模型試驗、有限元分析、現(xiàn)場監(jiān)測等方法對大斷面隧道不同施工工法進行研究。Hallak等[1]通過平面隧道模型模擬淺埋隧道開挖。陳志武[2]通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)就雙側(cè)壁施工工法對雙向6車道偏壓隧道初期支護變形結(jié)果進行分析,得出開挖工序和臨時支撐拆除部序?qū)鷰r變形存在影響。干嘯洪等[3]、鮑先凱等[4]通過現(xiàn)場試驗分析特大斷面隧道變形規(guī)律等。朱維申等[5]對大斷面地下廠房施工順序進行優(yōu)化計算,提出圍巖動態(tài)施工力學(xué)的概念。朱合華等[6]、孫鈞等[7]采用有限元分析隧道施工過程動態(tài)施工力學(xué)規(guī)律。張俊儒等[8]研究近幾年中國4車道及以上超大斷面公路隧道施工技術(shù),對超大斷面隧道開挖工法進行研究總結(jié),指出超大斷面公路隧道技術(shù)現(xiàn)狀和不足。梁波等[9]研究4車道大斷面隧道動力響應(yīng)。蔣樹屏等[10-11]、張頂立等[12]綜合論述大斷面隧道關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合工程實踐,對福泉高速公路前鷗隧道施工全過程跟蹤監(jiān)測并對實測數(shù)據(jù)進行整理分析,利用有限元軟件對4車道特大斷面淺埋偏壓隧道采用雙側(cè)壁工法施工過程進行數(shù)值模擬,研究4車道隧道雙側(cè)壁工法不同工序下圍巖與支護變形規(guī)律,得到相關(guān)結(jié)論為以后類似工程提供參考。

1 開挖步序

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行開挖,考慮3種不同開挖步序:一種為分部依次開挖Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ 的施工工序(1th),即先挖左、右導(dǎo)坑再挖中間核心土;另外一種為分部依次開挖Ⅰ→Ⅲ→Ⅴ→Ⅱ→Ⅳ→Ⅵ 的施工工序(2th),即先挖上半斷面再挖下半斷面;還有一種為分部依次開挖Ⅲ→Ⅳ→Ⅰ→Ⅱ→Ⅴ→Ⅵ的施工工序(3th),即先開挖淺埋側(cè)再開挖深埋側(cè),其中Ⅰ側(cè)埋深大于Ⅲ側(cè)。開挖分區(qū)如圖1所示。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖步序

2 數(shù)值模型

前鷗隧道為福泉高速公路單洞4車道隧道。隧道最大開挖斷面為255.24m2;最大跨度為19.67m,最大開挖斷面跨度為22.03m;隧道高跨比最小為0.497;隧道中軸線與山體等高線斜交,存在明顯偏壓;洞口最淺處埋深僅為3.3m。

隧道洞口段為V級碎塊狀弱風(fēng)化花崗巖,節(jié)理、裂隙發(fā)育,遇水易崩解,呈碎石狀松散體,易坍塌。

初期支護采用中空注漿錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼架、噴射混凝土;輔助措施包括超前小導(dǎo)管、管棚;二襯為C30混凝土。設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

隧道洞口段屬于淺埋軟弱圍巖,視為各向同性、均質(zhì)和連續(xù)的彈塑性介質(zhì)。考慮模型尺寸的影響,建立橫向×縱向×高度取100m×50m×60m(淺埋豎向)/100m(豎向深埋)有限元模型,如圖2所示。三維有限元模型中,圍巖材料特性為均質(zhì)彈塑性,采用D-P屈服準(zhǔn)則。

圖2 數(shù)值模型(solid45)

3 試驗、模擬數(shù)據(jù)對比驗證與分析

依據(jù)JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》及設(shè)計中提出的有關(guān)監(jiān)測項的要求,對隧道施工全過程跟蹤監(jiān)測301d,通過監(jiān)測點與開挖面前后關(guān)系由近及遠分為A～I 9個區(qū)域,主要監(jiān)測項目包括隧道地表邊坡下沉、拱頂下沉和凈空收斂變形等。

3.1 地表下沉結(jié)果分析

隧道出口段地表邊坡位移測點布置如圖3所示。由圖4a可看出,P1隨開挖工作面推進位移曲線,主要位移釋放工序為開挖、拆除豎向臨時支撐,累計位移約為20mm,明顯小于預(yù)留變形量。當(dāng)位移速率≥5mm/d時,加密監(jiān)測頻率,及時架設(shè)格柵,臨時支護,快速噴射混凝土形成封閉結(jié)構(gòu)環(huán),控制圍巖松動圈發(fā)展,控制累計變形量,保證圍巖支護體系安全。當(dāng)開挖工作面離觀測斷面>40m后,即達2D(D為初支形成后隧道跨度)距離,開挖對觀測斷面下沉的影響較小,位移速率<0.2mm/d時,基本趨于收斂,可及時施作二襯。

圖3 隧道出口段地表邊坡位移測點布置示意

圖4 地表各點實測數(shù)據(jù)

數(shù)值模型嚴(yán)格按開挖—支護—拆撐—襯砌工序模擬,分析結(jié)果更趨于連續(xù)收斂,具體分布如圖4所示,但最終結(jié)果與0.2倍實測數(shù)據(jù)接近,呈現(xiàn)明顯深埋側(cè)位移大于淺埋側(cè)位移不對稱沉降槽,證明二者數(shù)據(jù)可靠有效,圍巖、支護參數(shù)合理,因埋深淺采取的反壓、地面加固、洞內(nèi)加固措施均有效,能保證圍巖穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上模擬不同開挖工序產(chǎn)生不同施工變形。分別模擬先開挖深埋側(cè)左導(dǎo)坑,再開挖淺埋側(cè)右導(dǎo)坑,最后開挖中間核心土的工法(1th)、先開挖上斷面再開挖下斷面的工法(2th)和先開挖淺埋右側(cè)導(dǎo)坑,再開挖深埋左側(cè)導(dǎo)坑,最后開挖中間核心土的工法(3th),三者產(chǎn)生的地表沉降結(jié)果如圖5所示,三者均呈現(xiàn)一致偏壓沉降槽,通過嚴(yán)格的模擬開挖—支護及時封閉成環(huán)步序,三者產(chǎn)生的變形基本接近,工法(1th)地表各點沉降略小于工法(2th),先開挖深埋側(cè)工法(1th)地表各點沉降小于先開挖淺埋側(cè)工法(3th)。

圖5 數(shù)值模擬不同開挖工序地表沉降曲線與0.2倍實測曲線對比

3.2 拱頂下沉、周邊收斂變形分析

按設(shè)計要求及時布置測點,根據(jù)圍巖等級分段埋設(shè)觀測斷面,在觀測斷面拱頂埋設(shè)3個觀測點,測點布設(shè)如圖6所示。對實測數(shù)據(jù)經(jīng)過平均取值后繪制時間-位移曲線,沿重力方向豎直向上為正,結(jié)果如圖7所示。

圖6 隧道拱頂下沉、凈空收斂測點布置示意

圖7 隧道拱頂下沉、凈空收斂實測曲線與數(shù)值模擬曲線

G1,G2,G3 3個拱頂沉降點隨各工作面推進位移-時間實測曲線與數(shù)值模擬曲線如圖7a～7c所示,圍巖A1B1隨開挖面位移-時間實測曲線與數(shù)值模擬曲線如圖7d所示,開挖觀測點所在斷面及拆除臨時豎向支撐產(chǎn)生較大位移,開挖工作面距觀測斷面40m左右后,開挖對觀測斷面沉降點沉降影響很小,可忽略,與地表沉降結(jié)果2D后影響不大的結(jié)論基本一致;核心土開挖對觀測斷面變形影響較大。

4 結(jié)語

1)開挖斷面距離觀測斷面2D后,施工開挖對圍巖及支護體系變形影響較小,可為施作二襯時機提供參考依據(jù)。

2)采用先開挖左右導(dǎo)坑上、下臺階再開挖中間核心土形成3個封閉豎向橢圓比先依次開挖左、中、右上部導(dǎo)坑再依次開挖左、中、右下部導(dǎo)坑產(chǎn)生圍巖變形小。

3)先開挖深埋側(cè)工法地表各點沉降小于先開挖淺埋側(cè)工法,因此偏壓隧道采用雙側(cè)壁工法開挖時,宜先開挖深埋側(cè)導(dǎo)坑,同時采取地面覆土反壓、注漿加固和洞內(nèi)超前加固措施保證施工安全。

4)通過實測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),地表下沉呈現(xiàn)深埋側(cè)沉降大于淺埋側(cè)沉降不對稱沉降槽形態(tài),拱頂沉降值深埋側(cè)較淺埋側(cè)大,相對位移收斂值深埋側(cè)較淺埋側(cè)小。

綜合地表沉降監(jiān)測、拱頂下沉、周邊收斂3項指標(biāo)的時間-位移曲線,分部開挖,特別是核心土開挖,臨時支撐架設(shè),臨時豎撐的拆除為雙側(cè)壁工法關(guān)鍵工序,施工中應(yīng)引起特別重視。