李沛瑩

（河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南鄭州450053）

軟弱圍巖淺埋隧道施工工法研究

李沛瑩

（河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南鄭州450053）

針對淺埋公路隧道的軟弱圍巖地質(zhì)情況，基于三維有限差分軟件FLAC3D，建立軟弱性圍巖淺埋隧道變形預(yù)測模型，采用預(yù)留核心土法對現(xiàn)場施工過程進(jìn)行仿真模擬，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證預(yù)測模型的合理性?；陬A(yù)測模型，計算并分析不同工法下洞周圍巖在掘進(jìn)過程中的變形規(guī)律和開挖面穩(wěn)定性等。結(jié)果表明：CD法施工時的拱頂沉降與開挖面最大內(nèi)空位移是3種工法中最小的，但由于其開挖過程工序繁多，對圍巖造成的擾動效應(yīng)與開挖引起的收斂位移較預(yù)留核心土法大，綜合經(jīng)濟(jì)效益，在實際工程中采用預(yù)留核心土法是非常合理的。

隧道；軟弱圍巖；監(jiān)控量測；施工工法

軟弱圍巖淺埋隧道在施工過程中穩(wěn)定性差、易發(fā)生冒頂、坍塌。如何控制軟弱圍巖淺埋隧道變形是隧道工程研究亟待解決的問題之一。選擇適當(dāng)?shù)氖┕すし▽刂栖浫鯂鷰r淺埋隧道的變形尤為重要。

目前，研究人員主要從理論分析、數(shù)值模擬與試驗研究三方面對軟弱圍巖變形進(jìn)行探究。文獻(xiàn)［1］根據(jù)Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則推導(dǎo)出了不同巖體參數(shù)下軟弱圍巖隧道收斂位移的解析解；文獻(xiàn)［2］采用現(xiàn)場試驗手段對大斷面淺埋黃土隧道錨桿的作用效果進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［3］對軟弱圍巖隧道的支護(hù)體系進(jìn)行現(xiàn)場試驗或模型試驗，分析了不同類型支護(hù)體系與圍巖相互作用。由于圍巖存在應(yīng)變軟化特性［4］，但上述研究并未考慮這一特性，故需比選不同施工工法著手研究軟弱圍巖變形。

對于工法比選的研究，一方面主要考慮淺埋隧道下不同工法的力學(xué)響應(yīng)，文獻(xiàn)［5］重點討論軟弱圍巖條件下隧道的施工力學(xué)性態(tài)；另一方面則主要對軟弱圍巖條件下的工法進(jìn)行優(yōu)化，文獻(xiàn)［6］對軟弱圍巖隧道施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場和位移場的分布情況，并對不同施工方案進(jìn)行了比選優(yōu)化。然而，將隧道淺埋與軟弱圍巖應(yīng)變軟化特性相結(jié)合的工法研究甚少。

針對以上問題，此研究依托某軟弱圍巖淺埋隧道實際工況，結(jié)合圍巖的應(yīng)變?nèi)趸匦赃M(jìn)行數(shù)值模擬分析，并將現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，探討軟弱圍巖在施工過程中圍巖的變形規(guī)律；比較臺階法、預(yù)留核心土法和CD法在軟弱圍巖淺埋隧道施工中的優(yōu)劣性。

1　工程概況

依托隧道左幅全長830 m（ZK14+510～ZK14+ 1340），右幅全長830 m（YK14+510～YK14+1 340）。研究中，僅取洞身YK14+800～YK14+910段進(jìn)行數(shù)值模擬。該區(qū)段為V級圍巖區(qū)域，黏土呈硬塑狀?，F(xiàn)場采用預(yù)留核心土法開挖，隧道襯砌按新奧法原理設(shè)計，超前小導(dǎo)管長4.0 m，環(huán)向間距40 cm，縱向間距240 cm，導(dǎo)管外插角度為10°～15°，布置方式呈梅花形，導(dǎo)管內(nèi)壓注水泥漿。系統(tǒng)錨桿采用長度為3 m的D32聚酯中空注漿錨桿，間距為60 cm（縱）×120 cm（環(huán)）。布設(shè)φ8的鋼筋網(wǎng)（20 cm×20 cm）。噴射26 cm厚的C25混凝土，二襯和仰拱均為50 cm厚的C30鋼筋混凝土。

2　施工過程模擬

首先采用三維有限差分軟件FLAC3D建立隧道預(yù)測模型。由于在研究中采用不同工法對隧道掘進(jìn)過程進(jìn)行模擬，不同工法下（臺階法、預(yù)留核心土法、CD法）的隧道橫斷面并不相同。需要指出的是，由于采用臺階法與預(yù)留核心土法施工時隧道開挖面具有對稱性，故僅取一半模型進(jìn)行分析。其中，預(yù)留核心土法是現(xiàn)場施工工法。

圖1　不同工法的施工步驟示意圖

根據(jù)實際地形情況，模擬段開始部分埋深為6 m，在縱向y=60 m之后范圍內(nèi)設(shè)置模型坡度為12°，由《公路隧道設(shè)計規(guī)范》可知，隧道屬于淺埋范疇。模型的上表面為自由邊界，底部為固定邊界，四周為法向位移約束邊界，模型受重力作用，根據(jù)勘察資料，該段軟弱圍巖重度為18.522 kN/m3。

3種不同施工工法的具體施工步驟如圖1所示。3種工法的循環(huán)進(jìn)尺均為1.2 m，開挖一步即施加初期支護(hù)。臺階法施工時，上臺階長12 m，下臺階長6 m，二襯距開挖面18 m。預(yù)留核心土法施工時，臺階長6 m，核心土長3.6 m，二襯距開挖面18 m。CD法施工時，導(dǎo)坑長4.8 m，后行導(dǎo)坑距先行導(dǎo)坑12 m，先行導(dǎo)坑開挖面距二襯27.6 m。

數(shù)值計算時，圍巖采用實體單元模擬，并假定其滿足FLAC3D中內(nèi)嵌的摩爾庫倫應(yīng)變軟化模型，根據(jù)三軸試驗結(jié)果，取圍巖的強(qiáng)度折減率為60%，軟化系數(shù)為0.03。

采用樁單元模擬鎖腳錨以避免彎矩作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)中的初襯、二襯、超前導(dǎo)管和系統(tǒng)錨桿均采用實體單元模擬，并將其視為線彈性材料。其中，超前導(dǎo)管、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿的彈性模量采用等效方法［8］折算成混凝土。模擬過程中支護(hù)施作時機(jī)由應(yīng)力釋放率控制。當(dāng)隧道開挖至某一位置，釋放開挖所產(chǎn)生的不平衡力的50%，初襯成環(huán)時釋放開挖所產(chǎn)生的不平衡力的20%，二襯成環(huán)后釋放開挖所產(chǎn)生的不平衡力的30%。需要指出，為比較不同工法下隧道力學(xué)響應(yīng)，各工法模擬時均選取同一支護(hù)體系，材料參數(shù)見表1。

表1　材料參量匯總表

3　隧道變形預(yù)測模型

基于變形預(yù)測模型，根據(jù)現(xiàn)場施工，首先采用預(yù)留核心土法對隧道開挖過程進(jìn)行三維仿真模擬。

3.1數(shù)值模擬結(jié)果分析

選取y=50 m處的橫斷面為目標(biāo)斷面，開挖穩(wěn)定后目標(biāo)斷面的拱頂沉降、收斂位移隨開挖步變化曲線分別如圖2與圖3所示。其中，拱頂沉降值為負(fù)時表示下沉，收斂位移為正值時表示位移方向指向洞壁內(nèi)。

由圖2和圖3可知，采用預(yù)留核心土法開挖完成至穩(wěn)定后，拱頂沉降為11.8 cm，目標(biāo)斷面超前沉降占總沉降的比例為29.5%。表明采用預(yù)留核心土法圍巖并未造成較大松動。開挖至穩(wěn)定后的收斂位移為3.7 cm，收斂位移曲線在達(dá)到峰值后會出現(xiàn)微小回彈現(xiàn)象，這可能是由于初襯施加時與圍巖的相互作用引起的，另一方面也可能與模型的不平衡性有關(guān)。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果與實測值比較

圖4與圖5分別為監(jiān)測斷面YK14+860處拱頂沉降與收斂位移隨開挖時間變化曲線，該監(jiān)測斷面對應(yīng)模型中的目標(biāo)斷面。

圖2　拱頂沉降隨開挖步變化曲線

圖3　收斂位移隨開挖步變化曲線

采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測的最終拱頂沉降與收斂位移見表2。由表2知，計算結(jié)果與實際情況基本相符但稍有偏差，主要是由于數(shù)值模擬中每個開挖步的平衡在圖4和圖5中表現(xiàn)為瞬時平衡，但實際上平衡過程是比較緩慢的，且監(jiān)控量測在圍巖變形尚未完全穩(wěn)定時即停止。但總體來說，以上對比可表明淺埋隧道軟弱圍巖預(yù)測模型的合理性。

4　隧道開挖方案比選

此節(jié)中，主要探究預(yù)留核心土法、臺階法、CD法下的圍巖變形。選取縱向y=50 m處的斷面作為目標(biāo)斷面，3種工法拱頂沉降和收斂位移隨開挖步變化曲線如圖6與圖7所示。其中，CD法施工時的拱頂沉降和收斂位移監(jiān)測點均位于后行導(dǎo)坑右側(cè)。

由圖6可知，3種不同工法下的拱頂沉降差異明顯。其中，臺階法開挖的最終拱頂沉降最大，達(dá)到17.9 cm，且目標(biāo)斷面超前沉降占總沉降的54.4%，說明采用臺階法開挖對圍巖擾動很大，此時需采用超前支護(hù)等措施對圍巖進(jìn)行加固。CD法對應(yīng)沉降最小，為4.9 cm，僅為預(yù)留核心土法下沉降的41.5%。計算結(jié)果顯示：CD法與預(yù)留核心土法下目標(biāo)斷面超前沉降占總沉降的比率分別為38.5%和29.5%，CD法施工時，超前沉降較大的主要原因是先行導(dǎo)坑開挖對拱頂區(qū)域有擾動。因此與CD法相比，預(yù)留核心土法在維持開挖面前方穩(wěn)定方面具備一定優(yōu)勢。

由圖7可看出，采用臺階法和預(yù)留核心土法開挖時，收斂位移基本相同，約為4 cm。CD法開挖時，收斂位移最大，為4.3 cm，原因在于CD法施工時，后行導(dǎo)坑在未開挖時，受到先行導(dǎo)坑開挖干擾，造成收斂位移偏大。但與拱頂沉降相比，3種工法下的收斂位移差別并不顯著。

圖4　監(jiān)測斷面拱頂沉降

圖5　監(jiān)測斷面收斂位移

表2　數(shù)值模擬和監(jiān)控量測對比表

開挖面內(nèi)空位移表明在開挖面處圍巖的縱向

圖6　拱頂沉降隨開挖步變化曲線

圖7　收斂位移隨開挖步變形曲線

變形，表征開挖面處圍巖的穩(wěn)定性。采用3種工法下開挖面內(nèi)空位移如圖8所示。從圖8可看出，各工法下的隧道開挖面底部的內(nèi)空位較小且基本相同，這是由于3種工法下開挖面底部的測點并未處于臨空面，而是處于三向受力狀態(tài)，所受工法影響也相對較小。采用臺階法、預(yù)留核心土法和CD法的開挖面最大內(nèi)空位移分別為26.4，13.7，10.2 cm。說明臺階法對開挖面穩(wěn)定性控制效果最弱，預(yù)留核心土法與CD法的內(nèi)空位移差別并不大，前者比后者多出34.3%。

圖8　開挖面內(nèi)空位移

綜上所述，CD法施工時的拱頂沉降與開挖面最大內(nèi)空位移是3種工法中最小的，然而，由于其開挖過程工序繁多，對圍巖造成的擾動效應(yīng)與開挖引起的收斂位移較預(yù)留核心土法大，且預(yù)留核心土法與其開挖面最大內(nèi)空位移相差并不大。這說明預(yù)留核心土法在維持圍巖穩(wěn)定方面仍具一定優(yōu)勢，綜合經(jīng)濟(jì)效益，可以認(rèn)為，在實際工程中采用預(yù)留核心土法是非常合理的。

5　結(jié)　　論

1）引入軟弱圍巖變形預(yù)測模型，基于圍巖應(yīng)變軟化行為對淺埋隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比，驗證變形預(yù)測模型合理性。

2）CD法對拱頂沉降的控制效果最佳，預(yù)留核心土法次之，與CD法相比，預(yù)留核心土法在維持開挖面前方穩(wěn)定方面具備一定優(yōu)勢。

3）由于開挖工序較多，采用CD法開挖時收斂位移偏大。但與拱頂沉降相比，3種工法下的收斂位移差別并不顯著。

4）CD法施工對圍巖造成的擾動效應(yīng)與開挖引起的收斂位移較預(yù)留核心土法大，故綜合經(jīng)濟(jì)效益，可以認(rèn)為，在實際工程中采用預(yù)留核心土法是非常合理的。

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