趙 虎, 張恭祿, 李世堂, 劉 禹, 任相利, 孔令威,王 瑞, 邱德才, 張合鑫

(1.山東省路橋集團(tuán)有限公司, 濟(jì)南 250014; 2. 山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 山東 青島 266590;3.山東中建八局投資建設(shè)有限公司, 濟(jì)南 250031)

在國家大力投資及建設(shè)下,我國公路鐵路隧道建設(shè)飛速發(fā)展,全國范圍內(nèi)已建成了多條隧道,如青藏鐵路新關(guān)角隧道、青島膠州灣海底公路隧道等。隨著流量的增加,單洞雙車道已無法滿足城市發(fā)展需求,我國乃至世界的隧道朝著超大跨度變斷面發(fā)展,其在滿足服務(wù)功能、提高空間利用率等方面同普通隧道相比具有非常大的優(yōu)勢[1-2],但是超大跨度變斷面隧道跨度大、開挖面積大、結(jié)構(gòu)形式多變,在建設(shè)過程中極易引起隧道圍巖不穩(wěn)定、塌方、冒頂?shù)仁鹿?具有較大的風(fēng)險(xiǎn)和施工難度[3]。目前國內(nèi)外超大跨度變斷面隧道施工工法主要采用CRD法(交叉中隔墻法)、臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或多種工法的結(jié)合。但是現(xiàn)有技術(shù)對于超大跨度變斷面處施工仍存在施工難度大、施工不易開展等問題。為了保證超大跨度變斷面隧道的施工安全,同時(shí)兼顧施工便利性及施工效率,有必要對超大跨度變斷面處的開挖工法進(jìn)行研究。

諸多學(xué)者對超大跨度變斷面隧道施工工法進(jìn)行了研究,這為探究超大跨度變斷面隧道施工工法優(yōu)化提供了思路。Fan等[4]對變斷面隧道采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法,對不良地質(zhì)下的施工技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了開挖支護(hù)方法等關(guān)鍵施工技術(shù)。趙博劍[5]對“導(dǎo)洞反向擴(kuò)挖工法”在漸變大斷面隧道中的應(yīng)用進(jìn)行了分析,利用數(shù)值模擬的手段分析了圍巖變形及初支結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。徐沖[6]對變截面隧道的線形優(yōu)化和斷面輪廓設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列研究,認(rèn)為變截面段最佳的過渡方案是“臺階式”。方剛等[7]通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析了變截面段隧道的受力和變形特性,發(fā)現(xiàn)變截面大跨隧道采用三臺階臨時(shí)仰拱法和三臺階開挖法可有效地控制變截面大跨隧道的應(yīng)力集中和變形。閆明超等[8]對超大斷面變截面施工的總體方案、開挖方法、初期支護(hù)以及變截面二次襯砌施工等技術(shù)內(nèi)容,總結(jié)了超大斷面隧道變截面施工的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

針對變斷面隧道的圍巖變形以及初期支護(hù)方面,前人進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。Li等[9]進(jìn)行了大規(guī)模地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬,揭示了超大斷面隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞行為,為深埋區(qū)雙孔超大斷面隧道施工中的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全控制提供了可靠參考。莊一舟等[10]對不同型號的鋼架進(jìn)行室內(nèi)加載試驗(yàn),系統(tǒng)分析了隧道鋼架支護(hù)初期的力學(xué)性能,對變斷面隧道的初期支護(hù)設(shè)計(jì)和施工具有重要參考價(jià)值。文競舟等[11]通過分析隧道施工現(xiàn)場鋼拱架支護(hù)的自身特點(diǎn)和受力特性,建立含有鋼拱架和噴射混凝土的隧道復(fù)合初期支護(hù)的地基曲梁力學(xué)模型,為變斷面隧道現(xiàn)場施工提供了直觀、可靠的力學(xué)依據(jù)。孫引浩[12]對三臺階臨時(shí)仰拱法上臺階采用支立門架法和類正洞臺階法橫向過渡擴(kuò)挖的2種方案進(jìn)行了分析,利用數(shù)值模擬的手段分析了洞周土體變形、土體位移與應(yīng)力變化規(guī)律。郭德平等[13]對變截面隧道采用室內(nèi)試驗(yàn),對比分析二臺階法、二臺階留核心土法以及三臺階法開挖下的圍巖應(yīng)力與位移特性,提出針對不同斷面隧道施工的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。郭會杰等[14]總結(jié)了隧道緊急停車帶變截面段的變形特征,采用現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)值模擬等方法。認(rèn)為采用縱向預(yù)應(yīng)力錨索+環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索對緊急停車帶端頭附近圍巖進(jìn)行加固,可以有效提高變截面一側(cè)圍巖整體穩(wěn)定性,減小變截面段圍巖非對稱變形。甄卓[15]對變截面隧道采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)等方法,對圍巖力學(xué)參數(shù)的弱化進(jìn)行了研究,為優(yōu)化施工方案提供了關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上,依托蘇州長江路南延工程-七子山隧道工程,針對該工程開挖過程中的連拱轉(zhuǎn)超大跨度段臨時(shí)支撐是否隨開挖步拆除,以及超大跨度段的施工工序是否進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化作為對比方案,采用數(shù)值模擬分析方法從拱頂沉降、仰拱隆起、邊墻水平收斂和各測點(diǎn)的圍巖應(yīng)力進(jìn)行對比分析。與其他已有的研究工作相比,本研究可以更直觀具體地發(fā)現(xiàn)以上兩種工況下的不同和優(yōu)劣,并提出優(yōu)化建議。

1 隧道工程概況及開挖方案

1.1 工程概況

七子山隧道工程是蘇州國際快速物流通道二期工程——長江路南延工程的重點(diǎn)控制性工程,主線隧道全長6.18 km,開挖斷面大,隧道暗挖段洞身圍巖主要以中風(fēng)化砂巖及破碎狀中風(fēng)化砂巖為主,隧道暗挖段圍巖類別分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 4種級別圍巖。工程線路縱斷面如圖1所示。

圖1 線路縱斷面圖

1.2 隧道開挖方法

1.2.1 連拱隧道段

限于隧道入口的地形條件,隧道采用連拱隧道結(jié)構(gòu)形式。連拱隧道開挖采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法,其中中導(dǎo)洞超前開挖,再開挖地質(zhì)條件較差或受力不利一側(cè)的匝道導(dǎo)洞,其滯后中導(dǎo)洞15～20 m;然后再開挖另一側(cè)主線導(dǎo)洞,主線導(dǎo)洞滯后匝道導(dǎo)洞25～30 m。中導(dǎo)洞及側(cè)壁導(dǎo)洞均采用短臺階法施工,臺階長度4～6 m,開挖進(jìn)尺控制在一榀鋼架(一榀鋼架是指一個完整的門型架,由鋼架梁和鋼架柱組合成的一組鋼屋架)間距內(nèi)。中導(dǎo)洞貫通后及時(shí)澆筑中隔墻混凝土,并回填密實(shí)。連拱段隧道各導(dǎo)洞開挖步距如圖2所示。

圖2 連拱段隧道導(dǎo)洞開挖步距

1.2.2 超大跨隧道段

變斷面超大跨度隧道段共5種斷面形式,斷面尺寸由小里程向大里程方向逐漸縮小為標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸,最大開挖寬度約29.6 m,最大開挖斷面尺寸為415 m2,各斷面之間采用突變設(shè)置封堵墻方式進(jìn)行處理。根據(jù)開挖跨度、埋深及參考國內(nèi)類似特大跨隧道的施工經(jīng)驗(yàn),以及結(jié)合連拱隧道施工方案,變斷面大跨段襯砌采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑+CRD法進(jìn)行施工[16-17]。七子山隧道建成后各斷面如圖3所示。

圖3 七子山隧道變斷面

2 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

數(shù)值模擬采用FLAC3D有限差分程序。隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮,采用各向同性Mohr-coulomb彈塑性模型計(jì)算。圍巖、初期支護(hù)、二襯均采用實(shí)體單元模擬,模型通過zone cmodel assign null模擬隧道土體開挖,每個導(dǎo)洞開挖后施作初期支護(hù)及錨桿。模型尺寸為:隧道橫向取225 m(大于5倍洞徑),豎直向上取至地表(平均埋深為37.5 m),豎直向下取40 m(2倍洞徑),縱向取60 m,其中隧道連拱段、大跨段1和大跨段2各取20 m。約束條件為:地表為自由邊界,無任何約束,左右邊界和底面分別施加垂直于邊界面的位移約束。為準(zhǔn)確求解,在隧道結(jié)構(gòu)的附近和分析的目標(biāo)面附近采用細(xì)密單元,單元總數(shù)為694 633,節(jié)點(diǎn)總數(shù)221 565。計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 三維數(shù)值計(jì)算模型

為了計(jì)算簡便,對工程實(shí)際進(jìn)行一定簡化,在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)統(tǒng)一采用C25噴射混凝土+鋼格柵的形式作為初期支護(hù),C25噴射混凝土+鋼拱架的形式作為臨時(shí)支撐[18]。其中連拱段主線初期支護(hù)噴層厚度為26 cm,連拱段匝道初期支護(hù)噴層厚度為24 cm,大跨度段初期支護(hù)噴層厚度為30 cm。最后,依據(jù)等效原則將鋼格柵和鋼拱架折算為C25混凝土一同考慮,折算公式為

(1)

式中:Ec為C25混凝土噴層彈性模量;Sc為C25混凝土噴層每米的截面積;Eg為格柵鋼拱架的彈性模量;Sg為單位長度范圍內(nèi)格柵鋼拱架的截面積。

根據(jù)隧道勘探資料、施工圖設(shè)計(jì)資料以及相關(guān)的規(guī)范,確定三維計(jì)算模型圍巖、中隔墻、支護(hù)等參數(shù)見表1。其中Ⅳ級圍巖的黏聚力c和摩擦角φ分別取0.35 MPa和32°。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3 連拱轉(zhuǎn)超大跨度變斷面處臨時(shí)支護(hù)方法優(yōu)化分析

3.1 臨時(shí)支護(hù)優(yōu)化方法

在隧道連拱段轉(zhuǎn)大跨段過程中,即小斷面轉(zhuǎn)為大斷面,涉及施工工序的轉(zhuǎn)換,因此在施工過程中風(fēng)險(xiǎn)將大大提高。從現(xiàn)有的施工技術(shù)方面,適用于隧道小斷面轉(zhuǎn)為大斷面的開挖方法一般為反向開挖[19-20],即隧道連拱段主線右側(cè)上臺階向前擴(kuò)挖至隧道大跨段中,然后沿大跨段橫向方向開挖形成臨空面,直至上臺階全部開挖完畢,在此過程中每進(jìn)行一步要同時(shí)布設(shè)臨時(shí)支撐及初期支護(hù),完成支護(hù)后向下開挖該循環(huán)及反向開挖連拱段剩余部分。為考慮該過程中的施工安全問題,在橫向開挖過程中涉及臨時(shí)支撐的布置與拆除,但還要同時(shí)兼顧施工便利性及施工進(jìn)度。因此,采用FLAC3D開展數(shù)值模擬研究,以開挖過程中臨時(shí)支撐是否隨開挖步拆除作為兩種開挖支護(hù)方案,對比分析隧道變斷面開挖過程中圍巖位移和圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律,為連拱轉(zhuǎn)超大跨度隧道的工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和指導(dǎo)。兩種開挖支護(hù)方案模型對比如圖5所示。

為研究臨時(shí)支撐隨開挖步拆除與保留分別對隧道圍巖擾動的影響,選取典型部位應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行比較分析。以隧道大跨段1第一循環(huán)中間位置作為目標(biāo)斷面,取拱頂,仰拱,左、右邊墻共4個節(jié)點(diǎn)。

3.2 圍巖位移對比分析

3.2.1 豎向位移對比分析

從圖6可知,臨時(shí)支撐隨開挖步拆除或保留兩種臨時(shí)支護(hù)方法的觀測斷面拱頂沉降均急劇下降。隧道連拱段開挖至大跨段上臺階右半部后,二者對應(yīng)的拱頂位移均下降,但差值不大;而在上臺階左半部開挖至該斷面結(jié)束時(shí),二者差值逐漸變大。當(dāng)臨時(shí)支撐拆除時(shí),拱頂沉降先大幅增加后趨于穩(wěn)定,當(dāng)保留臨時(shí)支撐時(shí),拱頂沉降量相對較小,后續(xù)開挖保持在一定水平,二者拱頂沉降差值穩(wěn)定在約7.4 mm。當(dāng)該斷面開挖結(jié)束且初期支護(hù)閉合成環(huán)時(shí),保留臨時(shí)支撐的拱頂處圍巖輕微沉降,拱頂沉降最終穩(wěn)定在23.5 mm,拆除臨時(shí)支撐的最終拱頂沉降為27.8 mm,相對前者增加了18.3%。隧道大跨段反向開挖直至該斷面初期支護(hù)閉合成環(huán)時(shí),兩種方法的拱頂沉降速率均明顯增加,并在隧道中臺階和下臺階的開挖中趨于穩(wěn)定。

圖6 拱頂沉降曲線

由圖7可知,兩種支護(hù)方法的觀測斷面仰拱隆起規(guī)律均呈現(xiàn)不同程度上升趨勢。隧道大跨段上臺階和中臺階開挖結(jié)束后,臨時(shí)支撐的拆除與保留兩種方式對應(yīng)的仰拱位移均呈現(xiàn)上升趨勢,但二者差值不大;下臺階開挖直至整個斷面封閉成環(huán),兩種支護(hù)方法的仰拱隆起均呈現(xiàn)急劇增大的趨勢,保留臨時(shí)支撐的仰拱隆起發(fā)生在拆除臨時(shí)支撐階段,仰拱最終隆起量為64.3 mm,拆除臨時(shí)支撐的仰拱隆起發(fā)生在下臺階右半部開挖過程中,仰拱最終隆起量為67.2 mm,相較于保留臨時(shí)支撐增大了4.5%。

圖7 仰拱隆起曲線

3.2.2 邊墻水平收斂對比分析

由圖8和圖9可知,觀測斷面左、右邊墻的水平收斂規(guī)律在臨時(shí)支撐拆除或保留兩種支護(hù)方法下基本一致。對于左邊墻收斂的對比分析:隧道連拱段向前擴(kuò)挖至隧道大跨段上臺階右半部后,兩種方法的水平收斂略有不同,但差值不大;上臺階左半部開挖后,拆除臨時(shí)支撐的左邊墻水平收斂變化較小,保留臨時(shí)支撐的水平收斂呈下降趨勢,二者差值逐漸增大;初期支護(hù)閉合成環(huán)后,臨時(shí)支撐拆除的過程中,水平收斂急劇增大,變化了4.71 mm;該斷面開挖支護(hù)結(jié)束后,保留臨時(shí)支撐的左邊墻最終水平收斂值為9.96 mm,拆除臨時(shí)支撐的左邊墻最終水平收斂值為9.87 mm,相較于保留臨時(shí)支撐的方式減小了0.9%。對于右邊墻的收斂對比分析:隧道連拱段向前擴(kuò)挖至隧道大跨段上臺階開挖結(jié)束后,兩種方法的右邊墻水平收斂呈輕微減小后緩慢增大的趨勢,中臺階開挖結(jié)束后二者差值逐漸增大,臨時(shí)支撐拆除的方法水平收斂逐漸增大,保留臨時(shí)支撐的方法水平收斂浮動較小;初期支護(hù)閉合成環(huán)后,臨時(shí)支撐拆除的開挖過程中,水平收斂急劇增大,變化了5.64 mm;該斷面開挖支護(hù)結(jié)束后,保留臨時(shí)支撐的右邊墻最終水平收斂值為11.41 mm,拆除臨時(shí)支撐的右邊墻最終水平收斂值為10.64 mm,相較于保留臨時(shí)支撐減小了6.7%。

圖8 左邊墻水平收斂曲線

圖9 右邊墻水平收斂曲線

臨時(shí)支撐在反向開挖過程中的拆除與保留對隧道變斷面的圍巖擾動存在明顯的影響作用,采用不同的臨時(shí)支護(hù)方式,變截面處的圍巖位移有所不同。由數(shù)值模擬分析的結(jié)果可知,在開挖過程中保留臨時(shí)支撐,拱頂處圍巖沉降相對較小,但邊墻處水平收斂會相對增大;拆除臨時(shí)支撐時(shí),拱頂處圍巖沉降相對較大,但邊墻處水平收斂相對減小,且邊墻處水平收斂變化更為明顯。

3.3 圍巖最大主應(yīng)力對比分析

由圖10可知,隧道連拱段開挖至大跨段上臺階右半部后,拆除臨時(shí)支撐的拱頂最大主應(yīng)力緩慢減小,保留臨時(shí)支撐的則呈增大趨勢;隧道大跨段上臺階左半部開挖時(shí),由于拆除臨時(shí)支撐,拱頂最大主應(yīng)力迅速釋放,剩余導(dǎo)洞開挖最大主應(yīng)力基本穩(wěn)定,而保留臨時(shí)支撐的拱頂最大主應(yīng)力減小幅度較小;當(dāng)該斷面開挖結(jié)束及初期支護(hù)閉合成環(huán)后,隨開挖拆除臨時(shí)支撐的拱頂最大主應(yīng)力突然釋放并穩(wěn)定在0.353 MPa,而保留臨時(shí)支撐的最大主應(yīng)力最終穩(wěn)定在0.359 MPa,隨開挖步拆除臨時(shí)支撐的最大主應(yīng)力變化率較大。

圖10 拱頂最大主應(yīng)力曲線

通過圖11仰拱處圍巖最大主應(yīng)力對比分析發(fā)現(xiàn),兩者的仰拱處最大主應(yīng)力在隧道連拱段向前擴(kuò)挖直至隧道大跨段中臺階開挖結(jié)束后均呈現(xiàn)緩慢減小趨勢;開挖下臺階導(dǎo)洞后兩種方案變化趨勢相同,仰拱最大主應(yīng)力均得到釋放,但二者差值逐漸增大;初期支護(hù)閉合成環(huán)直至拆除臨時(shí)支撐,仰拱處最大主應(yīng)力持續(xù)釋放并最終穩(wěn)定在0.261 MPa,拆除臨時(shí)支撐的仰拱處最大主應(yīng)力最終穩(wěn)定在0.236 MPa,從總體變化趨勢上看開挖過程中保留臨時(shí)支撐的最大主應(yīng)力變化率較大。

圖11 仰拱最大主應(yīng)力曲線

通過圖12左邊墻處圍巖最大主應(yīng)力對比分析發(fā)現(xiàn),兩者的左邊墻處最大主應(yīng)力在隧道連拱段向前擴(kuò)挖直至隧道大跨段上臺階開挖結(jié)束后均為緩慢減小的趨勢。當(dāng)隧道大跨段中臺階左半部開挖后,保留臨時(shí)支撐的最大主應(yīng)力基本保持不變,拆除臨時(shí)支撐的最大主應(yīng)力增大,剩余導(dǎo)洞開挖兩種方法的最大主應(yīng)力變化幅度較大但總體呈現(xiàn)增大趨勢;當(dāng)該斷面開挖結(jié)束及初期支護(hù)閉合成環(huán)后,在拆除臨時(shí)支撐過程中左邊墻處最大主應(yīng)力急劇增大并最終穩(wěn)定在0.322 MPa,保留臨時(shí)支撐左邊墻的最大主應(yīng)力最終穩(wěn)定在0.323 MPa。

圖12 左邊墻最大主應(yīng)力曲線

通過圖13右邊墻處圍巖最大主應(yīng)力對比分析發(fā)現(xiàn),兩者的右邊墻處最大主應(yīng)力在隧道連拱段向前擴(kuò)挖直至隧道大跨段中臺階左半部開挖結(jié)束后均呈現(xiàn)先減小后趨于平穩(wěn)的趨勢。開挖中臺階右半部導(dǎo)洞后,保留臨時(shí)支撐的最大主應(yīng)力基本保持不變,拆除臨時(shí)支撐的最大主應(yīng)力急劇增大;開挖下臺階導(dǎo)洞直至初期支護(hù)閉合成環(huán)后,拆除臨時(shí)支撐過程中左邊墻處最大主應(yīng)力急劇增大并最終穩(wěn)定在0.253 MPa,保留臨時(shí)支撐右邊墻的最大主應(yīng)力最終穩(wěn)定在0.249 MPa。

圖13 右邊墻最大主應(yīng)力曲線

3.4 變斷面開挖工序轉(zhuǎn)換建議

通過對比兩種開挖支護(hù)方法發(fā)現(xiàn),開挖過程中保留臨時(shí)支撐圍巖所受擾動更小,圍巖應(yīng)力變化浮動較小,施工過程更為安全。但由于變斷面開挖過程中其空間相對封閉,橫向開挖過程中機(jī)械及人工無法通過臨時(shí)支撐開挖下一個導(dǎo)洞,從而造成施工的不便利性。為兼顧施工安全及施工便利,建議在橫向開挖支護(hù)過程中布設(shè)門式拱架,既可以保證門式拱架在隧道橫向開挖過程中發(fā)揮其支撐作用,減少上覆圍巖所受開挖擾動影響,實(shí)現(xiàn)施工工序的轉(zhuǎn)換,又方便人工及大型機(jī)械施工[21-22]。

由連拱隧道主線右側(cè)上臺階導(dǎo)洞進(jìn)入大跨右側(cè)上臺階開挖,架設(shè)大跨護(hù)拱拱架及臨時(shí)拱架,縱向開挖長度約5 m。然后在導(dǎo)洞內(nèi)架設(shè)門式拱架,替換臨時(shí)拱架,不再向縱向開挖支護(hù)。拆除臨時(shí)拱架,橫向開挖大跨圍巖并架設(shè)門式拱架并支護(hù),門式拱架高于大跨正常拱架,直至大跨邊緣。在門式拱架下架設(shè)護(hù)拱拱架、第1層及第2層拱架。門式拱架橫梁采用HW200×204型鋼拱架,長度5 m,門腿采用I25a工字鋼,高度視隧道臨空面高度而定,門式拱架施工間距為0.5 m。門式拱架安裝與布置圖及具體施工工序轉(zhuǎn)換如圖14、表2所示。

表2 連拱轉(zhuǎn)超大跨度隧道之間工序轉(zhuǎn)換

圖14 門式拱架安裝與布置

4 超大跨度變斷面處開挖工序優(yōu)化分析

4.1 開挖工序優(yōu)化方法

隧道開挖過程中,圍巖應(yīng)力受開挖擾動從而應(yīng)力重分布,該過程將影響應(yīng)力應(yīng)變過程,不同的開挖方法也會影響隧道施工的安全性和穩(wěn)定性。因此,選擇合理的開挖工序,不僅會對施工進(jìn)程、效率帶來相對的提高,也能保障施工安全。參考類似超大斷面隧道的工程經(jīng)驗(yàn)以及各種施工方案的優(yōu)缺點(diǎn)[23-25],超大跨度隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑+CRD法施工。為保證施工安全及提高施工進(jìn)度,在原開挖工序的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,并結(jié)合FLAC3D開展數(shù)值模擬研究,分析開挖過程中圍巖變形、應(yīng)力變化變化規(guī)律,并對兩種施工方案的數(shù)值計(jì)算結(jié)果展開對比分析,為超大斷面隧道的施工提供參考和指導(dǎo)。

原施工工序具有安全性高、圍巖所受擾動較小等優(yōu)點(diǎn),但也存在施工難度高和施工速度慢等一定的局限性。因此在保證施工安全的基礎(chǔ)上,為了提高施工效率,對原本設(shè)計(jì)的施工工序進(jìn)行一定的調(diào)整,即在保持大跨隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況,先采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工兩側(cè)導(dǎo)坑,再采用CRD法開挖隧道中部導(dǎo)坑,在隧道初期支護(hù)成環(huán)后,根據(jù)監(jiān)測情況依次拆除臨時(shí)支撐并施作二襯支護(hù)。原施工工序與優(yōu)化后施工工序?qū)Ρ热鐖D15所示。

圖15 開挖工序?qū)Ρ?/p>

為對比分析原方案與優(yōu)化方案對圍巖應(yīng)力和位移影響,通過模擬超大跨度隧道原方案和優(yōu)化方案的開挖過程,以隧道大跨段(一)第二循環(huán)中間位置作為目標(biāo)斷面,取拱頂、左右邊墻、仰拱共4個節(jié)點(diǎn)的圍巖應(yīng)力和位移進(jìn)行對比分析。

4.2 圍巖位移對比分析

4.2.1 豎向位移對比分析

由圖16和圖17可知,采用兩種不同的開挖工序,監(jiān)測斷面的拱頂沉降和仰拱隆起規(guī)律基本保持一致。在原開挖工序下,拱頂沉降和仰拱隆起主要發(fā)生在開挖斷面經(jīng)過監(jiān)測斷面的過程中,并且隨著開挖斷面的推進(jìn),拱頂沉降和仰拱隆起基本保持穩(wěn)定。在優(yōu)化開挖工序下,拱頂沉降和仰拱隆起主要發(fā)生在中巖墻開挖過程中。對于拱頂沉降,在兩種工序下,無論是否拆除臨時(shí)支撐,優(yōu)化開挖工序都表現(xiàn)出比原開挖工序更小的拱頂沉降量。相較于原開挖工序,優(yōu)化開挖工序的拱頂最終沉降值減小了8.60%。對于仰拱隆起,在兩種工序下,無論是否拆除臨時(shí)支撐,優(yōu)化開挖工序也顯示出比原開挖工序更小的仰拱隆起值。相較于原開挖工序,優(yōu)化開挖工序的仰拱最終隆起值減小了4.01%。

圖16 拱頂沉降曲線

圖17 仰拱隆起曲線

綜上所述,通過對比分析,優(yōu)化開挖工序可以有效減小監(jiān)測斷面的拱頂沉降和仰拱隆起量,提高施工的安全性和穩(wěn)定性。

4.2.2 邊墻水平位移對比分析

由圖18和圖19可知,在采用不同的開挖工序時(shí),監(jiān)測斷面水平收斂的規(guī)律基本一致。采用原開挖工序時(shí),水平收斂主要發(fā)生在開挖斷面經(jīng)過該監(jiān)測斷面過程中,并且隨著開挖斷面的推進(jìn)該監(jiān)測斷面水平收斂基本保持平穩(wěn),各個導(dǎo)洞貫通后,左、右邊墻水平收斂穩(wěn)定在25 mm左右,拆除臨時(shí)支撐后,水平收斂值最終穩(wěn)定在42～44 mm。在采用優(yōu)化開挖工序時(shí),水平收斂主要發(fā)生在中巖墻開挖過程中,各個導(dǎo)洞貫通后左、右邊墻水平收斂穩(wěn)定在19 mm左右,拆除臨時(shí)支撐后,水平收斂值最終穩(wěn)定在35～40 mm。從整體變化趨勢上看,無論是拆除臨時(shí)支撐之前還是之后,優(yōu)化開挖工序的水平收斂始終小于原開挖工序,相較于原開挖工序,左邊墻優(yōu)化開挖工序的最終水平收斂值減小了9.42%,右邊墻優(yōu)化開挖工序的最終水平收斂值減小了16.70%。

圖18 左邊墻水平收斂曲線

圖19 右邊墻水平收斂曲線

4.3 圍巖應(yīng)力對比分析

通過圖20各測點(diǎn)圍巖應(yīng)力變化對比可知,不論是原開挖工序還是優(yōu)化開挖工序,拱頂和仰拱處圍巖豎向應(yīng)力均得到釋放,原工序在開挖過程中圍巖應(yīng)力釋放趨勢更為明顯;邊墻處圍巖應(yīng)力均呈現(xiàn)增大的趨勢,原工序在開挖過程中圍巖應(yīng)力增大趨勢更為明顯。就總體圍巖應(yīng)力變化特征來看,優(yōu)化開挖工序的圍巖應(yīng)力變化趨勢相對平穩(wěn),圍巖所受開挖擾動相對較小。

4.4 變斷面開挖工序轉(zhuǎn)換建議

通過對比兩種開挖工序發(fā)現(xiàn),相對于原工序,優(yōu)化開挖工序的拱頂最終沉降值減小了8.60%,仰拱最終隆起值減小了4.01%,左邊墻和右邊墻最終水平收斂值分別減小了9.42%和16.70%,且優(yōu)化開挖方案的各測點(diǎn)圍巖應(yīng)力變化均相對較小。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對比可以看出,兩種開挖方法在工序接替次數(shù)上基本一致,但優(yōu)化工序在開挖過程中圍巖所受擾動更小,圍巖應(yīng)力變化浮動較小,更有利于隧道及其支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。因此建議采用優(yōu)化開挖工序:先開挖隧道兩側(cè)導(dǎo)洞,保留隧道中部巖土體,根據(jù)圍巖監(jiān)測情況最后開挖中部巖土體。

5 結(jié)論

結(jié)合七子山隧道工程實(shí)際,通過數(shù)值模擬分析對不同工況下的圍巖應(yīng)力、圍巖位移進(jìn)行了對比分析,對連拱轉(zhuǎn)超大跨度隧道變斷面處施工工序和超大跨度隧道施工工法進(jìn)行了優(yōu)化,以指導(dǎo)施工,得到了以下結(jié)論。

(1)對連拱轉(zhuǎn)超大跨度段臨時(shí)支撐是否隨開挖步拆除,及超大跨度段開挖工序是否優(yōu)化進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)圍巖位移和圍巖應(yīng)力均存在明顯差異。

(2)連拱轉(zhuǎn)超大跨度隧道在施工斷面封閉成環(huán)前保留臨時(shí)支撐圍巖所受擾動更小,施工過程更為安全,但由于變斷面開挖過程中其空間相對封閉,從而造成施工的不便利性,因此建議在橫向開挖支護(hù)過程中布設(shè)門式拱架,既可以減少上覆圍巖所受開挖擾動影響,實(shí)現(xiàn)施工工序的轉(zhuǎn)換,又方便人工及大型機(jī)械施工。

(3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對比可以看出,超大跨度隧道兩種開挖步序在工序接替次數(shù)上基本一致,但優(yōu)化開挖工序在開挖過程中圍巖所受擾動更小,圍巖應(yīng)力變化浮動較小,因此建議采用優(yōu)化方案先開挖隧道兩側(cè)導(dǎo)洞,保留隧道中部巖土體,根據(jù)圍巖監(jiān)測情況最后開挖中部巖土體。

(4)重點(diǎn)研究了隧道連拱段轉(zhuǎn)大跨段1、大跨段1轉(zhuǎn)大跨段2兩處截面跨度的改變對圍巖的影響,未針對超大跨度隧道在多次斷面跨度改變下的圍巖應(yīng)力和變形規(guī)律進(jìn)行研究。同時(shí)只對左線隧道的變斷面開挖過程進(jìn)行了研究,未考慮右線隧道開挖的相互影響。后期可以對雙線隧道同時(shí)開挖時(shí)圍巖應(yīng)力和變形的相互作用進(jìn)行研究。