公路隧道軟弱圍巖臺階施工方案優化研究

2014-09-04 01:11:00陳山泉

四川建筑 2014年5期

陳山泉

(中冶賽迪建筑市政設計有限公司市政所，重慶 400013)

目前，為了提高施工速度，在軟弱圍巖中，大部分兩車道公路隧道仍采用上下臺階法施工，其施工工藝是先開挖上半斷面，待開挖至一定長度后同時開挖下半斷面，上、下半斷面同時并進的施工方法。該開挖法的優點是可以有足夠的工作空間和較快的施工速度，但上、下部作業有干擾；臺階開挖雖增加了對圍巖的擾動次數，但臺階有利于開挖面的穩定，尤其是上部開挖支護后，下部作業就較為安全[1-4]。

有的施工單位從機械、工期等因素出發，在Ⅳ、Ⅴ級圍巖級施工中，上半斷面開挖高度及上下臺階之間的長度取值均不同，從而在一些工程中造成上臺階掌子面失穩等安全事故的發生，如丹通高速公路某隧道由于上臺階高度過大而發生掌子面坍塌。

因此，進行臺階法主要施工參數的研究有保證隧道施工安全，提高隧道施工質量與速度；減少建設投資，節約成本等工程意義。根據丹通高速公路施工現場可知，全線隧道在Ⅳ、Ⅴ級圍巖開挖過程中均采用上下臺階法施工，為指導現場施工，本文以該項目的錯草溝隧道為依托工程進行此類問題的研究。

1 研究方法

目前對隧道工程的研究手段主要有室內相似模型試驗、現場監測及數值計算。針對本文的研究內容，考慮時間的緊迫性、內容的重復性及成本低廉性等，本次選用數值計算作

為研究手段。本次選取錯草溝隧道丹東段洞口進行計算分析，該洞口圍巖主要為強風化～中風化礫巖，屬Ⅳ～Ⅴ級圍巖，計算中按實際埋深進行建模分析。根據有限元理論，其建模思路如下：

(1)圍巖采用摩爾庫侖準則，采用平面應變(實體)單元模擬；

(2)隧道初期支護采用梁(殼)單元模擬；

(3)為了分析圍巖在最不利情況的穩定性，本次計算不考慮二次襯砌的作用；

(4)為了考慮管棚等超前支護的作用，本次采用等代層進行模擬，即采用剛度等效原則，其強度參數按《公路隧道設計規范》JTG D70-2004的建議，提高30 %考慮[5]；

(5)在計算中，只考慮各臺階底部鎖腳錨桿的作用，其它系統錨桿未考慮，作為安全儲備；

(6)為了減小邊界條件對計算的影響，模型左右和下邊界各取隧道洞徑的三倍，上邊界取至地面；

(7)隧道左右邊界進行水平約束，底邊采用豎向約束，頂面自由；

(8)計算荷載為自重；

(9)上臺階計算模擬開挖步驟為：①上臺階開挖→②上臺階支護→③下臺階開挖→④下臺階支護。

隧道圍巖的計算參數根據《公路隧道設計規范》JTG D70-2004建議值選取，如表1所示[5]。

表1 錯草溝隧道丹東洞口段力學計算參數

根據以上建模方法，可建立該隧道計算模型(圖1)。

(a)上臺階開挖高度計算模型

(b)臺階之間長度計算模型圖1 有限元分析模型

2 上臺階合理開挖高度分析

為了計算不同上臺階開挖高度對圍巖變形的影響，本次對Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別計算了4種不同開挖高度的工況，即上臺階開挖高度分別為3 m、4 m、5 m、6 m。根據上述計算模型，可計算出不同上臺階開挖高度下的圍巖變形情況，計算結果見圖2、圖3所示。

2.1 Ⅳ級圍巖開挖時變形規律

從圍巖拱頂沉降、周邊位移及拱腳沉降分析可知，對于Ⅳ級圍巖，圍巖變形隨上臺階開挖高度的變形規律主要為：

(1)雖然隧道開挖完成后，各計算工況的拱頂沉降最終相同，但上臺階開挖高度為5 m時，拱頂沉降在下臺階開挖之前，該工況拱頂沉降值最大。

(2)通過周邊收斂數據分析，當上臺階開挖高度為5 m時，周邊收斂最大。

(3)拱腳位移隨上臺階開挖高度的增加，最終沉降值呈減小趨勢，其減小幅度尤其為上臺階開挖高度為5 m時最為明顯。

(4)當上臺階開挖高度為6 m時，隧道上臺階開挖至下臺階初支施做，各位移指標增值幅度最小，即圍巖的應力增量最小，并且各位移指標均在允許范圍內。

因此，對于Ⅳ級圍巖，推薦上臺階開挖高度為6 m，即扁平率宜在0.5～0.58之間。

(a)拱頂沉降隨開挖高度變化曲線

(b)周邊收斂隨開挖高度變化曲線

(c)拱腳沉降隨開挖高度變化曲線圖2 Ⅳ級圍巖變形隨上臺階開挖高度H的變化曲線圖

2.2 Ⅴ級圍巖開挖時變形規律

(1)雖然隧道開挖完成后，拱頂沉降最終值幾乎相同，但隨著上臺階開挖高度的增加，拱頂沉降呈增加趨勢。

(2)根據周邊收斂曲線可知，當上臺階開挖高度為4 m時，周邊收斂最小，當上臺階開挖高度超過4 m時，呈線性增長趨勢。

(3)拱腳位移隨上臺階開挖高度的增加，在上臺階開挖完成后至下臺階開挖前，沉降值均呈減小趨勢。

綜合以上分析，考慮施工機械作業空間，對于Ⅴ級圍巖，推薦上臺階開挖高度為4 m，但其拱腳沉降值較明顯，因此，應做好上臺階的鎖腳錨管(束)的質量。根據其塑性區分布可知，塑性區在上下臺階交接處最大，約3 m，因此，錨桿及鎖腳錨管(束)的長度不得低于4 m。

3 上下臺階間合理長度的確定

對于軟弱圍巖，采用臺階法施工時，其臺階長度、掌子面擠出效應及支護封閉時機是影響隧道施工安全的重要因素之一。因此，本文通過三維有限元模型計算分析Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，不同上下臺階之間的長度對掌子面穩定的影響。根據圖2計算模型，可計算出在上述最佳上臺階開挖高度情況下，掌子面擠出及圍巖橫向變形效應的結果，具體見表2、圖4、圖5所示。