城市隧道施工過程結構分析研究

李文劍

（中山市住房和城鄉建設局，廣東 中山 528400）

城市隧道施工過程結構分析研究

李文劍

（中山市住房和城鄉建設局，廣東 中山 528400）

以實際隧道工程為研究背景，針對此工程中穿越淺埋地段復雜多變的地質情況：粉質黏土層與軟弱破碎V級圍巖，采用有限元軟件進行結構分析，通過有限元數值模擬分析隧道臺階法動態施工過程。在此基礎上，分別對留核心土臺階法的臺階高度與初期噴錨網支護結構作為研究對象，對比不同的上臺階開挖高度、錨桿長度、網噴混凝土厚度情況下圍巖的力學特征。根據數值模擬結果及規律，提出該淺埋偏壓軟弱圍巖段隧道的合理的設計支護參數及施工對策。研究結果直接指導該隧道施工過程和支護措施的改進優化與設計控制措施，較好地解決工程實際問題。可為隧道后續設計和施工或類似穿越淺埋軟弱圍巖等復雜地層條件下隧道施工過程及超前注漿孔的合理布置提供理論支持。

隧道工程；臺階法；數值模擬；施工對策

0　引　言

位于城市中的交通隧道,它在發揮縮短行車里程、提高交通效益作用的同時,對于優化城市路網、改善道路通行條件等方面將給城市建設帶來更大的社會效益。針對中山市某隧道工程建設，對城市隧道的施工過程進行數值模擬分析，確定了合理的隧道施工步驟和支護結構設計參數[1-11]。

1　工程概況

以廣東省中山市某隧道工程建設為工程背景。隧道全長約400 m。其中洞身段穿越復雜越軟弱破碎的山體表層粉質黏土，且該層土質不均勻夾有卵、礫石，最小埋深僅為18 m。該破碎段隧道圍巖級別為V級，系泥盆系中統石英片巖，巖體較破碎，節理裂隙發育，局部見有碎裂巖、斷層角礫，圍巖整體穩定性差。為小凈距淺埋偏壓軟弱圍巖隧道工程。為方便研究，取該段破碎軟弱圍巖段為典型區段進行研究。

2　隧道施工工法

隧道采用臺階法施工。施工步驟見圖1。第1步，導坑上臺階開挖。環向開挖導坑上臺階，預留核心土。上臺階開挖高度不小于開挖跨度的0.3倍。開挖循環進尺不超過1.5 m。上臺階核心土長度(隧道縱向)3～5 m，高度為1.5～2.5 m，寬度為上臺階開挖跨度的1/3～1/2。開挖后應立即施作初期支護,在拱部初期支護完成后進行下道工序。

圖1　施工步驟示意圖

第2步，左右兩側中臺階開挖:開挖時左右應錯開2～3 m,最大進尺1.5 m，開挖高度為隧道總開挖高度(不含仰拱)減去上臺階開挖高度后除以2。開挖后立即施作初期支護。

第3步，下臺階左右兩側開挖:開挖時應錯開,最大1.5 m，開挖后及時施作初期支護。

第4步，開挖預留的核心土：分別開挖上、中、下臺階預留的核心土，開挖進尺與各臺階循環進尺一致。

第5步，隧道底部開挖：每循環開挖進尺與上、中、下臺階一致，開挖后及時施作初期支護。

3　有限元分析

3.1三維計算模型及參數

計算采用摩爾庫倫理論本構模型有限元軟件建立三維數值模擬。選取典型隧道區段模擬長、寬為120 m范圍地形。邊界條件為：前、后、左、右邊界施加水平方向約束，底面限制垂直位移，頂面為自由面。根據該工程水文條件地下水不發育故不考慮地下水的影響；假定錨噴初期支護體系承擔100%地應力及施工階段荷載，不考慮巖體變形的時間效應。初始應力僅考慮自重應力場的影響。根據隧道現場情況和工程地質勘察報告取計算參數。

3.2隧道施工荷載施加步驟

結合該隧道施工過程，在初期自重應力場下進行開挖。模型考慮模擬地應力釋放和初期支護及噴射混凝土的硬化時間效應和空間效應，施工時荷載的施加步驟見表1。

表1　隧道施工加荷步驟

4　支護結構及對策

重點對典型段穿越粉質黏土的近接施工過程參數做深入研究。分別以留核心土臺階法的臺階高度與初期噴錨網支護結構作為研究對象，根據數值模擬結果對比不同的上臺階開挖高度及支護結構，進而對隧道設計參數進行優化設計。在此基礎上，提出隧道施工階段的支護結構施工對策。

4.1臺階開挖高度

在超前支護、施工步距等相同的施工條件下對比不同上臺階開挖高度所形成“毛洞”時對隧道沉降的影響，見圖2。

圖2　臺階開挖高度影響

4.2錨桿長度

在上臺階開挖高度4.5 m的施工條件下對比錨桿長度對沉降與拱頂位移變化影響，見圖3。

圖3　錨桿長度的影響

4.3網噴混凝土厚度

在超前支護、施工步距、開挖方案、3.5 m錨桿類型相同的施工條件下對比不同網噴混凝土厚度對拱頂位移和洞周收斂的變化影響，見圖4。

圖4　網噴混凝土厚度影響

4.4支護對策

隧道開挖后應及時進行支護，以減少圍巖的暴露時間,不同的圍巖地段，分別按不同的復合支護參數，采用不同的支護類型。初期支護包括素噴混凝土和噴射鋼纖維混凝土、中空注漿錨桿和超前砂漿錨桿及基礎加固砂漿錨桿,以及鋼拱架支撐與管棚等。

（1）洞口超前管棚施工

隧道進、出口端均為軟弱破碎圍巖地段，采用長管棚預支護。長管棚采用熱扎無縫鋼管Ф108 mm，壁厚6 mm，節長4 m及6 m，潛孔鉆機鉆孔，先施工有孔鋼花管，進行注漿后，再施作無孔鋼管并壓注砂漿。打設長管棚后，利用鋼管的強度和剛度加強支護，注漿固結圍巖后，在拱圈外形成防水帷幕進行防水，增強圍巖的自承能力。

（2）超前小導管與中空注漿錨桿

V級圍巖設小導管超前支護,其中級圍巖小導管環向間距為50 cm，級圍巖小導管環向間距為40 cm。中空錨桿用風鉆打眼至設計深度，再用風鉆將中空錨桿送入到鉆孔中，安裝止漿塞進行注漿。然后將環向錨桿、超前錨桿尾部和型鋼拱焊接為一體，噴鋼纖維混凝土至設計厚度。中墻基礎及邊墻基礎混凝土澆注前，按圍巖復合支護參數，打設基礎加固砂漿錨桿。

（3）噴射混凝土及鋼拱架施工

隧道臺階開挖后，及時噴射一層素混凝土，然后噴射鋼纖維混凝土，表層噴1～1.5 cm素混凝土，封閉開挖面。安裝時注意控制兩拱腳標高、拱頂標高及兩側拱腰，尤其在圍巖破碎超挖較多處注意檢核拱腰位置是否準確，防止個別聯接板未密貼造成拱腰處一側欠挖另一側超挖出現。

5　結　論

（1）鑒于此隧道控制段圍巖為軟弱破碎的V級圍巖，因此本工程中應以防止地層塌方為核心。上臺階的合理開挖高度是重要參數，控制段隨著開挖高度從3.5～5.5 m的增加洞周收斂和拱頂位移均呈增大趨勢，尤其洞周收斂較為明顯。適當控制臺階開挖高度有利于地層穩定，但當臺階開挖高度過小時影響后續工序。

（2）通過對比錨桿長度的變化對底層影響是比較明顯的，隨錨桿長度的增加，沉降成折現形式變化，起初隨錨桿長度的增加變形圍巖變形減小。但是當長度超過3.5 m時，控制作用不明顯。錨桿長度為3.5 m時能打入巖體的穩定區域此時最有有效控制圍巖變形，這時圍巖變形最小，有利于圍巖松動圈的控制。

（3）初期支護中網噴混凝土支護結構在15～ 25 cm時對圍巖的沉降控制不明顯，隨著網噴混凝土的厚度的增加，圍巖的沉降也會減小，但是幅度較小。因此，可以通過適當的減少初期支護中網噴混凝土的厚度，以達到降低成本，縮短工期的效果。采用15 cm的網噴混凝土厚度也能夠達到穩定圍巖的目的。

（4）加強支護結構施工對策可以采取：縮短隧道開挖進尺，加強初支結構強度，采取超前預加固措施、特殊地段地表處理等施工方法。施工過程中超前地質預報報告結果與設計要及時進行對比，及時調整臺階長度或施工方法，適時對初期支護參數和二次襯砌厚度進行調整。

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TU997

A

1009-7716（2016）04-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.043

2015-28-28

李文劍（1985-），男，廣東中山人，工程師，從事橋梁與隧道工程方面的研究工作。