新意法在野豬山隧道施工中的應(yīng)用研究

王克忠，朱海斌，孔令民，梁其東，張海軍

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.日照市供水管理處，山東 日照 276800)

新意法在野豬山隧道施工中的應(yīng)用研究

王克忠1，朱海斌1，孔令民2，梁其東2，張海軍1

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.日照市供水管理處，山東 日照 276800)

為探討新意法在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工中的可行性，依托具體工程，對山嶺隧洞出口段進行了數(shù)值仿真分析，研究了新意法和臺階法開挖時掌子面的縱向內(nèi)空變形和應(yīng)力變化規(guī)律，預(yù)測了沿隧道軸線方向拱頂沉降的時空變化規(guī)律，對比分析了隧道不同開挖、臨時加固方式對掌子面大變形、失穩(wěn)的影響，得出了掌子面中部易失穩(wěn)，新意法施工可有效抑制掌子面變形的結(jié)論，對同類隧道工程研究具有一定的理論意義，并對工程實踐具有重要參考價值.

新意法；臺階法；掌子面；數(shù)值模擬

山嶺隧道出口段圍巖破碎，在隧道開挖后，掌子面應(yīng)力解除，圍巖應(yīng)力重分布[1]，隧道出口段坍塌、冒頂和掌子面失穩(wěn)等現(xiàn)象時常發(fā)生.多年來，國內(nèi)外一些專家、學(xué)者采用解析法、模型試驗法和經(jīng)驗公式法等[2]對隧道出口段開展了大量研究.周藝等[3]以現(xiàn)場試驗結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合數(shù)值仿真模擬，對比分析了隧道在不同開挖方法下的圍巖變形特征、初期支護和二襯的內(nèi)力變化規(guī)律.趙錄學(xué)[4]依據(jù)新意法原理，對特殊工程環(huán)境下隧道選線、支護參數(shù)的優(yōu)化和施工方案進行了探討，為新意法在我國的推廣應(yīng)用提供了借鑒.國內(nèi)外參考文獻表明，國內(nèi)學(xué)者利用新意法的理論，對超前預(yù)加固在軟巖淺埋隧道施工的作用進行了研究[5-7]，但未能全面闡釋施工中圍巖力學(xué)與變形規(guī)律.筆者依托野豬山隧道工程，采用有限元軟件Midas/GTS對新意法和臺階法的施工過程進行了數(shù)值仿真計算，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析了兩種施工方法在淺埋軟弱地層中的適用性，為今后同類工程的設(shè)計和施工提供了借鑒.

1 掌子面失穩(wěn)判據(jù)

巖石強度理論是與隧道掌子面的失穩(wěn)機理緊密相關(guān)的，反映了巖石破壞時的應(yīng)力狀態(tài)或變形狀態(tài).目前廣泛應(yīng)用的強度理論，多數(shù)是從應(yīng)力觀點來考察材料破壞的，其中庫倫-莫爾強度理論就是應(yīng)力觀點強度理論的繼續(xù)和發(fā)展.

庫倫在1773年提出了，當(dāng)材料某截面上的剪應(yīng)力達到黏聚力與內(nèi)摩擦力之和時，材料將發(fā)生剪切破壞.土體剪切破壞準(zhǔn)則的庫倫準(zhǔn)則表達式[8]為

τn=c-σntanφ

(1)

式中：τn為極限抗剪強度；σn為剪切面上的法向應(yīng)力；c，φ分別為土的黏聚力和內(nèi)摩擦角.

摩爾(1882)將庫倫破壞條件表示為與最大主應(yīng)力圓相切的一條直線，當(dāng)σ1≥σ2≥σ3時，由圖1可推導(dǎo)各主應(yīng)力關(guān)系式為

(2)

屈服面方程為

(3)

圖1 摩爾-庫侖破壞條件Fig.1 Mohr-Coulomb failure conditions

如何判別掌子面是否處于整體失穩(wěn)狀態(tài)是隧道有限元穩(wěn)定分析的一個關(guān)鍵問題.按照巖土力學(xué)中的摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，隧道掌子面失穩(wěn)時破壞面上各點應(yīng)力都達到極限平衡狀態(tài)，極限應(yīng)力圓與屈服面相切.因此，有限元分析時以掌子面在開挖過程中應(yīng)力狀態(tài)與屈服面的關(guān)系作為失穩(wěn)判據(jù)是比較合理的.

2 數(shù)值仿真模擬

2.1 工程簡介

野豬山隧道為分離式隧道，兩隧洞相距約35m.其出口段分布殘坡積、洪積含碎石粉質(zhì)黏土和含黏性土碎石，褐黃色，碎石較多為強風(fēng)化巖塊，厚度較大，埋深為10～20m.兩隧洞出口段分別采用新意法和臺階法兩種施工方法，兩種工法初期支護一致，采用25cm厚C25噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)與鋼架聯(lián)合支護，鋼拱架為18號工字鋼，縱向間距為0.5m.

2.2 模型及邊界條件

采用Midas/GTS建立三維有限元模型，由于野豬山兩隧洞相距較遠，相互影響可忽略不計，故對單洞施工過程進行模擬.選取野豬山隧道出口段50m進行數(shù)值仿真分析.以模型正面隧道底部中心為原點，取隧道軸線在水平面上的投影線為y軸，其正方向由洞口指向隧洞內(nèi)部，x軸垂直隧洞軸線，z軸的正方向為豎直向上.模型范圍：-40 m≤x≤40 m，0≤y≤50 m，-35 m≤z≤地面.該模型上邊界設(shè)為自由邊界.以隧道開挖跨度的3～5倍[9]選取模型左右邊界和底部邊界，其中模型底部邊界設(shè)置豎向約束，其余各邊界分別設(shè)置該方向上的水平約束，計算模型如圖2所示.

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

2.3 模型參數(shù)選定

計算本構(gòu)模型采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則，選取彈塑性模型進行計算.采用板單元模擬噴射混凝土，用植入桁架單元模擬錨桿，鋼拱架采用等效計算的方法[10]并參考型鋼型號將彈性模量折算并附加到混凝土噴層中，其中折算噴混層的縱向長度為0.5 m，計算式為

E=E0+Sg·Eg/Sc

(4)

式中：E為折算后等效初期支護的彈性模量；E0為原混凝土材料的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面積；Sc為混凝土截面積；Eg為鋼材的彈性模量.

參照野豬山隧道工程地質(zhì)勘察報告中的地層物理參數(shù)，土體劃分為3層.具體物理力學(xué)參數(shù)如表1，2所示.

表1 巖體計算參數(shù)

表2 支護計算參數(shù)

2.4 施工模擬

為比較臺階法和新意法施工的優(yōu)缺點及其對掌子面穩(wěn)定性的影響，對兩種工法下隧道的開挖及支護過程進行了對比分析研究.臺階法施工：采用三臺階法開挖，先后開挖第一步和第二步臺階，各開挖8 m和4 m并支護，再以1 m為一個循環(huán)進尺，每一個循環(huán)完成后及時施做初期支護，施工工序如圖3所示.

新意法施工:采用全斷面開挖，以1 m為一個循環(huán)進尺，開挖前掌子面植入玻璃纖維錨桿并注漿進行超前預(yù)加固，保證錨桿嵌入掌子面前方至少12 m，搭接6 m，掌子面錨桿布置間距為120 mm，如圖4所示.

圖3 臺階法開挖工序Fig.3 Process of bench cut method

圖4 新意法掌子面錨桿布置Fig.4 Arrangement of anchors on excavated face of ADECO-RS approach

3 計算結(jié)果及分析

3.1 掌子面擠出位移

巖土控制變形分析法依據(jù)超前核心圍巖體系的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)，把掌子面穩(wěn)定形態(tài)分為3類[11-12]：穩(wěn)定狀態(tài)、短期穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài).而掌子面超前核心巖土體穩(wěn)定性將直接影響到掌子面的擠出位移.掌子面擠出位移超過某個界限就表明掌子面穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎唐诜€(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài).

三臺階法開挖時，上、中、下三個臺階的掌子面沿隧道縱向產(chǎn)生不同程度的擠出位移，土體出現(xiàn)鼓出現(xiàn)象，其中最大位移出現(xiàn)在下臺階，達到15 mm左右，如圖5所示(單位為m).

新意法施工時，掌子面同樣出現(xiàn)擠出位移，最大位移出現(xiàn)在掌子面中心附近，達到8 mm左右，相比于臺階法開挖縮小了近一半，如圖6所示(單位為m).新意法施工改變了開挖面處超前核心土的強度和剛度，一定程度上抑制了掌子面過大變形.

圖5 臺階法掌子面縱向位移圖Fig.5 Longitudinal displacement on excavated face of bench cut method

圖6 新意法掌子面縱向位移圖Fig.6 Longitudinal displacement on excavated face of ADECO-RS approach

3.2 掌子面應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)掌子面的擠出位移可知：在施工過程中掌子面穩(wěn)定性最差的部位在掌子面中心附近.下面選取臺階法上、中、下三個臺階各開挖到30 m處時，與三個臺階相對應(yīng)的掌子面中心附近的節(jié)點作為研究對象，同時新意法三個測點的位置與臺階法的三個節(jié)點相對應(yīng)，然后通過偏應(yīng)力和球應(yīng)力的關(guān)系曲線，分析以上節(jié)點在開挖過程中的屈服軌跡和應(yīng)力變化趨勢.其中，圍巖采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則[13]，以其Mohr形式作為屈服函數(shù)，即

(5)

式中：σ1，σ3分別為巖土體剪切面上的第一、第三主應(yīng)力；c，φ分別為巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角.

兩種施工方法在開挖過程中，上部掌子面中心點的應(yīng)力變化情況如圖7所示.兩種方法在隨著開挖面接近上部中心監(jiān)控位置，球應(yīng)力都逐漸增大，同時偏應(yīng)力也逐漸增大.其中，臺階法的應(yīng)力點向屈服面接近，但并沒有達到屈服線，掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)和短期穩(wěn)定狀態(tài).而新意法由于施工時對掌子面進行植入錨桿并注漿處理，改善了開挖面前方的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)力點則超過原有的屈服面，但應(yīng)力變化并處于彈塑性階段，即掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)和短期穩(wěn)定狀態(tài).

圖7 上部掌子面應(yīng)力變化Fig.7 Face stress of upper face

中部掌子面隨著開挖，其中心區(qū)域應(yīng)力變化情況如圖8所示.中部掌子面的監(jiān)控點應(yīng)力隨著開挖面的推進，兩種開挖方法的球應(yīng)力都逐漸減小，而剪應(yīng)力變化出現(xiàn)差異.臺階法在開挖面距監(jiān)控點4m時，剪應(yīng)力幾乎不隨球應(yīng)力的減小發(fā)生變化，當(dāng)開挖面距監(jiān)控點2m時，圍巖應(yīng)力達到M-C屈服線而進入塑性狀態(tài)，即掌子面失穩(wěn).而新意法開挖過程中，其應(yīng)力點超過了M-C屈服線，但圍巖應(yīng)力并沒有發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象.計算表明，由于隧道所處地層軟弱，開挖面前方2m范圍內(nèi)的土體難以維持平衡狀態(tài)，而通過對開挖面的超前核心土進行加固，可以增強開挖面前方2m內(nèi)的巖土體的穩(wěn)定性.

圖8 中部掌子面應(yīng)力變化Fig.8 Face stress of middle face

下部掌子面隨著開挖，其中心區(qū)域應(yīng)力變化情況如圖9所示.臺階法的監(jiān)控點應(yīng)力變化情況和中部掌子面類似，在開挖面距監(jiān)控點4m時，剪應(yīng)力幾乎不隨球應(yīng)力的減小發(fā)生變化，當(dāng)開挖面距監(jiān)控點2m時，圍巖應(yīng)力達到M-C屈服線而進入塑性狀態(tài)，即掌子面失穩(wěn).而新意法開挖過程中，球應(yīng)力和剪應(yīng)力都在逐漸增大，其應(yīng)力點超過了M-C屈服線，但圍巖應(yīng)力點并沒有完全進入塑性階段.由圖9可知，新意法施工時掌子面更穩(wěn)定.

3.3 拱頂沉降分析

沿隧道軸線方向每2m選取一個截面，各截面拱頂?shù)淖罱K豎向位移如圖10所示，同時選取沿隧道軸線方向上的拱頂特征點的沉降值進行對比分析如表3所示.

圖9 下部掌子面應(yīng)力變化Fig.9 Face stress of lower face

圖10 拱頂沉降曲線Fig.10 Result of vault settlement

施工工法拱頂特征點位置/mmY=0mY=6mY=12mY=18mY=26mY=28mY=30m臺階法-19．3-17．38-15．65-14．45-12．53-12．40-10．88新意法-13．10-11．88-10．66-10．31-8．81-8．36-3．62減小比率/%32．132．131．928．729．732．666．7

由圖10和表3可知：兩種工法開挖隧道完工后，其拱頂豎向位移量均沿著隧道軸線方向逐漸減小.但新意法施工各斷面的拱頂沉降量均比臺階法開挖時小，且變化趨勢更平緩.此外，新意法開挖時拱頂?shù)淖畲筘Q向位移比臺階法的最大豎向位移小了32.1%，且新意法掌子面拱頂處的彈性收斂較臺階法減小了66.7%.由此可見，新意法采用全斷面開挖，減少了施工工序，使隧道圍巖更快地形成閉合圈，同時結(jié)合其超前加固工藝技術(shù)，有效地抑制了隧道拱頂?shù)某两?

3.4 掌子面加固區(qū)長度的影響

以新意法掌子面中部擠出位移作為指標(biāo)對加固區(qū)效應(yīng)進行分析，掌子面中部的擠出位移在不同加固區(qū)長度下的變化情況如圖11所示.

由圖11可知：1) 隨著加固區(qū)長度的增加，掌子面的縱向位移逐漸減小，且其變化幅度也在逐漸減小，其中加固區(qū)長度在8 m以內(nèi)時，縱向位移變化幅度較大，當(dāng)超過12 m時，縱向位移曲線變化趨于平緩.對于本隧道出口段，加固區(qū)比較適宜的長度是1倍開挖跨度(12 m)，當(dāng)超過這個距離時，加固區(qū)的擴大對于掌子面穩(wěn)定性影響相對較弱；2) 野豬山隧道出口段處于較為軟弱的地層，開挖過程中掌子面易發(fā)生失穩(wěn)破壞，而通過植入全粘結(jié)型玻璃纖維錨桿并加壓注漿的施工工藝，改變了開挖面處超前核心土的物理力學(xué)性質(zhì)，在一定程度上增強了掌子面的穩(wěn)定性.

圖11 加固區(qū)長度對縱向位移影響Fig.11 The effect of reinforcement length on the face stability

4 實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比分析

新意法施工現(xiàn)場YK60+280斷面(Y=5 m)和YK60+285斷面(Y=0 m)實測的拱頂沉降隨開挖時間變化曲線如圖12所示.由圖12可知：由于280斷面初始監(jiān)測晚，使得拱頂沉降實測值受到較大的影響，280斷面拱頂沉降的實測值比285斷面的實測值小了近一半.由此可知，初始監(jiān)測時刻對監(jiān)測數(shù)據(jù)量值有較大的影響，且285斷面拱頂沉降的實測值更接近實際收斂變形.其中，實測拱頂沉降值在開挖后5～10 d內(nèi)出現(xiàn)回縮現(xiàn)象是因為掌子面停滯施工時降雨導(dǎo)致淺埋的土體軟化、掌子面剝落造成部分圍巖應(yīng)力釋放，而YK60+280斷面在開挖25 d左右時拱頂沉降值出現(xiàn)回縮現(xiàn)象，是由于施工現(xiàn)場監(jiān)測的后視棱鏡松動導(dǎo)致的.

圖12 拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果Fig.12 Monitoring result of vault settlement

隧道圍巖的豎向變形包括了預(yù)收斂和收斂變形，該監(jiān)測項目只能對圍巖的收斂變形數(shù)據(jù)進行采集.由285斷面(Y=0 m)的監(jiān)測結(jié)果可知，隧道最終拱頂沉降約為11.88 mm.由數(shù)值仿真模擬的計算結(jié)果可知，掌子面植入錨桿并注漿加固后，掌子面處拱頂沉降為3.62 mm，285斷面(Y=0 m)的模擬沉降為13.10 mm，其中圍巖預(yù)收斂變形為3.62 mm，收斂變形為9.48 mm左右，模擬值與實測值相差較小，模擬值比實測值小20.2%.由于現(xiàn)場施工過程影響因素較多，模擬值與實測值雖存在一定偏差，但基本吻合.現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)較好地驗證了該數(shù)值仿真模型的可行性.

5 結(jié) 論

通過野豬山隧道出口段數(shù)值模擬，對比分析新意法和臺階法下隧道掌子面應(yīng)力變化和拱頂?shù)某两担Y(jié)果表明：野豬山隧道臺階法施工時，盡管開挖循環(huán)進尺較小，但掌子面擠出位移較大，其中部極易發(fā)生塑性變形，進行圍巖周邊加固的單一技術(shù)措施并不能有效控制掌子面的變形；臺階法開挖時，掌子面前方2 m范圍內(nèi)的土體穩(wěn)定性問題突出，而新意法的超前加固措施使掌子面前方土體強度發(fā)生改變，有效抑制了掌子面失穩(wěn)；新意法通過對掌子面植入錨桿并注漿加固，改變了超前核心土的強度和剛度，其中加固區(qū)比較適宜的長度是1倍開挖跨度；通過對比掌子面穩(wěn)定性、擠出位移和拱頂沉降量，表明在淺埋軟弱地層等特殊工程環(huán)境下新意法施工相比于臺階法更為合理.

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(責(zé)任編輯：劉 巖)

An application study on the ADECO-RS approach in the construction of Yezhu mountain tunnel

WANG Kezhong1, ZHU Haibin1, KONG Lingmin2, LIANG Qidong2, ZHANG Haijun1

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2.Watersupply Management Office of Rizhao, Rizhao 276800, China)

In order to study the applicability of the ADECO-RS approach in tunnel construction under complicated geological conditions, numerical simulations are used to study the variations of the longitudinal deformation and the stress of faces. The spatial-temporal variations of the vault subsidence along the axial direction are predicted with the ADECO-RS approach and the bench method for the outlet section in the mountain tunnel. The effects of the excessive displacement and instability on the faces between different methods of excavation and temporary reinforcement are analyzed. This indicates that the middle part of the face is liable to lose stability and the ADECO-RS approach can control the deformations effectively. This study is of theoretical and practical significance for the construction of similar tunnels.

ADECO-RS approach; bench method; heading face; numerical modeling

2016-09-27

國家自然科學(xué)基金面上資助項目(51679215)；清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室開放基金(sklhse-2014-C-02)

王克忠(1965—)，男，山東冠縣人，教授，研究方向為隧道工程，E-mail:wkz@zjut.edu.cn.

U459.2

A

1006-4303(2017)03-0237-06