隧道圍巖臺階法開挖模擬分析

蔣 偉 倪文杰

(1.重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074;2.深圳藝洲建筑工程設計有限公司 廣東 深圳 518000)

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隧道圍巖臺階法開挖模擬分析

蔣 偉1倪文杰2

(1.重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074;2.深圳藝洲建筑工程設計有限公司 廣東 深圳 518000)

隧道開挖階段隧道施工中極其重要的階段，選擇合適的開挖方法及適當的開挖循環進尺有利于保證隧道的安全施工,防止延誤工期，節約工程造價。本文以重慶市江北區魚嘴鎮和龍興鎮境內的隧道為例，對其開挖階段進行臺階法模擬分析，從而得出不同的循環進尺下的隧道開挖對于圍巖變形的影響，并根據模擬開挖分析結果對隧道施工提出建議。

隧道開挖；循環進尺；臺階法

引言

隧道開挖是隧道施工中相當重要的環節。隧道開挖過程中選用不同的循環進尺及不同的開挖方法對于隧道圍巖的變形有著一定的影響,因此選擇合適的開挖方法及制定適當的開挖循環進尺有利于保證隧道的安全施工,防止延誤工期，節約工程造價。

本文以重慶市江北區魚嘴鎮和龍興鎮境內的隧道為背景，采用臺階法開挖模擬，并對模擬結果進行分析，從而對隧道施工提出建議，優化施工開挖方案。

一、工程背景

(一)工程概況

本隧道位于重慶市江北區魚嘴鎮和龍興鎮境內，中心里D1K21+585，全長620m，最大埋深約32.5m。隧道縱坡設計為7.5431%的上坡全隧道除D1K21+398.972～出口段位于左線半徑R=4500m(右線半徑R=4495.4m)右偏曲線上外，其余地段均為直線。本隧道進口里程為D1K21+275；出口里程為D1K21+895。

(1)隧道縱斷面圖：

圖1 隧道縱斷面圖

(2)隧道進口處橫斷面圖

圖2 隧道進口處橫斷面圖

(二)地層巖性

隧區內上覆第四系人工填土(Q4ml)層、坡殘積(Q4dl+el)層，下伏侏羅系中統下沙溪廟組(J2xs)泥巖夾砂巖，分述如下：

<1-1>人工填筑土(碎石土)(Q4ml)

褐色，紫紅色，硬塑狀，主要成分為粉質黏土，其間夾砂，泥巖砂，塊石，約占30%，粒徑10～350mm，稍濕，為人工堆疊而成，厚約2～6m，主要分布于隧道進口斜坡及左側地帶，為工程建設施工棄土屬II級普通土，為D組填料。

<3-3>粉質黏土(Q4dl+pl)

紫紅色、硬塑性，質純，局部軟塑，分布于測區內溝槽中，厚約1～3m，屬于Ⅱ級普通土，為D組填料。

<4-1>粉質黏土(Q4dl+el)

褐黃、棕褐色，硬塑～堅硬，含5～10%的砂，泥巖質碎石，角礫，厚0～2m，局部厚2～4m，廣泛分布于丘坡緩坡地段，屬Ⅱ級普通土，為D組填料。

(三)不良地質及特殊巖土

隧道內不良地質現象為順層，特殊巖土為人工填土。

1.順層：隧道進口基巖為侏羅系中統上沙溪廟組(J2s)泥巖夾砂巖，巖層產狀N25°E/ 29°N，巖層走向與線路夾角59°，進口仰坡為順層。

2.人工填土：褐色，紫紅色，硬塑狀，主要成分為粉質黏土，其間夾砂，泥巖砂，塊石，約占30%，粒徑10～350mm，稍濕，為人工堆疊而成，厚約2～6m，主要分布于D1K21+248～D1K21+287及D1K21+328段斜坡及左側地帶，為工程建設施工棄土，碴體邊坡自穩性較差，對隧道進口有一定影響。

二、隧道施工過程的模擬

(一)模型的建立

根據隧道勘測和設計數據，B = 14米，H = 10.3米高的隧道跨度。一般而言,距隧道中心3～5倍開挖寬度為隧道圍巖位移開挖的影響范圍。因此,地層模型的橫截面方向取70m(5B),垂直于地表向下(埋深)32.5m,垂直于地表向上取30m,沿隧道軸線方向取42m(3B)。模型左右、前后和下邊界設為均為法向位移約束，上邊界自由，如圖3所示。因隧道埋深較淺，計算時按自重應力場考慮。

圖3 計算模型

(二)開挖過程的模擬

隧道上下臺階開挖面距離2m，開挖進尺2m,如圖4所示。施工過程模擬如下：形成自重地應力場→第1段(0～16m)開挖，釋放載荷30%→第1段初期支護，釋放載荷70%→第2段(16～18m)上臺階開挖，釋放載荷30%→第2段上臺階初期支護，釋放載荷70%→第2段(16～18m)下臺階開挖，釋放載荷30%→第2段下臺階初期支護，釋放載荷70%→第3～9段(18～32m)開挖、初期支護與荷載釋放的對應關系，同第2段→第10段(32～48m)開挖同第1段→全斷面施作二次襯砌(0～48m)。計算步中，奇數計算步為釋放開挖面荷載30%，偶數計算步為釋放開挖面荷載70%，荷載步為4的倍數是開始上臺階開挖的時刻。

圖4 臺階法開挖過程示意圖

三、模擬結果分析

(一)隧道開挖過程對圍巖位移的影響

圖5是模型表面測點A’～E’沉降隨開挖過程的變化特征，其中奇數計算步為釋放隧道表面荷載30%，偶數計算步為釋放隧道表面荷載70%。可以看出：(1)每一個循環進尺中，第一步(釋放荷載30%)產生的位移變化比較小，第二步(釋放荷載70%)產生主要的位移變化；(2)沉降主要集中在距中心范圍10 m內，拱頂地表的沉降量(最大值)為兩邊沉降量的3.3倍，所以地表沉降呈現出以拱頂為中心的中間大、兩頭小的槽形分布形式；(3)從開挖的過程來看，開挖未到目標斷面前地表的沉降量占總沉降量的25%，開挖到目標斷面前占40%，經過目標斷面后占35%，因此，需要及時通過超前支護措施(如注漿、超前錨桿)來減少地表沉降，并且及時加強初期支護。

圖5 模型表面不同位置沉降隨開挖步的變化曲線

圖6是A～E在拱頂地層L1測線上沉降隨開挖的變化特征：(1)在拱頂地層附近越靠近拱頂則沉降量越大，沉降量從拱頂到地表呈由大到小的變化趨勢，因此，拱頂的沉降值應作為設計和施工控制的重要指標。(2)在隧道不同深度位置變形量相差不大，說明圍巖的應變梯度較小，但隧道目標斷面還未開挖之前，拱頂已發生沉降，其沉降值為總沉降值的24%；一般來說，現場監測只能在當前開挖之后進行，因此應將還未開挖之前的沉降數據加入到全部現場量測位移中。(3)對拱頂沉降量影響最大的是目標斷面前后各一個施工進尺范圍，此處為前后各2m；此范圍內施工引起的拱頂沉降量為總沉降量的66%，即總沉降量的2/3；越靠近隧道表面的測點位移變化越大，表明圍巖一定深度范圍內應變梯度較大，圍巖開始出現松動區。總的來說，對沉降量的影響大小排序為：當前開挖的影響最大，相鄰開挖的影響次之，通過橫斷面后的開挖影響最小。故在需要嚴格控制拱頂沉降量時，可采用增加臺階數、縮短開挖進尺或采用輔助施工法以加固頂部圍巖強度的方法。

圖6 拱頂地層沉降隨開挖的變化曲線

拱圈內側特征點其徑向位移隨開挖的變化曲線圖，如圖7所示(這里選取柱坐標系)。可以看出：(1)在前后一個開挖距內特征點的徑向位移最大，其范圍內產生的位移約占總位移量的2/3；(2)圍巖的徑向位移以拱頂變化最為顯著，拱底次之，拱腰和拱腳相對變化較小，說明圍巖位移監測應以拱頂作為主要控制點；(3)拱底向上的位移則需盡快施作仰拱加以控制，這也是在軟弱圍巖中加設仰拱的主要原因，在需要盡量控制頂底豎向位移時，需加強初期支護的剛度，同時盡快封閉仰拱。

圖7 拱圈特征點徑向位移隨開挖的變化曲線

(二)開挖過程中圍巖位移的縱向分布規律

隧道開挖面的推進圍巖豎向位移的變化情況(如圖8)可以看出，圍巖位移在未開挖洞段的位移相對較小，在已開挖洞段的位移較大，而距離工作面越近位移越小，遠離工作面的圍巖位移則逐漸增大并趨于平緩，且隨著工作面的推進，這種分布規律隨之沿隧道掘進方向發展。

圖8 隨著開挖面向前推進，圍巖的豎向位移分布(單位：m)

在不同開挖進尺條件下，拱頂圍巖沿隧道軸向上的位移分布(如圖9)可以看出：(1)軟弱破碎圍巖當前開挖造成的圍巖位移變化最為顯著，因此，應通過在開挖后迅速施作初期支護來減小圍巖變形；(2)對于開挖面前方圍巖，其影響范圍小于4m(2倍開挖步距)；(3)對于已開挖洞段，工作面空間效應的影響范圍小于16m(1倍隧道洞徑)；(4)當隧道累計開挖進尺超過32m(2倍隧道洞徑)后，圍巖沉降變形基本趨于穩定。

圖9 隨著開挖面向前推進，圍巖拱頂沉降沿隧道縱向分布

(四)不同臺階距離的對比分析

隧道累計開挖進尺32m時，不同臺階工作面間距施工方法引起的拱頂沉降沿隧道縱向的分布如圖10所示。可以看出：開挖面對已開挖洞圍巖的約束效應的影響范圍小于16m(1倍隧道洞徑)；拱頂位移值的大小與臺階距離的關系不明顯，臺階距離越大，相同位置拱頂位移略大一些。

圖10 不同臺階距離的情況下，拱頂沉降沿隧道縱向分布(開挖進尺32m)

雖然圍巖總的位移值變化規律受臺階工作面間距的影響較小，但臺階工作面間距引起的圍巖位移變化過程是顯著不同的，圖11是目標斷面拱頂位移與開挖過程的關系。可以看出：每個開挖循環進尺中，臺階距離越大，上臺階開挖過程(特別是通過目標斷面的開挖步)對圍巖位移的影響也就越大(下臺階的影響越小)。累計開挖進尺16～32m段，不同臺階間距施工方法引起的拱頂位移值變化的定量分析，如表1所示。可以看出，圍巖在上臺階開挖過程中發生了絕大部分位移，臺階工作面間距大于4m后，上臺階開挖引起的拱頂沉降占總位移的90%以上。

圖11 拱頂沉降與計算步的關系

臺階距離2m臺階距離4m臺階距離8m上臺階上臺階比例上臺階上臺階比例上臺階上臺階比例896255351：1968183529：110540971087：1

四、臺階法施工優化建議

優化的基本的原則為：減小每步開挖面積，并預留核心土，減小臺階長度，減小開挖進尺，快速封閉，從而減小地應力釋放和地表沉降。

1.開挖進尺進行優化

基本的原則為：減小每步開挖面積，并預留核心土，減小臺階長度，減小開挖進尺，快速封閉，從而減小地應力釋放和地表沉降。

上、下臺階長度應不小于10m左右，這樣每一個臺階上掌子面就會做開,面積也不會過大，可以維持掌子面的穩定。左右導洞掌子面應該錯開20m以上,可以降低左右導洞開挖的相互影響；

上、下臺階單循環開挖進尺均不應大于1m，最好是1到2榀鋼拱架的長度，這樣可以利用掌子面的空間效應來穩定和減小圍巖的變形。

核心土柱的開挖進尺可以適當加大，為2～3m，即一次開挖,3～5榀鋼架；核心土上下臺階掌子面錯開5m即可。

2.水平型鋼支撐進行優化

水平型鋼支撐其實起到封閉開挖面的作用，使支護形成封閉結構，使受力合理。而斷面的及時封閉對控制地表沉降十分重要。因此開挖后應該及時施作水平臨時支撐，形成封閉環。此外由中柱巖墻聯合支護數值分析的結果看，水平型鋼支撐承受軸力較大。為了減少圍巖的變形和位移，應該加大型鋼支撐兩端的墊板的面積，端部圍巖的剛度，減少水平型鋼支撐的變形從而達到減少圍巖的水平位移。

3.中心豎向鋼砼柱墻臨時支撐進行優化

中心豎向鋼砼柱墻臨時支撐主要是為了保證拱頂圍巖的穩定，從數值分析結果看，中心豎向鋼砼柱墻臨時支撐承受很大的軸力，因此，在其頂端設置擴大的墊板，可以使力分散在更大面積的圍巖上，可以防止型鋼端部圍巖被壓碎而使拱頂產生過大的沉降。

核心土上部臺階開挖時，開挖面與前方未拆除的中心豎向鋼砼柱墻臨時支撐的距離應該不小于5米，這時為了保證前方中心豎向鋼砼柱墻臨時支撐的穩定。

4.鋼拱架進行優化

在掌子面開挖結束后，要立拱架、打錨桿和噴射混凝土形成初期支護。對鋼拱架可以設置大拱腳：在初支拱腳處設置大拱腳，并設置I25b型鋼牛腿和1.6cm厚鋼板墊板。

5.初支背后填充注漿

隧道施工初支整體沉降較大，背后容易出現空隙，且型鋼背后不易與圍巖密貼，易形成空隙或水囊，造成地面沉降。因此，必須對第一層初支背后填充注漿。

[1]宋習武，黃明星.中寨子隧道排水常見滲漏及處治方法.民營科技，2014,(1):182.

[2]黃威.城市小斷面隧道爆破施工技術[A].企業科技與發展，2014，(13):108.

蔣偉(1992-)，男，漢族，湖北隨州人，重慶交通大學碩士研究生，從事隧道及地下結構工程方面的研究;倪文杰(1991-)，男，漢族，湖北天門人，結構設計師，本科，深圳藝洲建筑工程設計有限公司，從事建筑結構設計。