銑挖法隧道開挖步序路徑及其對圍巖擾動響應分析

白海峰,張博

(大連交通大學 土木與安全工程學院， 遼寧 大連 116028)*

0 引言

銑挖法是隧道與地下工程掘進工藝，該工藝的核心為采用銑挖掘進機械進行隧道掌子面的切削、鏟運與出碴一體化作業.與鉆爆法相比較，銑挖法對圍巖受力狀態更為合理，擾動及變形響應較小，該工藝具有使用靈活，掘進效率較高并可與其他施工工藝結合運用的特點.

近年來，隨著銑挖法在國內外隧道掘進工程中的推廣應用和工程實例的不斷積累，已經在關鍵工藝和應用條件等方面取得了相應的技術成果.項志敏[1]等開發了懸臂掘進機大斷面隧道銑挖施工工藝，提出銑挖法適用于抗壓強度小于10 MPa的節理發育圍巖，正面銑挖效率高于邊角銑挖效率.雷向峰[2]在分析掘進效率和使用成本的基礎上，提出銑挖法適用于抗壓強度小于20 MPa的軟弱圍巖.董輝等[3]將鉆爆法和銑挖法相結合，既減少了對圍巖的擾動，又提高了掘進效率.孫偉剛等[4]通過分析兩水隧道掘進的安全、速度以及質量控制等方面的問題，提出銑挖-鉆爆聯合掘進工法為一種既經濟又安全的施工方法.關則廉[5]結合廣州地鐵6號線東湖站戰前銑挖隧道的實際施工情況，提出銑挖隧道的質量、安全優于鉆爆法.漆泰岳[6]提出，影響懸臂式掘進機銑挖效率的因素是圍巖的單軸抗壓強度(σc)和裂隙間距(S)，并按照這兩項指標將懸臂式掘進機銑挖施工的適用性分為三級.

目前，銑挖法隧道掘進的工程實例較多，但對銑挖的步序路徑對圍堰擾動效應分析并不多見.本文在借鑒國內外常用銑挖步序路徑的基礎上，結合大連濱海大道同香山莊段隧道銑挖掘進實踐，利用有限差分軟件FLAC3D模擬，分析不同步序路徑條件下隧道圍巖的變形數據及其云圖，研究銑挖步序路徑對圍巖的擾動響應特征，確定適用于同香山莊隧道的最佳銑挖步序路徑，并為同類銑挖法隧道工程掘進提供工藝參考.

1 銑挖步序路徑設計

1.1 工程概況

大連濱海大道同香山莊段隧道為東端橋隧工程主線隧道中的一部分， 具體里程范圍為：WK2+180-WK2+380，共計200 m，為單向兩車道的城市公路隧道.該路段隧道工程地質特征為：地表向下依次為素填土、全風化板巖及強風化板巖.隧道所處地層圍巖等級為Ⅴ級，采取銑挖法施工.

1.2 銑挖步序路徑設計

銑挖法是按一定順序漸次切削小范圍巖體(或圍巖)的掘進方式，即銑挖作業時，掘進機截割頭只能以切削方式作用于巖體，以旋轉截割實現掌子面局部開挖，隧道全斷面(或分部開挖斷面)掘進應按切削斷面不同部位巖體塊的先后順序和循環路徑實現.這種銑挖掘進過程可稱為銑挖步序路徑.銑挖作業的起始位置不同，銑挖方向不同，則銑挖步序路徑不同.理論上存在無數種銑挖步序路徑，在實際施工作業時也沒有明確規定，銑挖步序路徑多憑銑挖機司機施工經驗而定.

參照國內已有銑挖法施工的隧道案例，以同香山莊隧道為模型，將各案例銑挖步序路徑代入，總結為5種工況.開挖時，總體為先左后右，先上后下.不同工況，銑挖起始點位置有差異，懸臂式掘進機銑挖的方向不同，進尺空間的跨徑也不盡相同，圍巖受力必然不同.工況詳情如圖1所示.

(a)工況一(水平向右)(b)工況二(水平循環)

(c)工況三(豎直向下) (d)工況四(環形)

(e))工況五(中槽)

2 數值模擬

2.1 銑挖作業模擬方法

考慮銑挖法獨特作業方式，采用梯度荷載釋放法來模擬銑挖施工.在數值模擬中，掘進隧道相當于“殺死”掘進部分模擬巖體的單元.所謂梯度荷載釋放法，即根據隧道的實際施工方法，考慮掘進機械的實際情況，分析隧道開挖進尺深度，確定模型開挖時一次需要“殺死”的單元數量，并將此數量的單元視為一組，再將整個開挖部劃分為若干個組.每“殺死”一組單元就立即進行荷載釋放模擬計算，計算到預定的收斂程度后才開始下一個循環，直至完成隧道開挖.

采用梯度荷載釋放法，可將原本一次性完全釋放的圍巖應力，分步釋放出來，與銑挖工藝的掘進過程相契合，提高數值模擬的準確度.而且通過此方法，可實現隧道開挖時不同銑挖步序路徑的模擬.如圖2所示，以常規模擬方式開挖，拱頂沉降5.598 cm，仰拱隆起5.454 cm，采取梯度荷載釋放法模擬，拱頂沉降減小2.67 cm，減少了將近一半，仰拱隆起減小1.31 cm，降低了約1/4.

(a)未采用梯度荷載釋

(b)采用梯度荷載釋

在同香山莊銑挖隧道工程中，施工采用的EBZ230型懸臂式掘進機，截割頭尺寸為976 mm×1 056 mm，接近1 m3，可以將模型開挖部全部切割為1 m3的小塊，每挖掉一小塊后即進行應力計算，釋放圍巖荷載.

2.2 計算模型與參數

為使模擬結果更加接近實際情況，提高模擬準確度，本文采用同香山莊段隧道實際斷面.隧道為非規則圓形洞室，鑒于FLAC3D前處理能力較弱，利用CAD與ANSYS替代FLAC3D進行模型的前處理工作.導出隧道斷面圖，先在CAD中將斷面分為1 m2的區域，逐個創建面域，再將其導入到ANSYS進行網格劃分，按面域創建面，給每一個面附加相互不同的屬性，用以分組，利用ANSYS較為合理的單元劃分功能對模型進行劃分單元，拉伸為體，最后導入到FLAC3D中，初步完成模型的建立，如圖3所示.

圖3 模型隧道前處理及分組

為減小模型邊界效應，隧道兩側邊界取5倍洞徑，上邊界(計算模型中的+Z方向)為到地表距離，下邊界取(-Z方向)取5倍洞徑.隧道最大凈空高度10.2 m，最大跨度12.5 m，埋深41.25 m，模型總尺寸為120 m×97.5 m×20 m，隧道銑挖部劃分為118×20塊.模型如圖4所示：

圖4 計算模型

在本次模擬計算中，巖體的本構模型采用摩爾-庫倫模型，襯砌采用shell單元模擬.計算參數如表1所示.

表1 巖體和材料的力學參數表

3 數值分析

在隧道的拱頂，仰拱，左右邊墻位置布置變形觀察點，進行數據監測.模擬隧道掘進，完成貫通后導出數據，匯總整理5種步序路徑的變形數據，畫出變形曲線圖.在各圖中，縱軸為變形量，單位為mm，橫軸為隧道進尺深度，單位為m.

3.1 各步序路徑豎直變形比較

隧道的拱頂沉降情況如圖5(a)所示，隧道拱頂沉降總體表現為隧道的兩個端口沉降量大，中間沉降小，入口位置處擾動最大.各種工況的起始位置不相同，導致初始變形量互不相同，其中，豎直向下和中槽這兩種步序路徑銑挖起始點位置相對遠離拱頂，起始沉降較低.豎直向下步序路徑和環形步序路徑拱頂沉降量相對較大.隧道的仰拱隆起情況如圖5(b)所示，隧道入口處仰拱隆起量最大，隨掘進深度加深逐漸降低，在隧道近出口端變形加大.其中，環形步序路徑隆起最大，豎直向下步序路徑最小，中槽步序路徑與水平循環接近，較水平向右步序路徑變形小.

(a)拱頂沉降曲線

(b)仰拱隆起曲線

綜合分析隧道拱頂沉降曲線與仰拱隆起曲線，環形步序路徑對圍巖的豎向擾動最大，豎直向下步序路徑沉降偏大，水平循環和水平向右步序路徑相近，中槽步序路徑擾動最小.

3.2 各步序路徑水平變形比較

隧道的左邊墻水平偏移曲線如圖6(a)，在隧道入口處變形最大，隨進尺加深逐漸減小.由于豎直向下步序路徑最先挖空左側，所以左邊墻偏移最大.環形偏移偏大，水平循環起始與水平向右步序路徑接近，偏移量相差逐漸增大，水平循環對圍巖的擾動小于水平向右，中槽步序路徑偏移量處于兩者之間.隧道的右邊墻水平偏移曲線如圖6(b)所示，在隧道入口處變形最大，隨進尺逐漸減小.其中，環形步序路徑偏移最大，豎直偏移最小，水平循環類似左邊墻，水平向右的變形量變小，兩者相差量減小，中槽步序路徑優于前兩種步序路徑.

(a)左邊墻

(b)右邊墻

隧道的水平收斂曲線如圖7所示，總體表現為，在隧道進口處變形最大，隨進尺逐漸減小.其中環形步序路徑收斂值最大，水平循環與中槽收斂值最小.說明環形步序路徑對隧道圍巖的水平擾動最大，水平循環與中槽步序路徑擾動較小，其余居中.

圖7 凈空收斂曲線

拱頂的水平偏移情況如圖8所示，從圖中可以看出，豎直向下步序路徑與環形步序路徑發生明顯偏移，這是由于受力不均衡造成的，其余三種受力較為均衡，拱頂水平偏移不明顯.由水平偏移曲線圖顯示可見，不同銑挖步序路徑導致隧道的水平變形差異較大.豎直向下銑挖步序路徑受力不平衡，隧道的水平變形，左邊墻偏移明顯偏大，右邊墻偏移明顯偏小，左右邊墻偏移不對稱，導致隧道中線偏移1.5 mm，但在允許范圍內，環形步序路徑也會導致偏移，偏移量較豎直略小.環形開挖的凈空收斂最大，說明其水平擾動最大.剩余三種步序路徑水平受力較為平衡，其中，水平循環與中槽步序路徑接近，比水平向右步序路徑小.

圖8 拱頂水平偏移曲線

5 結論

(1)銑挖法可有效減小隧道施工對圍巖擾動，改善隧道挖掘的受力狀況，降低對圍巖的擾動，適用于對隧道沉降、變形有嚴格控制要求的低圍巖強度隧道；

(2)豎直方向，豎直向下步序路徑的沉降偏大，但可抑制仰拱隆起，可以用于改善仰拱隆起；水平方向，豎直向下步序路徑受力最不均衡，中線偏移，左右循環步序路徑和中槽步序路徑受力均衡，環形步序路徑的凈空收斂值最大；

(3)中槽和水平循環銑挖步序路徑的隧道各變形數據曲線中都較為優秀，但由于中槽步序路徑施工過程較為復雜.本項目適合采用左右循環步序路徑.