散巖堆積體中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法合理開挖順序研究

彭雪峰 張航 錢志豪 王宗學(xué)

摘要：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法常用于散巖堆積體隧道的施工中。為研究雙側(cè)壁導(dǎo)坑法合理開挖順序，文章以火鳳山隧道（雙線隧道）為工程背景，采用拉格朗日有限差分軟件FLAC3D建立土體三維計算模型，對兩種不同開挖順序進行數(shù)值模擬，分析不同施工順序下圍巖位移、圍巖應(yīng)力及初期支護應(yīng)力情況，最終得出合理的開挖順序。

關(guān)鍵詞：散巖堆積體;公路隧道;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法;數(shù)值模擬

0 引言

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法又稱為“眼鏡法”，該開挖技術(shù)對圍巖初期支護采用鋼拱架、混凝土柔性支護。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將大斷面隧道分為幾個小斷面進行施工，能夠充分發(fā)揮圍巖的自承作用，在大斷面隧道施工中，有極大優(yōu)勢[1]。但由于其施工復(fù)雜，成本較高[2]，且有時需在洞外采用相應(yīng)加固措施[3]，故只在圍巖條件較差的情況下使用。目前學(xué)者也對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行了很多研究。

安寧[4]對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在V級圍巖的運用進行了介紹，包括施工工藝流程和初期支護施工步驟。郭洪濤[5]以西安地鐵六號線為例，對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法修建的淺埋暗挖大斷面隧道二襯的施工方案進行優(yōu)化，為解決雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時支撐體系受力復(fù)雜等問題提供了參考。李進[6]以廣州地鐵暗挖隧道施工作為案例，為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在地鐵工程施工中的運用提供了參考。曾帥[7]以某地鐵項目為例，通過建模分析，結(jié)合工程特點，對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序進行了優(yōu)化，以達到更加安全施工的目標。史智超[8]以九峰隧道為例，分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在大跨距隧道中的施工要點，為類似隧道施工提供了參考。王振學(xué)[9]指出了雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工程中勞動力、機械設(shè)備的配置，使雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工細節(jié)不斷完善。

通過大量學(xué)者的研究，可以看出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有很好的利用前景，但目前對于雙層壁導(dǎo)坑法的研究大多為施工要點，如檢測項目、二次襯砌的施工等，而對于其施工順序的研究，國內(nèi)還較少。同時在大斷面隧道開挖計算中，需要對實際的開挖方案進行優(yōu)化計算。為減小計算量，并減小誤差，合適的計算軟件可以對實際施工進行優(yōu)化，實現(xiàn)高效施工[10]。故本文基于重慶曾家?guī)r火鳳山隧道（因其具有小凈距、超淺埋、偏壓等特性，且圍巖級別較差，適宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法），運用FLAC3D軟件進行建模計算，分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法合理施工順序。

1 工程概述

本項目所依托工程火鳳山隧道場地內(nèi)地形地貌較復(fù)雜，水文地質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造較簡單。區(qū)內(nèi)上覆第四系松散堆積層塊石，厚5～20 m，松散至中密，現(xiàn)狀穩(wěn)定。場地地震烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.30 g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，區(qū)域新構(gòu)造運動強烈，地殼抬升明顯，屬抗震不利地段，有地震引起巖堆局部失穩(wěn)或表層松動可能，同時對危巖的穩(wěn)定性也存在不利影響。隧道進口大面積覆蓋第四系崩坡積層塊石，厚度變化大，自然坡度約為38°～45°，坡面植被較發(fā)育，多為灌木和雜草組成，石質(zhì)成分為花崗巖，局部粉粘粒和砂土富集，大多呈松散至稍密狀，骨架多具架空現(xiàn)象。坡面總體向喇嘛嘴溝溝體方向傾斜，傾向約348°～355°，該巖堆目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在變形破壞跡象。但該區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，地震活動頻繁，隧道開挖后，拱部圍巖自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時間短，無支護或支護不到位時，易產(chǎn)生掉塊或較大的坍塌等，局部段易冒頂，且易造成巖堆失穩(wěn)。在實際工程中ZK2+500.000～ZK2+590.000段、YK1+930～YK2+343段、ZK2+967.000～ZK3+095.876段及YK2+520～YK2+660段因地質(zhì)條件較差，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，為了施工順利進行，有必要對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法正確施工順序進行研究。

2 模型建立

本文針對火鳳山隧道，提出采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行開挖，有兩種不同的開挖順序方案，兩種雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖順序如圖1所示。

方案一開挖順序：異側(cè)導(dǎo)坑開挖支護，先開挖上臺階，再開挖下臺階，最后開挖中導(dǎo)坑臺階仰拱模筑混凝土。

方案二開挖順序：先開挖同側(cè)導(dǎo)坑上下臺階，最后開挖中部導(dǎo)坑。

以采用兩種不同開挖順序的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行隧道開挖，研究隧道圍巖和初期支護的受力及位移特征，分析兩個開挖階段下隧道洞口段圍巖應(yīng)力特征以及各開挖階段圍巖與初期支護的受力特點，并討論進洞30 m、60 m兩個斷面拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底的位移變化情況。

本文根據(jù)火鳳山隧道縱斷面地質(zhì)資料，利用FLAC3D軟件建立三維網(wǎng)格模型，山體范圍沿隧道縱向取60 m，橫向?qū)挾葹樗淼乐行木€向邊側(cè)取70 m，底部取到隧道底部以下35 m處，頂部至自然坡面。隧道圍巖特性按彈塑性材料考慮，采用Mohr—Coulomb準則，圍巖采用實體單元，錨桿使用cable單元，噴射混凝土層和鋼筋網(wǎng)根據(jù)抗壓強度等效準則合并使用shell單元，鋼拱架使用beam單元。計算模型如圖2所示。

隧道圍巖按照彈塑性體考慮，地層設(shè)計參數(shù)參考火鳳山隧道地層資料。對于設(shè)計中的超前加固手段，如管棚法及小導(dǎo)管錨桿，擬對加固區(qū)采用提高圍巖材料參數(shù)的方法來進行模擬。具體計算參數(shù)如表1所示。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 圍巖位移分析

按照不同開挖順序方案，運用有限元軟件對該隧道開挖與支護進行模擬計算，主要研究隧道圍巖的受力及位移特征，以得到各種工法位移場的相關(guān)模擬結(jié)果，并討論了進洞60 m的目標斷面位移變化情況。選取各工法在監(jiān)測斷面60 m處的隧道各點的豎向位移（見圖3～4），在FLAC3D軟件中位移的正值代表向右、向上的變形，位移的負值代表向左、向下的變形。運用Origin軟件，對所采集到的數(shù)據(jù)進行整理，繪制拱頂豎向位移變形曲線圖，并且在隧道開挖時對掌子面周圍處圍巖的變形特征以及周圍圍巖的受力特征進行了分析。

從圖3～4可知，隨著圍巖的不斷開挖，隧道埋深逐漸增大，隧道各特征點的最大位移值也不斷增大。在掌子面前方一定范圍內(nèi)，即開挖斷面還未達到監(jiān)測斷面的部分區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生了一定的變形，但是變形較小。當(dāng)開挖斷面推進到監(jiān)測斷面時，隨著開挖面的推進，拱頂下沉不斷增大。其特點是初期下沉速率很大，后期速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。方案一與方案二趨勢類似。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑方案一，從隧道豎向位移來看：隧道沉降最大位移位于拱頂，隆起最大位移位于隧道拱底。左線隧道30 m、60 m斷面拱頂沉降最大值分別達到7.07 cm和14.41 cm;30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達到7.07 cm和11.51 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移，30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達到5.11 cm和10.25 cm，不同斷面拱腰沉降最大值分別達到2.78 cm和5.73 cm。右線隧道30 m和60 m斷面拱頂沉降最大值分別達到4.74 cm和12.26 cm;30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達到5.19 cm和6.26 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移，30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達到4.90 cm和12.62 cm，不同斷面拱腰沉降最大值分別達到3.46 cm和9.68 cm。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑方案二，從隧道豎向位移來看：隧道沉降最大位移位于拱頂，隆起最大位移位于隧道拱底。左線隧道30 m、60 m斷面拱頂沉降最大值分別達到4.37 cm和11.85 cm; 30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達到7.47 cm和10.42 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移，30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達到2.83 cm和8.44 cm，不同斷面拱腰沉降最大值分別達到0.86 cm和4.43 cm。右線隧道30 m和60 m斷面拱頂沉降最大值分別達到4.20 cm和10.05 cm;30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達到5.52 cm和5.82 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移，30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達到4.41 cm和10.63 cm，不同斷面拱腰沉降最大值分別達到2.91 cm和7.91 cm。

為了結(jié)果更直觀，選取隧道左右線60 m斷面在不同工況下的幾處特征位移如表2～3所示。

3.2 圍巖的應(yīng)力特征

圍巖應(yīng)力的分析選取開挖完成30 m、60 m時的狀態(tài)進行研究。由于隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力狀態(tài)以受壓為主，故只選取圍巖第三主應(yīng)力進行分析。

（1）方案一

左線隧道：對于已經(jīng)開挖完成的部分，圍巖應(yīng)力分布為底部應(yīng)力最大，其次為拱肩至墻腳應(yīng)力，頂部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同，最大值出現(xiàn)在底部位置。開挖完成30 m時，對于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護周圍的圍巖應(yīng)力，拱肩處為0.73 MPa，墻腳處為0.78 MPa，拱頂為0.65 MPa，底部為1.12 MPa。在開挖完成60 m時，圍巖應(yīng)力的最大值為2.58 MPa。這說明該工法開挖對已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。

右線隧道：對于已經(jīng)開挖完成的部分，為底部應(yīng)力最大，其次為拱肩至墻腳應(yīng)力，頂部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同，最大值出現(xiàn)在底部位置。開挖完成30 m時，對于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護周圍的圍巖應(yīng)力，拱肩處為0.66 MPa，墻腳處為0.73 MPa，拱頂為0.50 MPa，底部為1.16 MPa。在開挖完成60 m時，圍巖應(yīng)力的最大值為2.54 MPa。這說明該工法開挖對已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。

（2）方案二

左線隧道：對于已經(jīng)開挖完成的部分，圍巖應(yīng)力分布為拱肩至墻腳應(yīng)力最大，其次為拱頂，底部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同，最大值出現(xiàn)在墻腳位置。開挖完成30 m時，對于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護周圍的圍巖應(yīng)力，拱肩處為1.20 MPa，墻腳處為0.34 MPa，拱頂為1.30 MPa，底部為0.30 MPa。在開挖完成60 m時，圍巖應(yīng)力的最大值為2.04 MPa。這說明該工法開挖對已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。

右線隧道：對于已經(jīng)開挖完成的部分，圍巖應(yīng)力分布為拱肩至墻腳應(yīng)力最大，其次為拱頂，底部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同，最大值出現(xiàn)在墻腳位置。開挖完成30 m時，對于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護周圍的圍巖應(yīng)力，拱肩處為0.93 MPa，墻腳處為0.58 MPa，拱頂為1.13 MPa，底部為0.50 MPa。在開挖完成60 m時，圍巖應(yīng)力的最大值為2.51 MPa。這說明該工法開挖對已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。

隧道各特征點圍巖應(yīng)力狀態(tài)如表4～5所示。

3.3 初期支護的受力特征

初期支護的受力分析選取了開挖完成30 m、60 m的狀態(tài)下，對兩種開挖順序下的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力進行分析（見表6）。

初期支護分為兩層，綜合來看，兩種方案隨著開挖進度的增加，隧道埋深也不斷增加，初期支護受力也相應(yīng)地增加，且第一層初期支護最大主應(yīng)力明顯小于第二層最大主應(yīng)力隧道各個位置所受的拉應(yīng)力，故選用第二層初期支護應(yīng)力。方案一當(dāng)開挖進度為60 m時，初期支護第一主應(yīng)力，即拉應(yīng)力，左線最大可達7.44 MPa，右線隧道可達5.42 MPa。隧道出現(xiàn)的拉應(yīng)力分布情況應(yīng)為隧道襯砌縱向發(fā)生不均勻位移導(dǎo)致的初期支護翹曲而產(chǎn)生的，計算值已超過混凝土的抗拉強度。在實際施工中隧道拱頂少數(shù)位置可能會產(chǎn)生環(huán)向裂縫。第一層初期支護最大主應(yīng)力明顯小于第二層最大主應(yīng)力隧道各個位置所受的壓應(yīng)力，當(dāng)開挖進度為60 m時，第二層初期支護第二主應(yīng)力，即壓應(yīng)力，左線可達11.40 MPa，右線隧道可達10.44 MPa。

方案二當(dāng)開挖進度為60 m時，第一主應(yīng)力，左線可達2.27 MPa，右線隧道可達6.71 MPa。第二主應(yīng)力，左線可達13.11 MPa，右線隧道可達11.22 MPa。根據(jù)最大切應(yīng)力理論：σ=σ1-σ3，方案一左線最大剪應(yīng)力為18.84 MPa，右線最大剪應(yīng)力為15.38 MPa;方案二左線最大剪應(yīng)力為18.36 MPa，右線最大剪應(yīng)力為16.62 MPa。