桐梓隧道Ⅴ級圍巖段施工方法適用性數(shù)值分析

姜 健 郭騰飛

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

1 工程概況

蘭州至海口國家高速公路重慶至遵義段桐梓隧道地處黔北高原北部，該隧道為分離式雙向六車道特長隧道，左幅起訖ZK34+508～ZK45+005，全長10 497 m,最大埋深約639.61 m，右幅起訖樁號為YK34+530～YK45+015，全長10 485 m，最大埋深約639.07 m。左幅隧道中Ⅴ級圍巖段落為ZK34+508～ZK34+585，ZK35+740～ZK35+770，ZK37+730～ZK37+920，ZK39+890～ZK40+090，ZK41+330～ZK41+460，ZK42+250～ZK42+330和ZK43+405～ZK43+600，共7段，共902 m，其中ZK34+508～ZK34+585為淺埋段，其余為深埋段。右幅隧道中Ⅴ級圍巖段落為YK34+530～YK34+585,YK35+725～YK35+755,YK37+780～YK37+980，YK39+970～YK40+210，YK41+425～YK41+545，YK42+315～YK42+395，YK43+500～YK43+695，YK44+895～YK45+015，共8段，共1 040 m，其中YK34+530～YK34+585，YK44+895～YK45+015為淺埋段，其余為深埋段。

為掌握不同開挖方法的適用性，取淺埋段ZK34+585斷面進(jìn)行模擬分析。ZK34+585斷面頂板埋深為26 m，洞身圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r夾炭質(zhì)泥巖，巖質(zhì)較軟，Rc=30 MPa。巖體破碎，Kv=0.32。圍巖無自穩(wěn)能力，無支護(hù)時易產(chǎn)生坍塌及掉塊，甚至冒頂。

根據(jù)設(shè)計資料及以往工程經(jīng)驗，針對Ⅴ級圍巖條件下三車道隧道施工方法提出對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階七步開挖法和三臺階+臨時仰拱三種開挖方法，從施工過程中圍巖的穩(wěn)定性和變形等角度進(jìn)行分析。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其施工順序示意圖如圖1所示。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要施工步驟為：1)開挖導(dǎo)坑Ⅰ；2)施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)①；3)開挖導(dǎo)坑Ⅱ；4)施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)②；5)開挖導(dǎo)坑Ⅲ；6)施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)③；7)開挖導(dǎo)坑Ⅳ；8)施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)④；9)開挖導(dǎo)坑Ⅴ；10)施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)⑤；11)開挖導(dǎo)坑Ⅵ；12)施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)⑥。

三臺階七步開挖法，其施工順序示意圖如圖2所示。

三臺階七步開挖法主要施工步驟為：1)環(huán)形開挖上臺階Ⅰ；2)施作上臺階初期支護(hù)①；3)跳槽開挖中臺階Ⅱ,Ⅲ；4)施作中臺階初期支護(hù)②,③；5)跳槽開挖下臺階兩側(cè)Ⅳ,Ⅴ；6)施作下臺階初期支護(hù)④,⑤；7)分臺階開挖Ⅵ-1，Ⅵ-2，Ⅵ-3；8)開挖仰拱Ⅶ；9)施作初期支護(hù)⑥。

三臺階+臨時仰拱法，其施工順序示意圖如圖3所示。

三臺階+臨時仰拱法主要施工步驟為：1)開挖上臺階Ⅰ；2)施作上臺階初期支護(hù)①-1及臨時仰拱①-2；3)開挖中臺階Ⅱ；4)施作中臺階初期支護(hù)②-1及臨時支護(hù)②-2；5)開挖下臺階Ⅲ；6)施作下臺階初期支護(hù)③-1。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

參考類似工程案例[1-4]，以淺埋段ZK34+585斷面，建立數(shù)值模型如圖4～圖6所示，其計算模型的邊界范圍在水平方向上取大于3.5倍的最大洞跨，垂直方向上則取大于3.0倍的洞室高度。模型邊界條件為：底部采用位移邊界條件，即垂直和水平方向的位移均約束，側(cè)面僅水平方向位移約束，頂部為自由表面，不施加任何約束。

2.2 計算參數(shù)

鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土：

(1)

其中,E為折算后混凝土的彈性模量；E0為原混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面面積；Eg為鋼材的彈性模量；Sc為混凝土的截面面積。

初始應(yīng)力場根據(jù)巖體的自重應(yīng)力場計算得到。圍巖采用平面四邊形等參單元，判定準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察資料及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[5-7]可得其余參數(shù)值如表1所示。

表1 數(shù)值分析計算參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

分別針對淺埋條件下，對三種不同施工方法引起的圍巖塑性區(qū)、拱頂沉降、水平收斂和初支內(nèi)力進(jìn)行分析。

2.3.1圍巖塑性區(qū)

數(shù)值模擬三種開挖方法引起圍巖塑性區(qū)分布如圖7～圖9所示，從圖中可以看出，就塑性區(qū)的范圍來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺階+臨時仰法，在隧道拱肩部位和拱腳部位均出現(xiàn)明顯塑性區(qū)。總的來看，三臺階+臨時仰拱法較三臺階七步開挖法引起的最大塑性變形小，但三種施工方法均未出現(xiàn)塑性變形貫通情況，均適用于類似斷面。

2.3.2拱頂沉降

三種工法拱頂測點布設(shè)示意圖如圖10～圖12所示。其拱頂沉降數(shù)值模擬如圖13～圖15所示。

由圖13～圖15中可以看出，雙側(cè)壁開挖法施工引起的隧道拱頂沉降量為34.02 mm，三臺階七步開挖法的拱頂沉降為63.92 mm，三臺階+臨時仰拱法的拱頂沉降為42.93 mm，即三臺階七步開挖法引起的拱頂累積沉降量最大，雙側(cè)壁開挖法施工引起的拱頂累積沉降量最小。

2.3.3水平收斂

三種工法水平收斂測點布設(shè)示意圖如圖16～圖18所示。其拱頂沉降數(shù)值模擬如圖19～圖21所示。

由圖19～圖21中可以看出，雙側(cè)壁開挖法施工引起的水平收斂累積最大變形量為42.24 mm，三臺階七步開挖法引起的水平收斂累積最大變形量為57.6 mm，三臺階+臨時仰拱法施工引起的水平收斂累積最大變形量為43.4 mm，即三臺階七步開挖法引起的累積水平收斂量最大，雙側(cè)壁開挖法施工引起的累積水平收斂量最小。

3 位移控制標(biāo)準(zhǔn)

位移控制基準(zhǔn)包括隧道內(nèi)位移、地表沉降等，根據(jù)JTG D70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、隧道施工安全性、隧道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，以及周圍構(gòu)(建)筑物特點和重要性等因素制定，見表2。

表2 洞周水平相對收斂值 %

埋深<5050～300>300Ⅲ級圍巖0.10～0.300.20～0.500.40～1.20Ⅳ級圍巖0.15～0.500.40～1.200.80～2.00Ⅴ級圍巖0.20～0.800.60～1.601.00～3.00注:1)水平收斂值系指收斂位移累計值與兩測點間距之比;2)硬質(zhì)圍巖隧道取表中較小值,軟質(zhì)圍巖隧道取表中較大值;3)拱頂下沉允許值一般可按本表數(shù)值的0.5倍～1.0倍采用;4)本表所列數(shù)值在施工過程中可通過實測和資料積累作適當(dāng)修正

根據(jù)表2，取拱頂下沉允許值為0.5，可以得出桐梓隧道Ⅴ級圍巖中位移變形控制標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 位移變形控制標(biāo)準(zhǔn) mm

根據(jù)表3，結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果，可以得出在數(shù)值計算結(jié)果上，三種開挖工法引起的位移值均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 綜合分析

三種工法現(xiàn)場實際情況對比分析如表4所示，從表4中可以看出三臺階+臨時仰拱在施工進(jìn)度、資源利用、造價、工序轉(zhuǎn)化及施工難度均要優(yōu)于三臺階七步開挖法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但工法安全度相對較低，開挖能夠滿足圍巖及支護(hù)安全穩(wěn)定要求，因此在保證施工安全的條件下三臺階+臨時仰拱法是適用的。

表4 三種工法對比分析表

5 結(jié)語

通過數(shù)值模擬，三種不同開挖方法中圍巖和初支的內(nèi)力和變形分析，得出如下結(jié)論：

1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工在控制圍巖變形和保證圍巖穩(wěn)定性方面優(yōu)于三臺階七步開挖法和三臺階+臨時仰拱法，但三種工法施工均能滿足圍巖及支護(hù)穩(wěn)定性的要求。

2)在隧道開挖中能夠及時封閉成環(huán)可以改善初支結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，既可避免較大的受力突變，減少受力相對集中的狀態(tài)，又可保證圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性，因此在實際施工過程中，考慮工序轉(zhuǎn)換及施工質(zhì)量控制方面，三臺階+臨時仰拱法較三臺階七步開挖法更適用于隧道開挖。

3)對于大跨度隧道施工，應(yīng)在保證安全的前提下，充分考慮施工進(jìn)度、資源的利用率及施工質(zhì)量等方面，根據(jù)實際條件選用合適的施工方法。