超淺埋超小凈距花崗巖隧道中兩種開挖工法的受力分析

聶佳佳

(中交一公局華南工程有限公司，廣州511300)

1 工程概況

蘇州高新區某隧道Ⅳ級圍巖占比74%，Ⅴ級圍巖占比26%，頂板最大埋深約16 m，左右洞凈距6 m，屬于超淺埋超小凈距隧道。隧道進出口段洞身圍巖以黏土、粉質黏土為主，縱向長度約為20～50 m；向洞內延伸到中至微風化花崗巖為主，節理裂隙發育，巖質較硬，圍巖自穩能力較好。原設計采用CD法開挖，考慮圍巖地質較好，擬采用“三臺階法+鋼管樁”工法進行開挖支護。

2 “三臺階法+鋼管樁”開挖工藝

本方法的主要工藝要點為將CD 法改成三臺階法施工，同時每臺階開挖后進行初期支護時，將原設計φ42 mm 鎖腳錨管變為φ76 mm 鎖腳鋼管[1]，即在初支鋼拱架的拱腳處設置2根斜向下的φ89 mm 鋼套管，套管與拱架間采用鋼板、螺栓接牢固，再采用潛孔鉆機將2 根φ76 mm 鎖腳（長4.5 m、斜向下30°～60°）鋼管通過鋼套管定位后斜向下打入巖體中，經過注漿加固后形成鋼拱架-鋼管樁錨固體系，再按原方案進行洞身中空錨桿及中夾巖體小導管注漿加固，掛網錨噴后形成穩固的初期支護體系，在保證施工安全的同時，擴大作業空間，提高工效并節約工程造價。

3 地層-結構法有限元分析

3.1 有限元模型的建立

根據施工工藝優化內容，建立原CD 法和“三臺階法+鋼管樁”開挖工藝的施工階段模型，分析新施工工藝是否可行及其與原方案的對比情況。

本次計算取V 級圍巖施工為最不利工況，根據工程經驗，模型豎向頂部取至地面，底部取至隧道以下3～5 倍隧道高度處，總高約70 m，隧道水平兩側各取3～5 倍隧道寬度，約136 m。最終建立的有限元模型如圖1 所示。

圖1 開挖整體有限元模型圖

本次模擬計算巖土體選用修正莫爾-庫倫彈塑性本構模型，單元類型為四邊形單元。錨桿單元類型為線單元，采用植入式桁架單元。隧道初支、臨時仰拱采用梁單元。邊界條件：約束模型兩側施加水平位移；模型底部施加豎向位移約束。

3.2 施工階段模擬

1）原CD 法數值模擬的工況順序為：初始地應力場分析→左側上臺階超前支護→左側上臺階開挖→左側上部及中隔壁初期支護→左側下臺階及仰拱開挖→左側下臺階、中隔壁及仰拱初期支護→右側上臺階超前支護→右側上臺階開挖→右側上部初期支護→右側下臺階及仰拱開挖→右側下臺階及仰拱初期支護→拆除中隔壁→仰拱→二次襯砌。

2）三臺階法開挖施工階段工況順序為：初始地應力場分析→上臺階超前支護→上臺階開挖→上部初期支護及鎖腳鋼管樁施工→左側中臺階開挖→左側中臺階初期支護及鎖腳鋼管樁施工→右側中臺階開挖→右側中臺階初期支護及鎖腳鋼管樁施工→左側下臺階及仰拱開挖→左側下臺階初期支護→右側下臺階及仰拱開挖→右側下臺階初期支護→仰拱→二次襯砌。

3.3 原CD法開挖計算結果

3.3.1初始地應力場

建立模型初始地應力場，分析結果為模型底部最大豎向應力為1 728 kPa，模型底部最大水平應力為570 kPa，模型高度為70 m，地層平均土重24.7 kN/m3，結果符合實際情況。

3.3.2變形分析

隧道開挖過程中地表沉降及支護結構的變形是重要的監測指標，為了判斷數值模擬分析的準確性和可靠性，特提取地表沉降和拱頂沉降數據進行分析。

根據模型計算結果揭示，隨著開挖逐步進行，地表沉降和拱頂沉降逐漸增大，地表沉降沿隧道橫斷面方向呈槽狀分布。隧道初支貫通后最大地表沉降為3.1 mm，最大拱頂沉降為4.5 mm；隧道中隔壁拆除后最大地表沉降為4.1 mm，最大拱頂沉降為6.9 mm。

3.3.3安全性評價

提取最不利工況下結構內力進行驗算分析，按照破損階段法驗算隧道初支結構的安全系數是否滿足規范要求[2，3]。

中隔壁僅為臨時支護結構，澆筑仰拱時鑿除，故僅對初支的典型位置進行驗算（仰拱處于硬巖，內力很小），得出的各特征點的安全系數如表1 所示。

表1 CD法安全系數

經驗算，初期支護結構安全系數滿足規范要求。

3.4 “三臺階法+鋼管樁”開挖計算分析

3.4.1初始地應力場

模型底部最大豎向應力為1 729 kPa，模型底部最大水平應力為570 kPa，模型高度為70 m，地層平均土重24.7 kN/m3，結果符合實際情況。

3.4.2變形分析

根據模型計算結果揭示，隨著開挖逐步進行，地表沉降和拱頂沉降逐漸增大，地表沉降沿隧道橫斷面方向呈槽狀分布。隧道貫通后地表沉降及拱頂沉降最大，其中最大地表沉降為10.2 mm，最大拱頂沉降為18.0 mm。

3.4.3安全性評價

驗算方法同原CD 法，對典型位置進行驗算（仰拱處于硬巖，內力很小），得出的各特征點的安全系數見表2。

表2 “三臺階法+鋼管樁”工法安全系數

經驗算，初期支護結構安全系數滿足規范要求。

4 技術經濟性分析

2 種工法經濟對比分析如下：

1）CD 法施工的缺點主要為：各斷面施工工序間距小，不利于機械化施工；中隔壁及臨時仰拱將隧道分為左右上下4部分，機械轉場頻繁；拆除中隔壁、仰拱施工時，中隔壁長時間懸空，存在較大的安全隱患；中隔壁拆除困難，需要爆破，影響了其他工序；隧道施工時分塊越多，開挖時對圍巖的擾動次數越多。

2）“三臺階法+鋼管樁”施工的優點主要為：在受力角度上，與CD 法的結構受力相比，結構承載能力更高，不存在CD法的交叉點應力集中以及工序轉換復雜問題；可以減少臨時支撐的施作和拆除工序，節約材料及工程造價；擴大了施工作業空間，利于大型機械操作，利于施工管理和質量控制，加快了施工進度，進一步到達節約造價的目的。

以本工程為例，應用“三臺階法+鋼管樁”工藝后，節約清單中原CD 法中隔壁的臨時支護分部分項工程費用約390 萬元，新增鋼管樁及注漿的分部分項工程費用約190 萬元，總節約工程造價約260 萬元（含其他取費），按雙洞260 m 計算，降低工程造價約1 萬元/m；同時，施工工效顯著提升（三臺階法工效為CD 法2 倍以上），大幅加快了施工進度，確保工期按時完成。

5 結語

基于上述分析可得以下結論：

1）本段隧道洞身及拱頂上覆一定厚度的花崗巖，地層情況相對較好，采用“三臺階法+鋼管樁”方案具有可行性。

2）在不考慮爆破振動影響的前提下，原CD 法施工方案引起的拱頂沉降值為4.5 mm，“三臺階法+鋼管樁”工法引起的拱頂沉降值為17.0 mm。

3）原CD 法施工方案的初支最大彎矩值為220.6 kN·m，“三臺階法+鋼管樁”工法的初支最大彎矩值為33.6 kN·m，原方案的初支彎矩比“三臺階法+鋼管樁”工法大，主要原因是中隔壁為弧形，CD 法在開挖完成后中隔壁承受較大的拱頂和仰拱豎向壓力，即軸力較大且處于偏壓受力狀態，偏壓受力導致中隔壁發生了很大的彎矩，而不考慮中隔壁，僅對比初支輪廓的內力（不考慮中隔壁與初支輪廓連接節點），則原方案初支彎矩最大值為27.3 kN·m，“三臺階法+鋼管樁”工法初支彎矩最大值為33.6 kN·m，兩者相差不大，安全系數均可滿足規范要求。

4）采用“三臺階法+鋼管樁”方案，鋼管樁采用76 mm 的鋼管注漿，鋼管樁剛度大，承受的支撐力大，從而可以有效限制鋼架的拱腳位移，原方案鎖腳錨桿最大軸力為15.7 kN，而“三臺階法+鋼管樁”工法采用鋼管樁作為鎖腳錨桿，最大軸力可達95 kN。