軟巖淺埋隧道錨開挖方案比選研究

李耘宇 申裕峰 李之達 王廣群 彭浩雄 梁 倩

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430063) (武漢市水務建設工程有限公司2) 武漢 430021)

(武漢電力職業(yè)技術學院3) 武漢 430070)

0 引 言

隧道錨作為懸索橋主要承載構件，在主纜巨大拉拔荷載作用下錨塞體與圍巖共同受力，形成一個有機的受力系統(tǒng)[1]．與常規(guī)隧道不同，隧道錨通常與水平面有較大傾角，形狀為楔形屬于變截面且越往隧道深處斷面越大．上述特點導致隧道錨的施工工法選擇，相比于常規(guī)隧道需要更具準確性、合理性．

目前，針對不同形式隧道的開挖方案選擇研究，學者們已經取得了一定的成就．李俊達等[2]使用案例推理技術，建立了鐵路隧道開挖方法的輔助決策模型．黃維新等[3]通過分析比較了不同開挖順序，對軟巖隧道各階段施工過程中圍巖變形量的影響．李昀等[4]借助反演分析方法得到數(shù)值模型參數(shù)，對臺階法開挖和全斷面開挖進行了方案比選分析．孟哲瑋等[5]采用荷載-結構法的二維有限模型，比較分析了溶巖大斷面隧道的不同開挖支護方案．申靈君[6]以湘桂鐵路擴改工程大坪隧道為工程背景，對軟弱地層大斷面隧道的交叉中隔壁(CRD)法和三臺階法兩種施工開挖方案，進行多維度的比較分析，論證了在軟弱地層大斷面隧道施工中運用三臺階七步法的可行性．

但是，對于具有大傾角、軟弱巖層且埋深較淺的復雜地層隧道式錨碇的開挖方案研究較少．文中以伍家崗長江大橋北岸隧道錨為研究對象，采用層次權重決策分析法，對隧道開挖施工過程中的圍巖變形沉降、施工難度、施工速度、工程造價進行比較分析，并結合數(shù)值分析軟件FLAC3D對三臺階法、三臺階臨時仰拱法、正臺階環(huán)形開挖法和CRD法進行數(shù)值模擬，得到四種開挖方案下的圍巖變形、應力和塑性區(qū)大小．通過對比層次權重決策分析法的分析結論和數(shù)值模擬的計算結果，為軟巖淺埋隧道錨開挖工法選擇提供科學指導．

1 工程概況

伍家崗長江大橋為跨度1 160 m的鋼箱梁懸索橋，北岸采用隧道式錨碇，南岸采用重力式錨碇結構．隧道錨由洞口、前錨室、錨塞體和后錨室組成，整體呈前小后大的楔形狀．隧道錨結構圖見圖1，其軸線長度90 m，軸線與水平面傾角為40°，后錨室距設計路面最大埋深為80 m，前錨面尺寸為9.04 m×11.44 m，后錨面尺寸則為16 m×20 m．

隧道錨場地區(qū)基巖裸露，主要為羅鏡灘組雜色中厚至巨厚層狀礫巖夾砂礫巖或含礫砂巖及砂巖，錨塞體整體位于微風化巖層，巖體的飽和抗壓強度為15 MPa，抗剪強度0.7 MPa，屬較軟巖-軟巖．地層總體近水平，產狀傾向SE125°～143°、傾角4°～7°，巖體內構造不發(fā)育，未見斷層和裂隙，隧道錨所處山體整體穩(wěn)定性較好．

2 層次權重決策分析方法下開挖方案選擇

2.1 結構開挖方案初選

伍家崗長江大橋北岸隧道錨，大傾角、變截面的結構特點給隧道施工帶來較大困難，因此就施工機械的操作性和出渣的便利性而言，臺階法較為合適．同時考慮到洞口段的圍巖情況，和錨塞體段大斷面的特點，CRD法較為合適．由于前錨室段的截面尺寸較小，適合于簡單臺階法開挖．綜合考慮以上方法特點，再結合錨塞體對圍巖整體性較高的要求下，初步確定三臺階法、三臺階臨時仰拱法、正臺階環(huán)形開挖法和CRD法，作為隧道錨的開挖方案進行比較選擇，四種開挖方法下的開挖斷面圖見圖2．

圖2 不同開挖方法下的開挖斷面圖

2.2 基于層次權重決策分析方法的開挖方案量化分析

層次權重決策分析方法能將一個多目標決策問題分解為多個目標，進而分解為多向指標的若干層次，通過定性指標算出層次單排序和總排序，以優(yōu)化多方案決策問題[7]．

具體比選步驟為：

步驟1建立目標分層結構，即相應的比選方案和評價指標，目標分層結構圖見圖3．

圖3 層次權重決策分析法目標分層結構圖

步驟2建立兩兩比較的判別矩陣 在統(tǒng)一評價指標下各施工方法之間的難度對比見表1．

表1 開挖方法對比表

根據(jù)評價指標將開挖方案兩兩比較，給出比分值然后確定判斷矩陣B如下.

(1)

元素bij的確定方法：若開挖方法Pi與Pj優(yōu)劣相當，則bij=1；若開挖方法Pi略優(yōu)于Pj，則bij=3；若開挖方法Pi優(yōu)于Pj，則bij=5；若開挖方法Pi甚優(yōu)于Pj，則bij=7．同理，若開挖方法Pi稍劣于Pj，則bij=1/3；若開挖方法Pi劣于Pj，則bij=1/5；若開挖方法Pi甚劣于Pj，則bij=1/7，重要程度介于中間時可取中間值．

對于不同的評價指標，各開挖方案的排序有所不同，具體就施工難度C1而言P1>P3>P2>P4，根據(jù)沉降變形C2則是P4>P2>P3>P1，同樣對于C3施工速度為P1>P2>P3>P4，工程造價C4所對應的方案排序為P1>P3>P2>P4．根據(jù)以上原則和排序構建各評價指標的判別矩陣見表2．

表2 各評價指標下判斷矩陣

步驟3一致性檢驗 為盡量降低判別矩陣中元素取值的人為性影響，需要利用特征值檢驗判別矩陣一致性差異是否滿足要求，即首先計算判別矩陣最大特征值λmax，再利用式(2)，計算檢驗數(shù)CI，若CI<0.1，則認為所列判別矩陣是滿足要求的．

(2)

通過計算得到各判別矩陣最大特征值λmax，和檢驗數(shù)CI見表3．

表3 一致性檢驗結果

步驟4確定開挖方案總排序 確定開挖方案總排序時，以變形沉降量大小和工程造價為主要考慮方面，且處于安全性考慮，控制變形沉降量權重將大于工程造價權重，根據(jù)相對權重計算公式求出層次單排序和總排序的結果，排序見表4．

表4 層次權重決策分析法下開挖方案總體排序

由表4 可知：當目標指標著重于變形沉降C1和工程造價C4時，開挖方案中體排序結果為三臺階臨時仰拱法P2最優(yōu)，CRD法次之；就著眼于控制變形沉降量而言CRD法效果最好，這也符合工程實際邏輯．因此層次權重決策分析法下伍家崗長江大橋北岸隧道錨開挖最優(yōu)方案為三臺階臨時仰拱法．

3 數(shù)值計算模型

3.1 計算模型及參數(shù)

使用計算軟件FLAC3D，結合工程地質資料建立數(shù)值分析模型，模型以橋梁中心線為X軸，根據(jù)圣維南原理巖體開挖后的應力-應變只對3～5倍開挖斷面邊長的范圍內的巖體有影響[8]，在該范圍之外可近似認為巖體所受應變?yōu)榱悖嗜∮嬎隳Ｐ偷姆秶鸀?40 m×150 m×150 m，X軸取前錨室前端中心點正方向135 m，負方向105 m，Y軸取垂直橋梁中心線左右兩邊各75 m，Z軸從高程-60 m至地表．

巖體采用Mohr-Coulomb本構模型，用實體單元模擬，通過六面體為主的單元進行網格劃分；襯砌采用線彈性本構模型，用shell單元模擬；錨桿采用線彈性本構模型，用cable單元模擬．由于隧道錨屬于淺埋型隧道，其構造應力場很小幾乎可以忽略，所以在模擬分析時僅考慮自重應力場的作用．

模型中圍巖力學參數(shù)的設定，將會直接影響到隧洞的拱頂沉降大小和洞周圍巖的收斂情況[9]，而隧道錨初期支護采用錨桿+鋼拱架+鋼筋網+噴射混凝土的支護方式，因此需要將鋼拱架的支護作用根據(jù)等效原則增加到噴射混凝土的力學參數(shù)中，其等效方法按照式(3)計算，得到模型材料計算參數(shù)表，見表5．

表5 數(shù)值模型材料計算參數(shù)表

(3)

式中：E為折算后結構彈性模量；E0為噴射混凝土彈性模量；Eg為鋼拱架彈性模量；Sg為鋼拱架橫截面積；Sc為噴射混凝土橫截面積．

根據(jù)以上材料參數(shù)建立四種開挖方案下的數(shù)值模型，其不同的開挖支護模擬圖見圖4．模擬開挖時開挖時嚴格按照“開挖一段、支護一段、封閉一段”的原則，每次開挖進尺為每2榀鋼架(0.6 m/榀)一個循環(huán)，上下臺階長度為4.8 m，各級臺階采用平行于錨體軸線的方式進行開挖．

圖4 不同開挖方案下的開挖支護模擬圖

3.2 數(shù)值模擬結果分析

3.2.1圍巖變形對比分析

通過數(shù)值方法模擬四種不同開挖方案下的隧道施工過程，得到開挖完成后的隧洞拱頂沉降數(shù)據(jù)和圍巖水平位移量．不同開挖方法下的圍巖最大位移見圖5．

圖5 不同開挖方案下的圍巖水平位移圖

四種開挖方案在對隧洞圍巖變形的控制上差異不大，隧道拱頂沉降和水平位移量均較小，由此可見隧道錨所處山體圍巖的整體穩(wěn)定性較好．對于四種開挖方案而言，CRD法的拱頂沉降值最小，其次是三臺階臨時仰拱法，正臺階環(huán)形開挖法最大；三臺階法、三臺階臨時仰拱法和正臺階環(huán)形開挖法的拱頂沉降分別是CRD法的1.15倍、1.10倍和1.17倍．CRD法的水平位移值最小，其次是三臺階臨時仰拱法，三臺階法最大；三臺階法、三臺階臨時仰拱法和正臺階環(huán)形開挖法的水平位移分別是CRD法的1.26倍、1.18倍和1.24倍；對比三臺階法和三臺階臨時仰拱法可知，在隧道開挖過程中設置臨時仰拱，能夠明顯降低拱頂沉降量和水平位移，從而保證隧道錨的安全性和穩(wěn)定性．

3.2.2圍巖及初期支護應力對比分析

通過數(shù)值模擬得到四種不同開挖方案下隧道開挖完成后的圍巖及初期支護最大應力見圖6．

圖6 不同開挖方案下的圍巖及初期支護最大應力圖

由圖6a)可知：對于圍巖最大拉應力，三臺階臨時仰拱法最小，CRD法次之，三臺階法最大，其中三臺階法開挖的圍巖最大拉應力是三臺階臨時仰拱法的1.27倍；四種開挖方案下的最大圍巖剪應力大小排序和圍巖最大拉應力相同，仍然是三臺階臨時仰拱法最小，三臺階臨時仰拱法下的圍巖最大剪應力是三臺階法下的72.3%；就圍巖最大壓應力而言，四種開挖方案在數(shù)值上差距相對較大，CRD法最小，三臺階臨時仰拱法次之，其中三臺階法是CRD法的1.24倍，三臺階臨時仰拱法是三臺階法的82.4%．

因為支護荷載的來源為隧道圍巖變形，而圍巖變形量的大小是圍巖荷載與支護抗力相平衡的結果[10]．因此初期支護最大應力則與圍巖所受最大應力的排序不同，由圖6b)可知：三臺階臨時仰拱法的初期支護所受應力最大，該方案下初期支護的最大拉應力為10.33 MPa，最大壓應力為9.6 MPa．除CRD法外的三種開挖方案初期支護應力相差不大，CRD法得益于其復雜的施工工藝，將隧道開挖斷面劃分為較小的開挖斷面后分部開挖，該方案增加了大量臨時支護結構，各部分封閉成環(huán)的時間變短，且支護剛度大，因此初期支護應力相對較小．

3.2.3圍巖塑性區(qū)對比分析

由于塑性區(qū)主要分布在隧道錨洞的周圍，而地表和內部巖體較少，故僅對比錨洞周圍的塑性區(qū)分布．FLAC3D中采用now表示現(xiàn)在該區(qū)域內的單元處于屈服面上，past表示該區(qū)域內的單元過去處于屈服面上，而現(xiàn)在降到屈服面以下．因此在分析實際工程的塑性區(qū)時，重點關注的是處于now狀態(tài)的屈服區(qū)域，只有這些單元才可能使模型發(fā)生破壞．

塑性區(qū)主要分布在錨洞的中后段部分，且主要沿洞周分布，兩側壁和拱部塑性區(qū)多于底板部位．開挖完成后的塑性區(qū)大部分都處于past狀態(tài)，而now狀態(tài)的塑性區(qū)只有局部很小的范圍，這些塑性區(qū)主要分布在錨塞體段的拱腳和后錨室的端墻，即：四種開挖方案下開挖完成后的巖體大部分都處于彈性變形階段，只有極小部分區(qū)域現(xiàn)在處于剪切屈服狀態(tài)，對隧道錨的安全穩(wěn)定基本沒有影響．

4 結 論

1) 利用層次權重決策分析法，對伍家崗長江大橋北岸隧道錨開挖進行了分析，當目標指標著重于沉降變形和工程造價時，三臺階臨時仰拱法開挖最優(yōu)．

2) 采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，分別對四種開挖方案下的隧道錨進行單獨建模，分析結果為：從控制隧道錨圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)展考慮，CRD法和三臺階臨時仰拱法較優(yōu)．

3) 層次權重決策分析法結論與數(shù)值計算結果一致，說明在隧道錨開挖方案選擇上，層次權重決策分析法能夠提供比較強的科學指導意義．

4) 在軟巖淺埋隧道錨開挖方案選擇上，將層次權重決策分析法和FLAC3D軟件結合，能夠為實際工程提供多維度的科學意見，將更好地指導隧道錨施工開挖．