基于卸荷減跨機(jī)理的大跨度隧道開挖優(yōu)化*

王松周，傅鶴林，曹 琦，劉運(yùn)思

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，在空間尺寸方面對(duì)隧道建設(shè)提出了更高的要求。大跨度隧道因其在增加車道、緩解交通壓力方面的優(yōu)勢，得到迅速發(fā)展。國內(nèi)對(duì)大跨度隧道的設(shè)計(jì)和施工均沒有成熟的理論，特別是施加在隧道結(jié)構(gòu)荷載方面，規(guī)范及理論研究均無研究報(bào)道。

長沙市營盤路湘江隧道工程位于銀盆嶺大橋和橘子洲大橋居中偏南位置，東西走向，分別穿越瀟湘大道和湘江大道，主線為雙向四車道隧道，匝道為單向單車道隧道。大跨段位于主線與匝道交界處，大跨最大跨度達(dá)23 m。隧道埋深淺，穿越湘江，地下水發(fā)育，地質(zhì)條件為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化板巖，節(jié)理發(fā)育，圍巖破碎，為Ⅴ級(jí)圍巖。此外地表為瀟湘大道，各種車輛及重型工程車輛經(jīng)過，存在著較大的動(dòng)荷載。

總之，淺埋、圍巖破碎、地下水發(fā)育、動(dòng)荷載等因素給大跨度隧道施工帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)。

1 隧道埋深及荷載計(jì)算

1.1 深埋和淺埋分界

由于隧道埋深的不同，荷載的計(jì)算公式也不同，因此有必要先說明深埋和淺埋的分界值。

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了深埋和淺埋隧道的分界值，并給出了相應(yīng)的荷載計(jì)算公式［1］。深埋和淺埋隧道的分界，按隧道荷載等效高度判定公式為:

其中:Hp為淺埋隧道分界深度，m;hq為荷載等效高度，m。

對(duì)于礦山法施工條件下Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖取

Ⅰ～Ⅲ級(jí)圍巖取

其中:q=γh，為深埋隧道垂直均布?jí)毫Γ?kN/m2)。

γ為圍巖重度，(kN/m3);S為圍巖級(jí)別;B為隧道寬度，m;ω為隧道影響系數(shù)，ω=1+i(B－5);i為B每減少1 m時(shí)的圍巖壓力增減率，以B=5 m的圍巖垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)，當(dāng)B ＜5 m時(shí)，取，當(dāng)B ＞5 m時(shí)，取 i=0.2 m，當(dāng) B ＞5 m 時(shí)，取 i=0.1 m。

1.2 隧道荷載計(jì)算

1.2.1 深埋隧道荷載計(jì)算［2］

對(duì)于Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖深埋隧道，作用在隧道結(jié)構(gòu)上的垂直荷載為:

其中各符號(hào)代表含義同上。

1.2.2 淺埋隧道荷載計(jì)算［3－4］

當(dāng)埋深(H)小于或等于等效高度hq時(shí)，荷載視為垂直均布?jí)毫?，?/p>

其中:H為隧道埋深，指坑頂?shù)降孛娴木嚯x，m。

當(dāng)隧道埋深大于hq，而小于Hp時(shí)，

其中:B為坑道寬度，m;φc為圍巖計(jì)算內(nèi)摩擦角;λ為側(cè)壓力系數(shù);φ為圍巖摩擦角;θ為滑面的摩擦角，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖時(shí)，取θ=0.9φ;Ⅳ級(jí)圍巖時(shí)取θ =(0.7 － 0.9)φ;Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)，取 θ=(0.5 － 0.7φ);Ⅵ級(jí)圍巖時(shí)，取 θ=(0.3 － 0.5)φ。

2 卸荷減跨機(jī)理

2.1 原理

大跨度隧道開挖時(shí)，若直接開挖，圍巖將給隧道結(jié)構(gòu)施加巨大的荷載，此外，由于大跨度，支護(hù)結(jié)構(gòu)本身將產(chǎn)生很大的內(nèi)力，容易導(dǎo)致變形過大、結(jié)構(gòu)開裂，甚至塌方等工程問題，具有極大的施工風(fēng)險(xiǎn)［5］，示意圖如圖 1 所示。

圖1 大跨直接開挖Fig.1 Full－ face excavation

本文基于卸荷減跨機(jī)理，從減少隧道荷載、降低開挖跨度的角度出發(fā)，采用雙側(cè)壁到坑法，把大跨段分成左、中、右3個(gè)導(dǎo)洞分部錯(cuò)位開挖［6－7］。具體步驟為:(1)先開挖右導(dǎo)洞并及時(shí)支護(hù);(2)待右導(dǎo)洞完全穿過大跨、變形趨于穩(wěn)定以后，開挖左導(dǎo)洞，并及時(shí)支護(hù);(3)待左右導(dǎo)洞變形趨于穩(wěn)定以后，開挖中導(dǎo)洞，并及時(shí)支護(hù)。每個(gè)導(dǎo)洞開挖時(shí)，由于跨度的減小，隧道結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的荷載也相應(yīng)減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力大為減小，從而從根本上減少了支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，確保隧道的安全，其示意圖如圖2所示。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖Fig.2 Two－side wall pilot construction

2.2 營盤路隧道大跨段荷載計(jì)算

以營盤路湘江隧道大跨段為背景，選取某大跨斷面，隧道跨度為Bt=18 m，埋深H=19 m，Ⅴ級(jí)圍巖，自地表以下，分別為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化板巖、微風(fēng)化板巖。相應(yīng)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 大跨段隧道荷載計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters of the tunnel load calculation for largespan tunnel

按公式(1)～(4)相關(guān)公式計(jì)算，求得:

本隧道屬于礦山法施工，Ⅴ級(jí)圍巖取Hp=2.5hq，求得:

本斷面埋深H=19 m，隧道埋深大于hq，而小于Hp，應(yīng)采用公式(7)～(9)計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)承受的荷載。

若大跨直接開挖，隧道荷載計(jì)算范圍如圖3所示。

圖3 大跨直接開挖隧道荷載計(jì)算圖Fig.3 Load calculation for full－ face excavation

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的計(jì)算公式，將表1中相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(7)～(9)，即可得到隧道結(jié)構(gòu)承受的荷載:

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隧道所承受的荷載很大，由于18 m的跨度，隧道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生巨大的內(nèi)力，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極為不利的影響，有很大的施工風(fēng)險(xiǎn)。

采用雙側(cè)壁開挖時(shí)，因左右導(dǎo)洞開挖跨度一樣，本文只計(jì)算其中一個(gè)。以左導(dǎo)洞為例，隧道荷載計(jì)算范圍如圖4所示。其開挖跨度為6.82 m，采用公式(7)～(9)計(jì)算，得到:

圖4 左導(dǎo)洞開挖隧道荷載計(jì)算圖Fig.4 Load calculation for left pilot hole excavation

對(duì)比以上計(jì)算結(jié)果，左導(dǎo)洞的隧道荷載為大跨直接開挖時(shí)的84%，說明減跨后，支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載迅速下降，“卸荷”效果明顯。此外，左導(dǎo)洞的開挖跨度為大跨的38%，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力將明顯改善。

綜上，雙側(cè)壁導(dǎo)坑相比大跨直接開挖，不僅支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載大幅度減小，實(shí)現(xiàn)荷載的分步轉(zhuǎn)移，圍巖出現(xiàn)卸荷松動(dòng)區(qū)，同時(shí)由于跨度的減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的內(nèi)力也相應(yīng)減小，從而從根本上確保了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全、確保了隧道安全、平穩(wěn)施工。

3 有限元模擬計(jì)算

采用三維有限元程序Midas/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，隧道初期支護(hù)如圖5所示，計(jì)算模型的力學(xué)參數(shù)如表2所示。材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，采用Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則，與前文的松動(dòng)荷載計(jì)算不同，模擬計(jì)算時(shí)以σ1作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示。應(yīng)力分布圖體現(xiàn)了整體效果，為了便于具體比較，分別選取左、中、右導(dǎo)洞中的拱頂與圍巖接觸處某個(gè)特定單元作為研究對(duì)象，并命名為 σ1－左，σ1－中和σ1－右。

表2 初期支護(hù)參數(shù)Table 2 Primary support parameters

圖5 隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Tunnel primary support structure

圖6 左導(dǎo)洞開挖后σ1分布圖Fig.6 σ1 distribution after left pilot hole excavation

圖7 左、右導(dǎo)洞開挖后σ1分布圖Fig.7 σ1 distribution after left and right pilot hole excavation

圖8 左、右、中導(dǎo)洞開挖后σ1分布圖Fig.8 σ1 distribution after left and right and central pilot hole excavation

左導(dǎo)洞開挖以后，圍巖的卸荷松動(dòng)區(qū)如圖6所示，左側(cè)圍巖卸荷。特定單元相應(yīng)的數(shù)據(jù)為σ1－左=105.19 kPa，σ1－中=181.26 kPa，σ1－右=179.19 kPa。

右導(dǎo)洞開挖以后，圍巖的卸荷松動(dòng)區(qū)如圖7所示，右導(dǎo)洞開挖，右側(cè)圍巖卸荷。特定單元相應(yīng)的數(shù)據(jù)為 σ1－左=108.22 kPa，σ1－中=182.91 kPa，σ1－右=112.50 kPa。右導(dǎo)洞開挖以后，左導(dǎo)洞處的數(shù)據(jù)并沒有發(fā)生較大的變化，中導(dǎo)洞數(shù)據(jù)稍微增大，說明右導(dǎo)洞的卸荷對(duì)左、中導(dǎo)洞影響不大。

3個(gè)導(dǎo)洞均開挖以后，圍巖的卸荷松動(dòng)區(qū)如圖8所示，中導(dǎo)洞卸荷。特定單元相應(yīng)的數(shù)據(jù)為σ1－左=154.86 kPa，σ1－中=101.33 kPa，σ1－右=155.88 kPa。左右導(dǎo)洞數(shù)據(jù)均增大，中導(dǎo)洞減小，說明中導(dǎo)洞卸荷時(shí)，荷載傳遞給了左右導(dǎo)洞。

4 結(jié)論

(1)大跨段若直接開挖面臨巨大的施工風(fēng)險(xiǎn)，宜采用分步分區(qū)錯(cuò)位開挖。

(2)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖以后，隧道跨度減小，其承受的單次荷載減小較為明顯。跨度和荷載的減小，從根本上改變了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，確保了隧道的安全、平穩(wěn)施工。

(3)隧道分部開挖，荷載分步轉(zhuǎn)移，圍巖出現(xiàn)卸荷松動(dòng)區(qū)。左、右導(dǎo)洞圍巖卸荷時(shí)，對(duì)未開挖區(qū)域影響不大;中導(dǎo)洞圍巖卸荷時(shí)，左右導(dǎo)洞將承受中導(dǎo)洞傳遞過來的較大二次荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，施工過程中要提早預(yù)防，采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

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