軟弱圍巖大斷面隧道環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相關(guān)參數(shù)研究*

鄧思遠(yuǎn)楊其新蔣雅君馬鵬遠(yuǎn)

（1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，100055，北京∥第一作者，碩士研究生）

軟弱圍巖大斷面隧道環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相關(guān)參數(shù)研究*

鄧思遠(yuǎn)1楊其新1蔣雅君1馬鵬遠(yuǎn)2

（1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，100055，北京∥第一作者，碩士研究生）

結(jié)合湖北省境內(nèi)某隧道項(xiàng)目，采用三維建模模擬環(huán)形開挖預(yù)留核心土法在不同核心土長(zhǎng)度、臺(tái)階長(zhǎng)度、進(jìn)尺深度、襯砌施作時(shí)間下圍巖變形情況，找出環(huán)形開挖預(yù)留核心土法各因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，獲得經(jīng)濟(jì)合理的開挖參數(shù)?？偨Y(jié)了施工關(guān)鍵點(diǎn)，為廣大工程技術(shù)人員提供參考。

大斷面隧道施工；軟弱圍巖；環(huán)形開挖預(yù)留核心土法；開挖參數(shù)

First-author＇s address ME Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng)，線路規(guī)劃設(shè)計(jì)更注重安全效益。由于采用隧道改善線路結(jié)構(gòu)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義，故高速鐵路線路中，橋隧所占比例相當(dāng)高。但隧道修建費(fèi)用昂貴，施工方法多，技術(shù)要求高。文獻(xiàn)［1］指出，隧道承受的最大作用力往往發(fā)生在施工階段。若能因地制宜，采用最經(jīng)濟(jì)合理的方法修建隧道，則隧道工程必將迎來(lái)廣闊的前景。

1　環(huán)形開挖預(yù)留核心土法優(yōu)勢(shì)

目前，我國(guó)常用的軟弱圍巖隧道施工工法有CRD（交叉中隔壁）法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。雖然上述工法控制變形效果好，但需要設(shè)置和拆除臨時(shí)支撐，分塊較多，作業(yè)空間狹小，難以使用大型機(jī)械，工序復(fù)雜。在一些地質(zhì)條件較好或非特大斷面隧道中，采用這兩種工法是不經(jīng)濟(jì)的。

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法無(wú)須設(shè)置中隔墻及臨時(shí)仰拱，施工簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)。如深圳羊臺(tái)山隧道淺埋段最初方案為CRD法，后改用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益［2］。南京老山隧道采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，月掘進(jìn)百米以上。采用該工法平均每延米節(jié)省投資4 200元［3］。環(huán)形開挖預(yù)留核心土法安全性高，施工時(shí)掌子面穩(wěn)定性好，常用于VI級(jí)圍巖單線隧道和V～VI級(jí)圍巖雙線隧道掘進(jìn)，在土質(zhì)及軟弱圍巖隧道中也有較多應(yīng)用［4］。核心土長(zhǎng)度、臺(tái)階土長(zhǎng)度、進(jìn)尺深度、襯砌施作時(shí)間與圍巖的穩(wěn)定及變形有重要聯(lián)系。本文將結(jié)合湖北某隧道項(xiàng)目，研究相關(guān)參數(shù)對(duì)圍巖變形的影響。

2　隧道變形破壞形式

圍巖開挖后，初始地應(yīng)力釋放，引起圍巖變形。圍巖變形可大致分為3個(gè)階段：①掌子面前方一定范圍內(nèi)產(chǎn)生先行位移，掌子面處拱頂下沉；②掌子面擠出變形；③隨著掌子面推進(jìn)，在掌子面后方拱頂仍不斷沉降，最后趨于穩(wěn)定，達(dá)到收斂。

在軟弱圍巖中，由于圍巖強(qiáng)度不高，通常3個(gè)階段的變形都較大。當(dāng)掌子面前方先行位移較大時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致掌子面拱頂部分坍塌。在軟弱圍巖條件下，當(dāng)先行位移超過(guò)全位移30%以上，甚至達(dá)到50%或更大時(shí)，如不加控制，則會(huì)成為掌子面拱頂部分坍塌以及發(fā)生大變形的主要原因［5］。

隧道的一切變形均與超前核心土（掌子面前方一定范圍內(nèi)的圓柱形土體，其高度和直徑大致等于隧道直徑）有關(guān)，隧道洞室很少在超前核心土失穩(wěn)前就發(fā)生破壞。如：羅馬—佛羅倫薩高速鐵路塔索隧道在掌子面失穩(wěn)后，后方30～40 m已支護(hù)區(qū)段發(fā)生坍塌；梅西納—巴勒莫高速公路圣厄里亞隧道在掌子面失穩(wěn)后數(shù)小時(shí)內(nèi)后方區(qū)段塌方［1］。

由于掌子面穩(wěn)定事關(guān)隧道整體安全性，因此圍巖條件較差時(shí)須加強(qiáng)對(duì)掌子面的監(jiān)控，主要對(duì)拱頂沉降、水平收斂、隧道中心縱向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3　數(shù)值模擬

本模型參數(shù)主要來(lái)源于湖北省境內(nèi)某隧道。該隧道埋深為50 m，其斷面形式如圖1所示?？紤]到實(shí)際工程中圍巖破碎，且采取了多種輔助措施，故圍巖參數(shù)按文獻(xiàn)［6］中的VI級(jí)圍巖物理指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值選?。ㄒ?jiàn)表1）。襯砌由24 cm厚噴射混凝土、φ8鋼筋網(wǎng)、工字鋼等組成，其折算后參數(shù)如表1所示。

圖1　隧道斷面圖

表1　圍巖與支護(hù)參數(shù)

模型采用大型有限元軟件Midas GTS建模，如圖2所示。左右邊界各取4倍洞徑，底部取3倍洞徑。由于隧道開挖的縱向影響范圍約為2.0～2.5倍洞徑［5］，故本模型縱向取2.5倍洞徑。對(duì)開挖土體進(jìn)行網(wǎng)格局部加密以確保精確，并減少運(yùn)算時(shí)間。

圖2　隧道及圍巖三維模型示意圖

核心土、臺(tái)階土體與掌子面之間的關(guān)系是四維的，需要考慮空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。目前，這方面的研究尚在探索階段，常采用荷載釋放系數(shù)綜合考慮兩者的影響［7］。本模型是三維空間模型，已模擬空間效應(yīng)，時(shí)間效應(yīng)暫不考慮。

施工工序（見(jiàn)圖3）主要參考文獻(xiàn)［8］：先開挖上部環(huán)形導(dǎo)坑，及時(shí)施作上部初期支護(hù)，預(yù)留一定長(zhǎng)度核心土，開挖下臺(tái)階并施作兩側(cè)初期支護(hù)，最后進(jìn)行檢底和施作仰供。為方便架設(shè)鋼拱架，本模型核心土高度取2.5 m，頂部寬度為5 m。上部核心土邊坡率取1∶0.50～1∶0.75。

圖3　施工工序示意圖

為了研究不同參數(shù)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，按四種工況進(jìn)行分析。圖4為施工步計(jì)算模型示意圖。

（1）工況Ⅰ。取核心土長(zhǎng)度為變量，圍巖參數(shù)、襯砌厚度、臺(tái)階長(zhǎng)度和高度等為不變量。按核心土長(zhǎng)度分別為1 m、3 m、5 m、7 m計(jì)算，以研究核心土長(zhǎng)度對(duì)圍巖變形的影響。

（2）工況Ⅱ。取臺(tái)階長(zhǎng)度為變量，其余為不變量。按臺(tái)階長(zhǎng)度分別為6 m、10 m、15 m、20 m計(jì)算，以研究臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)圍巖變形的影響。

（3）工況Ⅲ。取循環(huán)進(jìn)尺深度為變量，其余為不變量。按循環(huán)進(jìn)尺深度分別取0.5 m、1 m、2 m計(jì)算，以研究進(jìn)尺深度對(duì)圍巖變形的影響。

（4）工況Ⅳ。取襯砌落后掌子面的距離為變量，其余為不變量。按襯砌落后掌子面0 m、0.5 m、1 m、1.5 m計(jì)算，以研究襯砌支護(hù)時(shí)間對(duì)圍巖變形的影響。

圖4　施工步計(jì)算模型示意圖

4　計(jì)算結(jié)果分析

4.1工況Ⅰ計(jì)算結(jié)果分析

工況Ⅰ計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示。由圖5、圖6可見(jiàn)，核心土長(zhǎng)度對(duì)拱頂沉降和水平收斂影響不大。圖7中，隧道中心縱向位移隨著核心土長(zhǎng)度增加而小幅度減小。這說(shuō)明核心土有利于掌子面穩(wěn)定。當(dāng)核心土長(zhǎng)度超過(guò)5 m以后，隧道中心縱向位移幾乎不再減小。此時(shí)，核心土對(duì)掌子面的穩(wěn)定作用不再隨著其長(zhǎng)度增加而增加。

圖5　工況Ⅰ拱頂沉降

4.2工況Ⅱ計(jì)算結(jié)果分析

工況Ⅱ計(jì)算結(jié)果如圖8～圖10所示。由圖可見(jiàn)，與核心土類似，臺(tái)階長(zhǎng)度在0.5～1.5倍洞徑范圍內(nèi)時(shí)，圍巖的環(huán)向變形基本相同。隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的增加，隧道中心縱向位移減?。划?dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度超過(guò)15 m以后，隧道中心縱向位移減小幅度明顯放緩。

圖6　工況Ⅰ水平位移收斂情況

圖7　工況Ⅰ隧道中心縱向位移

與工況Ⅰ的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階土對(duì)掌子面的穩(wěn)定作用更加明顯。

圖8　工況Ⅱ拱頂沉降

圖9　工況Ⅱ水平位移收斂情況

4.3工況Ⅲ計(jì)算結(jié)果分析

圖10　工況Ⅱ隧道中心縱向位移

工況Ⅲ計(jì)算結(jié)果如圖11～13所示。由圖13可見(jiàn)，隧道拱頂沉降和洞周水平收斂會(huì)隨著進(jìn)尺深度減小而減小。這說(shuō)明“短開挖”有利于控制隧道變形。圖13中，隧道中心縱向位移隨著循環(huán)進(jìn)尺深度的減小而增大。這可能是由于計(jì)算模型作了簡(jiǎn)化造成的。實(shí)際施工中圍巖開挖、架設(shè)鋼拱架、噴射混凝土硬化是需要時(shí)間的，即所謂的隧道開挖“時(shí)間效應(yīng)”。進(jìn)尺深度越大，則施工人員架立鋼拱架和噴射混凝土所花時(shí)間越多，支護(hù)結(jié)構(gòu)參與受力的時(shí)間越滯后，圍巖變形越大。在模擬計(jì)算過(guò)程中“時(shí)間效應(yīng)”可通過(guò)設(shè)置荷載釋放系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。荷載釋放系數(shù)多按經(jīng)驗(yàn)取值?？纱冃瓮瓿珊螅偌せ钜r砌單元。這樣可使計(jì)算結(jié)果偏于安全。

圖11　工況Ⅲ拱頂沉降

圖12　工況Ⅲ水平位移收斂情況

圖13　工況Ⅲ隧道中心縱向位移

4.4工況Ⅳ計(jì)算結(jié)果分析

工況Ⅳ計(jì)算結(jié)果如圖14～16所示。由圖可見(jiàn)，隨著襯砌滯后距離的增大，隧道拱頂和洞周水平收斂變大。所以掌子面開挖后應(yīng)及早施作襯砌，以提供支護(hù)阻力。尤其是軟弱圍巖施工時(shí)，可結(jié)合管柵、預(yù)切槽等輔助措施，以控制圍巖預(yù)收斂。

圖14　工況Ⅳ拱頂沉降

圖16　工況Ⅳ隧道中心縱向位移

5　結(jié)語(yǔ)

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施關(guān)鍵點(diǎn)為：

（1）在一定范圍內(nèi)，掌子面的穩(wěn)定性隨核心土和臺(tái)階長(zhǎng)度增加而增加，但這并非是無(wú)限的。同核心土相比，臺(tái)階土對(duì)掌子面的穩(wěn)定效果更好。

（2）控制拱頂沉降、水平收斂的辦法是及時(shí)做襯砌和仰拱，盡早提供支護(hù)，而不是設(shè)置過(guò)長(zhǎng)的臺(tái)階和核心土。此外還可采取掌子面注漿加固等措施，并連續(xù)快速開挖。這符合新意法（巖土控制度形分析法）的觀點(diǎn)——開挖速度宜快不宜慢，以減少超前核心土變形。但應(yīng)適當(dāng)提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù)。

（3）二維模型難以模擬臺(tái)階和核心土對(duì)掌子面的穩(wěn)定作用。在分析軟弱圍巖變形時(shí)，三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果更為可靠。建議三維模擬時(shí)加入荷載釋放系數(shù)，以考慮時(shí)間效應(yīng)。荷載釋放系數(shù)大小應(yīng)根據(jù)實(shí)際，綜合考慮。

［1］ p IETRO Lunardi.隧道設(shè)計(jì)與施工——巖土控制變形分析法（ADEC0-RS）［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

［2］ 康鐵軍.環(huán)形開挖預(yù)留核心土法在羊臺(tái)山隧道中的運(yùn)用［J］.隧道建設(shè)，2009，29（2）：114.

［3］ 劉振霞.正臺(tái)階預(yù)留核心土法在大斷面軟弱圍巖公路隧道施工中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2005（3）：55.

［4］ 朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

［5］ 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

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［7］ 趙巖.大斷面隧道施工過(guò)程荷載釋放規(guī)律研究［D］.山東：山東大學(xué)，2011.

［8］ 鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.鐵路隧道工程施工技術(shù)指南TZ 204—2008［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

Parameters of Ring Cut Method Adopted in Large Section Tunnel Soft Surrounding Rock

Deng Siyuan，Yang Qixin，Jiang Yajun，Ma pengyuan

Combined with a highway tunnel project in Hubei province，a 3D model of ring cut method is adopted to simulate different situations in tunnel construction，including the length of core soil and steps，the footage depth and the deformation of wall rock，in order to find the relationship between different factors of ring cut method and the stability of wall rock.Finally，the most economical parameters of ring cut method are obtained.The key issues in the tunneling are summarized，which can provide references for metro tunneling colleagues.

large section tunnel construction；soft surrounding rock；ring cut method；excavate parameters

U 455.41+1

10.16037/j.1007-869x.2016.03.019

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（SWJTU11ZT33）；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（IRT0955）

（2014-04-17）