城市地下公路隧道淺埋暗挖施工方法優(yōu)化及應用研究

張家勝

摘要：文章以某城市地下公路淺埋暗挖隧道為研究對象，采用有限元方法對CRD法及中隔壁臺階法進行三維動態(tài)開挖數(shù)值模擬，對比分析兩種工法隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)變形及受力特征，依據(jù)數(shù)值計算結(jié)果對中隔壁臺階法進行優(yōu)化，結(jié)合現(xiàn)場應用情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋信息，比較兩種工法在施工安全、質(zhì)量、進度及造價方面的優(yōu)劣勢。研究及工程實踐表明：兩種工法均滿足圍巖及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求，中隔壁臺階法在施工進度及造價方面明顯優(yōu)于CRD法，實際應用中取得了較好的工程效益，能夠?qū)︻愃乒こ痰慕ㄔO(shè)提供借鑒與指導。

關(guān)鍵詞：城市地下公路隧道；淺埋暗挖；CRD法；中隔壁臺階法

一、工程概況

（一）工程簡介

杭州市某隧道全長14.4km，是全國最長的城市公路隧道。其中土建工程第Ⅵ標段起訖里程為K12+700～K14+140，全長1440m，分為U型槽段、明挖段及暗挖段，暗挖隧道設(shè)計為雙線雙向四車道，東線設(shè)計里程為K13+569.1～K12+700，西線里程為K13+587.1～K12+710。淺埋暗挖隧道段下穿紫金港路、天目山路等城市主要交通道路，車流量大，地下管線眾多，且瀕臨國家5A級景區(qū)。

（二）工程地質(zhì)水文條件

淺埋暗挖段隧道穿越v級圍巖。本文以東線K13+437～K13+497區(qū)段為主要研究對象，隧道埋深約為9～10.9m，隧道穿越地層為粉質(zhì)粘土混碎石。東線K13+467斷面地質(zhì)剖面如圖1所示。

（三）施工方法

前期采用CRD工法施工時存在施工進度慢、沉降控制不太理想的情況，因此，從東線K13+467及西線K13+482起計劃采用中隔壁臺階法。CRD法與中隔壁臺階法的施工步序見圖2，支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表1。

二、數(shù)值分析

由于中隔壁臺階法在實際工程中運用較少，為了解工法的施工效果及確保工法的可靠性，在采用中隔壁臺階法施工前，以東線隧道K13+467～K13+437區(qū)間地質(zhì)條件為原型，分別對兩種工法進行了三維動態(tài)開挖支護數(shù)值模擬，對比分析兩種工法圍巖及支護結(jié)構(gòu)受力、變形特征，為施工方法的轉(zhuǎn)換提供依據(jù)，同時基于數(shù)值分析結(jié)果對中隔壁臺階法進行局部的優(yōu)化調(diào)整以確保實際施工的安全性。

（一）數(shù)值模型建立

模型橫向為90m，豎向上部取至地表面，下部取至地勘鉆孔底部，豎向總高度為50m，隧道縱向深度為45m，數(shù)值模型如圖3所示。

（二）計算參數(shù)確定

隧道支護結(jié)構(gòu)和圍巖均采用實體單元來進行模擬，單元類型為三維8節(jié)點減縮積分實體單元，錨桿采用桿單元，利用em-bedded命令嵌入圍巖中。初期支護、臨時支護采用混凝土材料，通過剛度等效原則，確定初期支護及臨時支撐參數(shù)。圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。超前小導管注漿區(qū)域模擬過程中采用改變該區(qū)域材料屬性來實現(xiàn)超前注漿。圍巖物理力學參數(shù)參考工程地質(zhì)勘察資料選取。圍巖及支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)見表2。

（三）數(shù)值模擬結(jié)果分析

重點對比分析兩種工法施工引起的拱頂、地表沉降及初期支護應力。兩種工法的數(shù)值計算結(jié)果對比如表3所示。由數(shù)值計算結(jié)果可知，在變形控制方面，CRD工法優(yōu)于中隔壁臺階法，由于中隔壁臺階法取消了下臺階臨時中隔壁，導致仰拱隆起值較大。支護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)方面，中隔壁臺階法在上臺階拱腳、下臺階拱腳位置應力值大于CRD法，拱頂、臨時支護、仰拱位置應力值小于CRD法，產(chǎn)生此現(xiàn)象主要是因為中隔壁臺階法沒有下臺階臨時中隔壁，導致初期支護與臨時支護承擔荷載分配的比重重新調(diào)整，初期支護承受荷載增大而臨時支護承擔荷載減小。

三、中隔壁臺階法優(yōu)化

基于上述數(shù)值計算結(jié)果的分析，對中隔壁臺階法進行了以下幾個方面的優(yōu)化。

（1）數(shù)值計算結(jié)果顯示，臨時中隔壁與臨時仰拱連接處存在應力集中現(xiàn)象，因此將臨時支護由直變曲，以減輕應力集中影響；

（2）下臺階土體開挖后臨時支護在一段時間內(nèi)將處于懸空狀態(tài)，因此在臨時支護懸空段間隔3m設(shè)置φ159鋼管柱作為臨時支撐，優(yōu)化后中隔壁臺階法示意如圖4所示；

（3）數(shù)值計算結(jié)果顯示，中隔壁臺階法初期支護承受荷載增加。為了提高初期支護承載能力，在原有拱架縱向連接筋的基礎(chǔ)上在上下臺階拱腳處對應增加2根斜向45°連接筋，提高初期支護的縱向剛度，具體優(yōu)化設(shè)計如圖5所示；

（4）中隔壁臺階法拱腰及拱腳位置處承載能力強弱對支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極為關(guān)鍵，輕此優(yōu)化原設(shè)計φ42×4、L=4.5m鎖腳錨管，增設(shè)鎖腳、鎖腰錨管，每榀增加16根，同時優(yōu)化鎖腳、鎖腰錨管與拱架有效連接措施，增加φ22、L=60cm的U型筋并進行焊接加固，具體優(yōu)化設(shè)計如圖6所示。