山嶺隧道開挖施工方案比選研究

黃必洲 姚云杰

摘要：文章采用有限元軟件MIDAS/GTS分別建立山嶺隧道全斷面法和三臺(tái)階法兩種施工模型，通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)分析了兩種施工方法的位移、最大主應(yīng)力變化規(guī)律，并對(duì)比分析了兩種方法施作后的圍巖塑性區(qū)大小和位置。結(jié)果表明：相對(duì)于全斷面法施工，采用三臺(tái)階法施工時(shí)隧道拱頂、仰拱以及側(cè)墻和拱腳變形值分別減小了37.0%、48.5%、17.4%和15.8%，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮加強(qiáng)仰拱處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)以增加仰拱處圍巖穩(wěn)定性;全斷面法施工對(duì)拱腳影響較大，三臺(tái)階法施工對(duì)仰拱和拱腳影響均較大，設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)該對(duì)上述點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，必要時(shí)采取加固措施;運(yùn)用全斷面施工方法時(shí)塑性區(qū)主要出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳位置，而運(yùn)用三臺(tái)階施工方法時(shí)塑性區(qū)主要出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳位置以及側(cè)墻和拱腳之間的拱腰位置，且前者塑性區(qū)面積要大于后者;綜合分析圍巖位移、最大主應(yīng)力以及塑性區(qū)大小等方面可知，采用三臺(tái)階施工方法更為優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道;變形;最大主應(yīng)力;塑性區(qū);施工方法

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入，逢山開路、遇水架橋等情形隨處可見，隧道工程作為穿山常用的施工方式，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程中。山嶺隧道常用的開挖方法有全斷面法和分臺(tái)階法，二者被廣泛應(yīng)用到山區(qū)隧道建設(shè)當(dāng)中。近年來(lái)，有關(guān)隧道施工方法的研究主要有：劉宇鵬、陳海帆等[1-2]采用數(shù)值模擬對(duì)淺埋大跨徑連拱隧道不同施工方案圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值分析，研究結(jié)果可為連拱隧道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù);徐東強(qiáng)、劉東等[3-4]以Ⅳ級(jí)圍巖段隧道為研究對(duì)象，采用FLAC3D軟件，采用Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則對(duì)替代仰拱的新型支護(hù)方案進(jìn)行了分析，并提出了Ⅳ級(jí)圍巖下替代仰拱的條件;張聯(lián)志等[5]分析了隧道拱頂出現(xiàn)塌方的原因以及所采用加固措施的有效性，并對(duì)塌方周邊斷面加固前后圍巖位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，最后利用FLAC3D軟件對(duì)隧道塌方段進(jìn)行數(shù)值模擬分析;熊鑫等[6]以北嶺山隧道為工程背景，采用有限元軟件ANSYS建立軟弱圍巖段深埋寬長(zhǎng)隧道施工模型，得出了隧道循環(huán)施工的應(yīng)變規(guī)律，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了其合理性。

為了分析隧道全斷面施工和分臺(tái)階施工二者的優(yōu)缺點(diǎn)，本文以山嶺隧道為例，采用有限元軟件MIDAS/GTS分別建立全斷面和三臺(tái)階法隧道施工模型，通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)分析了隧道開挖之后兩種施工方法的位移、最大主應(yīng)力變化規(guī)律，并對(duì)比分析了兩種方法施作后的圍巖塑性區(qū)大小和位置，研究結(jié)果可為類似地區(qū)隧道設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某山嶺地區(qū)擬建隧道工程，全長(zhǎng)1.8 km，該區(qū)域圍巖等級(jí)以Ⅳ為主，主要包含有碎石土、變質(zhì)巖、砂巖、板巖以及角礫石等，結(jié)構(gòu)較為松散，圍巖穩(wěn)定性較差。該處地形起伏較大，山體海拔高程在1 100～1 600 m范圍內(nèi)，山頂樹木較為密集，部分基巖裸露。根據(jù)初步設(shè)計(jì)，擬定斷面為三圓心弧組成，隧道最大寬度為11.2 m，最大高度為8.8 m，擬采用全斷面法施工或三臺(tái)階法施工。為了對(duì)比兩者優(yōu)異性，文中采用數(shù)值分析方法進(jìn)行對(duì)比分析。

2 數(shù)值建模

如圖1所示，以典型斷面DK0+320～DK0+686段為研究對(duì)象，采用大型有限元軟件MIDAS/GTS建模進(jìn)行分析。本文中，隧道尺寸按實(shí)際大小和形狀建立，考慮到隧道的洞徑以及開挖影響范圍，所建模型長(zhǎng)、寬、高分別為70 m、30 m和50 m，隧道中心埋深為25 m，除模型上邊界外，其他邊界均進(jìn)行位移和邊界約束。隧道支護(hù)形式為初支和二次支護(hù)，即錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土+二次襯砌。初支噴漿厚度為25 cm，二次襯砌厚度為40 cm，錨桿長(zhǎng)度為3.0 m，直徑為25 mm，間距為2 m，橫斷面上共計(jì)33根。其中隧道圍巖采用實(shí)體單元建立，錨桿和襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，并將鋼筋網(wǎng)等折合到混凝土上，模型網(wǎng)格共計(jì)12 642個(gè)。如圖2所示，為采用全斷面開挖施工和三臺(tái)階法開挖施工模型圖，在開挖之前分別在拱頂、左右側(cè)墻、拱腳以及仰拱處設(shè)置位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，詳見圖2（a）。三臺(tái)階法開挖施工分三步：開挖上臺(tái)階、中臺(tái)階和下臺(tái)階。對(duì)于全斷面法，單次循環(huán)掘進(jìn)均為2 m，共分15次循環(huán)掘進(jìn)完成;對(duì)于三臺(tái)階法，單次循環(huán)掘進(jìn)均為2 m，且上臺(tái)階和中臺(tái)階始終超前下臺(tái)階4 m和2 m。表1和表2給出了圍巖、錨桿以及襯砌的相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形分析

通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)，可以得出拱頂?shù)奈灰品较驗(yàn)樨Q直向下、側(cè)墻和拱腳的位移方向?yàn)槌蚨磧?nèi)、仰拱的位移方向?yàn)樨Q直向上的結(jié)果。為了分析全斷面法和三臺(tái)階法的差異，本節(jié)以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量為豎坐標(biāo)，施工步為橫坐標(biāo)，分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)，其中一個(gè)施工步即為單個(gè)開挖循環(huán)。如圖3所示，在達(dá)到4個(gè)施工步時(shí)，全斷面法施工時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定。四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，拱頂最大變形值為18.1 mm，仰拱、側(cè)墻以及拱腳的最大變形值分別為23.7 mm、2.3 mm和1.9 mm。如圖4所示，為三臺(tái)階法施工時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨施工步的變形值。四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，拱頂最大變形值為11.4 mm，仰拱、側(cè)墻以及拱腳的最大變形值分別為12.2 mm、1.9 mm和1.6 mm。

分析可知，采用三臺(tái)階法時(shí)，其拱頂、仰拱以及側(cè)墻和拱腳的位移均小于采用全斷面法施工。相對(duì)于全斷面法施工，拱頂、仰拱以及側(cè)墻和拱腳變形值分別減小了37.0%、48.5%、17.4%和15.8%，其中拱頂和仰拱減小幅度較大。此外，觀察圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，在兩種施工方法中，仰拱的隆起值均超過(guò)了拱頂?shù)某两抵?，這與模擬過(guò)程中未在仰拱處施作錨桿有關(guān)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮加強(qiáng)仰拱處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及增加仰拱處的圍巖穩(wěn)定性。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力分析

隧道開挖會(huì)引起應(yīng)力釋放，研究隧道附近圍巖的最大主應(yīng)力可以為隧道附近圍巖的松散程度提供參考。通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)，可以得出4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均為壓應(yīng)力的結(jié)果。為了分析全斷面法和三臺(tái)階法的差異，本節(jié)以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力值為豎坐標(biāo)，施工步為橫坐標(biāo)，分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力變化趨勢(shì)。圖5為全斷面法施工時(shí)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力值，由圖可知：4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值都逐漸減小，其中拱腳應(yīng)力釋放最為明顯，其他3點(diǎn)應(yīng)力釋放水平較小。相對(duì)于初始值，最終拱頂、仰拱以及側(cè)墻和拱腳應(yīng)力分別減小了10.9%、27.8%、20.0%和87.3%。圖6為三臺(tái)階法施工時(shí)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力值，由圖可知，與全斷面開挖法不同，三臺(tái)階法施工時(shí)圍巖擾動(dòng)次數(shù)較多，出現(xiàn)最大主應(yīng)力上下浮動(dòng)跳躍的現(xiàn)象，相對(duì)于初始值，最終拱頂、仰拱以及側(cè)墻和拱腳應(yīng)力分別減小了6.8%、51.2%、12.7%和67.9%。

綜上可知，全斷面法施工對(duì)拱腳的影響最大，三臺(tái)階法施工對(duì)仰拱和拱腳影響較大。采用上述施工方式時(shí)，應(yīng)該對(duì)上述各點(diǎn)重點(diǎn)關(guān)注，必要時(shí)采取加固措施。

3.3 隧道圍巖塑性區(qū)分析

隧道開挖后，圍巖塑性區(qū)的大小及位置在一定程度上能反映圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。如圖7所示，提取兩種施工方法開挖完成之后的圍巖塑性區(qū)進(jìn)行對(duì)比。如圖7（a）所示，采用全斷面施工方法時(shí)，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳位置;采用三臺(tái)階施工方法時(shí)，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳位置以及側(cè)墻和拱腳之間的拱腰位置。此外，對(duì)比兩個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn)，全斷面施工時(shí)塑性區(qū)的面積要大于三臺(tái)階施工法。

綜上可知，綜合分析圍巖位移、最大主應(yīng)力以及塑性區(qū)大小等方面可知，相對(duì)于全斷面法，采用三臺(tái)階施工方法時(shí)圍巖的穩(wěn)定性更好，對(duì)于維持圍巖穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以山嶺隧道為例，采用有限元軟件MIDAS/GTS分別建立全斷面法和三臺(tái)階法隧道施工模型，通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)分析了隧道開挖之后兩種施工方法的位移和最大主應(yīng)力變化規(guī)律，并對(duì)比分析了兩種方法施作后的圍巖塑性區(qū)大小和位置，主要得到如下結(jié)論：

（1）相對(duì)于全斷面法施工，采用三臺(tái)階法施工時(shí)隧道拱頂、仰拱以及側(cè)墻和拱腳變形值分別減小了37.0%、48.5%、17.4%和15.8%，其中拱頂和仰拱減小幅度較大。兩種施工方法中仰拱的隆起值均超過(guò)了拱頂?shù)某两抵?，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮加強(qiáng)仰拱處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，以增加仰拱處圍巖的穩(wěn)定性。

（2）全斷面法施工時(shí)，相對(duì)于初始值，最終拱頂、仰拱以及側(cè)墻和拱腳的最大主應(yīng)力分別減小了10.9%、27.8%、20.0%和87.3%。而三臺(tái)階法施工時(shí)拱頂、仰拱以及側(cè)墻和拱腳的最大主應(yīng)力分別減小了6.8%、51.2%、12.7%和67.9%。即全斷面法施工對(duì)拱腳的影響較大，三臺(tái)階法施工對(duì)仰拱和拱腳的影響較大。設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)該對(duì)上述幾點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，必要時(shí)采取加固措施。

（3）運(yùn)用全斷面法施工時(shí)塑性區(qū)主要出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳位置，而運(yùn)用三臺(tái)階施工方法時(shí)塑性區(qū)主要出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳的位置以及側(cè)墻和拱腳之間的拱腰位置，且前者塑性區(qū)的面積要大于后者。

（4）綜合分析圍巖位移、最大主應(yīng)力以及塑性區(qū)大小等方面可知，三臺(tái)階施工方法更優(yōu)越。

[1]劉宇鵬，王玉標(biāo)，李永斌.淺埋大跨徑連拱隧道不同施工方案對(duì)比分析[J].公路，2014（5）：142-146.

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作者簡(jiǎn)介：黃必洲（1975—），工程師，研究方向：公路隧道日常養(yǎng)護(hù)。