復(fù)雜破碎圍巖條件下大斷面公路隧道初期支護(hù)的合理時(shí)機(jī)分析

李善斌

（中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建 廈門(mén) 350000）

目前國(guó)內(nèi)高速公路快速發(fā)展，設(shè)計(jì)、環(huán)保理念進(jìn)一步提高，隧道在高速公路中所占比例越來(lái)越多，同時(shí)隨著設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值越來(lái)越高，開(kāi)挖斷面也越來(lái)越大，提高隧道開(kāi)挖的安全性及施工效率十分重要。為此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者以及工程人員對(duì)其進(jìn)行了較多的研究，雖然這些研究成果為高速公路隧道的安全快速施工提供了較好的指導(dǎo)，但專(zhuān)門(mén)針對(duì)復(fù)雜破碎圍巖條件下大斷面公路隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖支護(hù)時(shí)機(jī)的研究則較為少見(jiàn)，因此有必要針對(duì)復(fù)雜破碎圍巖條件下大斷面公路隧道開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)一步進(jìn)行分析和優(yōu)化，以期為類(lèi)似施工環(huán)境下的隧道建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 工程概況

洋溪隧道線路基本呈南北走向，設(shè)計(jì)為分離式隧道，雙向六車(chē)道。單洞裸洞跨度16.37m，洞高11.66m。穿越地層主要為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化至微風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖地層，全線Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖占全隧道72%。其中通過(guò)一些斷層帶及其影響帶，巖體受構(gòu)造影響較強(qiáng)烈，部分地段圍巖較破碎，易發(fā)生突水、突泥，整體上隧道通過(guò)段的圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎，部分地段同一開(kāi)挖斷面上軟下硬，開(kāi)挖難度大，風(fēng)險(xiǎn)較高，現(xiàn)場(chǎng)采用4部雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。其開(kāi)挖和支護(hù)處置步序如圖1所示。

初支護(hù)采用20b工字鋼拱架按縱向間距0.5m一榀布置，噴射厚0.27m的C25混凝土，并布置單層Φ8mm鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)格間距20cm×20cm）及模注0.50m厚的二次襯砌混凝土；梅花型布置，間距1.0m（環(huán)）×0.5m（縱）、L=4.0m的D25注漿加固錨桿，如圖2所示。

圖1 4部雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖和支護(hù)處置步序圖

2 計(jì)算模型的建立

2.1 計(jì)算模型

圖2 4部雙側(cè)壁導(dǎo)坑法襯砌鋼支撐圖

在平面圖上選擇該隧道位置130m×30m的一塊長(zhǎng)方形V級(jí)圍巖區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)建立計(jì)算模型，如圖3所示。在立面圖上，模型底面取155.5m高程，頂面高程為243.5m。模型以該隧道出口的右方向?yàn)閄軸正向，以洞縱軸方向?yàn)閅軸正向，以空間豎向向上為Z軸正向，構(gòu)成笛卡爾直角坐標(biāo)系。為了計(jì)算方便，數(shù)值模擬時(shí)按單個(gè)洞室考慮。

三維彈塑性有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算模型中巖土體圍巖采用8節(jié)點(diǎn)六面體等參單元離散化模擬；錨桿和初噴混凝土采用FLAC3D軟件內(nèi)置的結(jié)構(gòu)單元（錨桿采用Cable單元，初噴混凝土采用Shell單元）模擬。在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用不同精度的網(wǎng)格劃分：在對(duì)計(jì)算結(jié)果影響最大的區(qū)域采用了較大的網(wǎng)格密度，在隧道區(qū)外對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的區(qū)域采用了相對(duì)較低的網(wǎng)格密度，在計(jì)算最為關(guān)注的隧道及其附近還進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密，以便保證計(jì)算的精度。具體的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 Ⅴ級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖計(jì)算的幾何模型示意圖

2.2 邊界條件及計(jì)算參數(shù)

結(jié)合實(shí)際情況，在模型的左右、前后側(cè)直立面上施加水平方向的光滑位移約束，對(duì)底平面設(shè)置Z方向的豎直約束，模型的頂面取為自由邊界。通過(guò)施加重力來(lái)考慮自重應(yīng)力場(chǎng)的作用。

研究區(qū)的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)依據(jù)工程勘察、設(shè)計(jì)資料選取，如表1所示。

表1 場(chǎng)區(qū)花崗閃長(zhǎng)巖物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)建議值匯總表

為簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)已有研究經(jīng)驗(yàn)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2002）及相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道：錨桿的彈性模量為20.0GPa，泊松比為0.2；初噴單層Φ8鋼筋焊接網(wǎng)的C25混凝土的彈性模量為25.0GPa，泊松比為0.2，重度為22.0kN/m3；模注二次襯砌混凝土的彈性模量為28GPa，泊松比為0.2，重度為24.0kN/m3。

3 隧道圍巖穩(wěn)定性分析和判斷依據(jù)

參照《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB 50086—2001）并采用工程類(lèi)比法，依據(jù)翔安海底隧道工程陸域段Ⅴ級(jí)圍巖的監(jiān)控量測(cè)拱頂沉降及邊墻收斂的限值作為本研究對(duì)象的最大允許閾值。各施工部最大允許拱頂沉降和最大允許邊墻洞周收斂取值如下：（1）Ⅰ部、Ⅱ部導(dǎo)洞高8.88m，最大圍巖跨度約為5.2m，則其最大允許拱頂沉降值為7.1cm，最大允許邊墻洞周收斂值為13.1cm；（2）Ⅲ部導(dǎo)洞高5.383m，最大圍巖跨度約為12.544m，則其最大允許拱頂沉降值為9.33cm，最大允許邊墻洞周收斂值為10.0cm；（3）Ⅳ部導(dǎo)洞高6.083m，最大圍巖跨度約為7.154m，則其最大允許拱頂沉降值為9.33cm，最大允許邊墻洞周收斂值為5.72cm。二襯施作前，整個(gè)隧道的最大允許拱頂沉降值為9.33cm，最大允許邊墻洞周收斂值為13.1cm。

4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各部序仰拱設(shè)置時(shí)機(jī)

4.1 第1部初支護(hù)最佳仰拱設(shè)置時(shí)機(jī)

第1部無(wú)仰拱的初支護(hù)7.5延米、9延米和10.5延米施工后洞室圍巖的豎向、水平位移云圖如圖4～圖6所示。圖中豎向位移云圖單位為m，負(fù)值表示沉降，正值表示隆起，水平位移云圖單位為m，負(fù)值表示向左位移，正值表示向右位移，下同。

圖4 第1部7.5延米洞室圍巖

圖5 第1部9延米洞室圍巖

圖6 第1部10.5延米洞室圍巖

4.2 第2部初支護(hù)最佳仰拱設(shè)置時(shí)機(jī)

本計(jì)算工況各部施工情況：第1部施作初支護(hù)和仰拱18延米后進(jìn)行第2部開(kāi)挖及無(wú)仰拱的初支護(hù)7.5延米和9延米。該工況洞室圍巖的豎向、水平位移云圖如圖7、圖8所示。

4.3 第3部開(kāi)挖及初支護(hù)施作最佳長(zhǎng)度

圖7 第2部7.5延米洞室圍巖

圖8 第2部9延米洞室圍巖

本計(jì)算工況各部施工情況：第1部施作初支護(hù)和仰拱25.5延米、第2部施作初支護(hù)和仰拱18延米、第3部開(kāi)挖及初支護(hù)12延米和13.5延米。該工況洞室圍巖的豎向、水平位移云圖如圖9、圖10所示。

圖9 第3部12延米洞室圍巖

圖10 第3部13.5延米洞室圍巖

4.4 第4部開(kāi)挖及初支護(hù)施作最佳長(zhǎng)度

本計(jì)算工況各部施工情況：第1部施作初支護(hù)和仰拱25.5延米、第2部施作初支護(hù)和仰拱18延米、第3部開(kāi)挖及初支護(hù)9延米、第4部開(kāi)挖及無(wú)仰拱的初支護(hù)6延米和7.5延米。該工況洞室圍巖的豎向、水平位移云圖如圖11和圖12所示。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況分析

將數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得到各步序?qū)?yīng)變形實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)如表2所示。

圖11 第4部6延米洞室圍巖

圖12 第4部7.5延米洞室圍巖

表2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各步序變形實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，采用前文優(yōu)化得出的方案進(jìn)行開(kāi)挖與支護(hù)，各步序變形實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果基本吻合，安全快速通過(guò)了洋溪隧道的軟弱破碎Ⅴ級(jí)圍巖地段，取得了較好的效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合洋溪隧道的軟弱破碎Ⅴ級(jí)圍巖工程實(shí)際，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析，運(yùn)用地下結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖土力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)該工程采用4部雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法開(kāi)挖復(fù)雜軟弱破碎Ⅴ級(jí)圍巖的公路隧道初期支護(hù)的合理時(shí)機(jī)進(jìn)行研究，并將結(jié)算結(jié)果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得出如下結(jié)論。

（1）對(duì)于軟弱破碎Ⅴ級(jí)圍巖隧道，在采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖第2部之前，第1部無(wú)仰拱的初支護(hù)洞段開(kāi)挖不宜超過(guò)9延米，最佳時(shí)機(jī)是第1部施作7.5延米的初支護(hù)和仰拱。

（2）在采用雙側(cè)壁工法開(kāi)挖第3部之前，最佳時(shí)機(jī)是第1部開(kāi)挖不超過(guò)18延米且至少施作16.5延米的初支護(hù)和仰拱、第2部施作7.5延米的初支護(hù)和仰拱。

（3）在采用雙側(cè)壁工法開(kāi)挖第4部之前，最佳時(shí)機(jī)是第1部施作25.5延米的初支護(hù)和仰拱、第2部施作18延米的初支護(hù)和仰拱、第3部施作12延米的初支護(hù)。

（4）進(jìn)入雙側(cè)壁工法開(kāi)挖的下一循環(huán)之前，各部序最佳初支護(hù)時(shí)機(jī)為第1部施作25.5延米的初支護(hù)和仰拱；第2部施作18延米的初支護(hù)和仰拱；施作第3部12延米的初支護(hù)；第4部開(kāi)挖并施作無(wú)仰拱的初支護(hù)不宜超過(guò)6.0延米。

（5）從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看，文章確定的仰拱設(shè)置的時(shí)機(jī)與施工的合理步長(zhǎng)和步序是合理的，可為類(lèi)似地質(zhì)及施工環(huán)境下的隧道施工提供技術(shù)參考和指導(dǎo)。