淺埋偏壓土層隧道施工安全性淺析

李揚(yáng) 費(fèi)維水 陳光楊 汪偉偉 薛揮杰 費(fèi)建文

(昆明理工大學(xué) 昆明 650000)

0 引言

隨著城市人口規(guī)模不斷增加，城市地面交通的壓力越來越大，建設(shè)地下公路隧道已經(jīng)成為大中城市解決交通擁堵的有效手段之一。但城市地下空間開發(fā)的限制條件較多，很多時(shí)候必須要穿越一些地質(zhì)條件特殊的地區(qū)，構(gòu)筑物也常常會(huì)因此而承受復(fù)雜的外力作用[1]。

淺埋偏壓小凈距土層隧道較一般隧道施工更為復(fù)雜，目前針對(duì)此類隧道有多種施工方式。選用哪種開挖方式施工，才能夠有效改善偏壓，使施工過程安全進(jìn)行，這是重點(diǎn)問題中較為突出的一個(gè)。較常用的開挖方式有：三臺(tái)階七步開挖法、留核心土法、CD法、CRD法等；其中三臺(tái)階七步開挖法與留核心土法類似，CD法與CRD法類似。本文通過建立二維及三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)比分析不同施工方式下隧道的圍巖變形、襯砌內(nèi)力，分析采用三臺(tái)階七步開挖法及CRD法施工的安全性，為后續(xù)淺埋偏壓隧道施工的研究提供參考。

1 工程概況

該道路為城市主干路，雙向六車道，設(shè)計(jì)行車速度為50 km/h。沿線隧道布置情況見表1。

表1 隧道布置情況

本次計(jì)算分析主要針對(duì)隧道部分，隧道左線長3.979 km，右線長3.948 km，隧道凈寬13.25 m。該隧道在施工過程中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況復(fù)雜，初支及地表沉降和位移超標(biāo)，屬場地條件復(fù)雜工程。該段隧道處于粘聚力僅有3 kPa的素填土層中，最不利斷面隧道完全埋置于六級(jí)圍巖中，并存在淺埋、偏壓、小凈距等情況，設(shè)計(jì)和施工難度大[2]。

2 模型概況

2.1 模型設(shè)置

本文采用Midas GTS NX有限元程序進(jìn)行模擬分析，考慮到邊界效應(yīng)產(chǎn)生的計(jì)算誤差，模型范圍取為：左右邊界為4倍洞徑寬度，上邊界到地面。計(jì)算模型根據(jù)實(shí)際的地形建立，以便真實(shí)反映隧道周邊環(huán)境和地形情況。模型如圖1所示。

(a)三臺(tái)階七步開挖法模型

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

本模型的圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，初期支護(hù)和二次襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型；初期支護(hù)(噴層+鋼架)采用梁單元模擬；圍巖應(yīng)力釋放根據(jù)工程類比和計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，在開挖+初期支護(hù)階段釋放50%，二次襯砌施作后，應(yīng)力完全釋放；初始應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力場。

通過提高土體力學(xué)參數(shù)的方法模擬超前小導(dǎo)管注漿及隧道基底高壓旋噴樁對(duì)周圍土體的加固作用。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)[3]、勘察報(bào)告及文獻(xiàn)資料[4-5]，確定物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 模型物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

2.3.1 加固方式

隧道采用Ⅵ級(jí)襯砌，預(yù)支護(hù)措施采用超前小導(dǎo)管。加固措施如圖2所示。

(a)橫斷面示意

初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，內(nèi)置雙層φ8鋼筋網(wǎng)以及工25b鋼架，鎖腳錨桿采用小導(dǎo)管；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土。

對(duì)于隧道底部為土層的部分，采用直徑1 m的高壓旋噴樁進(jìn)行基礎(chǔ)加固，旋噴樁間距3 m×3 m梅花形布置，高壓旋噴樁在洞內(nèi)基礎(chǔ)底設(shè)置，實(shí)施時(shí)間為初期支護(hù)成環(huán)后[6]，如圖3所示。

圖3 隧道地基加固(單位：m)

2.3.2 開挖工法

在加固及支護(hù)方式相同的前提下，本文分析了三臺(tái)階七步開挖法及CRD法兩種開挖方式，施工工序如圖4所示。

(a)三臺(tái)階七步法增設(shè)臨時(shí)仰拱開挖工序

(1)三臺(tái)階七步開挖法

施工采用三臺(tái)階七步開挖法以減小開挖高度，并在中臺(tái)階處增設(shè)兩道臨時(shí)仰拱。臨時(shí)仰拱采用噴錨+型鋼拱架進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，開挖出來的掌子面應(yīng)及時(shí)噴射混凝土封閉。

(2)CRD法

CRD法左右導(dǎo)坑分別設(shè)置上、中、下三臺(tái)階開挖，并在中臺(tái)階設(shè)置臨時(shí)仰拱，上臺(tái)階由于機(jī)械操作空間問題不設(shè)臨時(shí)仰拱，臨時(shí)中隔壁及臨時(shí)仰拱采用噴錨+型鋼拱架進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

3 模型數(shù)值分析

3.1采用不同施工方式時(shí)隧道圍巖變形及應(yīng)力分析

(1)隧道圍巖變形分析

采用不同施工方式時(shí)隧道圍巖豎向位移情況如表3所示。對(duì)比表中數(shù)據(jù)可以看出，CRD法能更好的控制圍巖的變形。與臺(tái)階法相比，CRD法的拱頂位移減小了約300 mm，邊墻及拱腳的圍巖豎向位移減小200 mm左右，仰拱的變形由下沉變?yōu)榱烁欣谒淼朗芰Φ穆∑?。采用不同施工方式時(shí)隧道圍巖變形分布如圖5、圖6所示。

圖6 采用不同施工方式時(shí)隧道圍巖豎向位移折線

表3 隧道圍巖豎向位移值統(tǒng)計(jì)表 mm

(a)臺(tái)階法

不同施工方式下隧道圍巖豎向位移折線表明，從多個(gè)角度看，CRD法控制圍巖變形的能力都優(yōu)于臺(tái)階法。且如果采用臺(tái)階法開挖，隧道圍巖變形不能滿足《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(Q/CR 9218—2015)的要求[7]。

(2)隧道圍巖應(yīng)力分析

采用不同施工方式時(shí)隧道圍巖最大、最小主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如表4、表5所示，圍巖最大、最小主應(yīng)力云圖如圖7所示。

表4 隧道圍巖最大主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表 kPa

表5 隧道圍巖最小主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表 kPa

(a)臺(tái)階法隧道圍巖最大主應(yīng)力

對(duì)比采用不同開挖方式時(shí)隧道圍巖最大主應(yīng)力可知，臺(tái)階法施工時(shí)隧道的最小主應(yīng)力為1 332.9 kPa的壓應(yīng)力，遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓強(qiáng)度[8]；最大主應(yīng)力為200.5 kPa的拉應(yīng)力，雖然不大，但是對(duì)于圍巖及襯砌的受力是不利的。而CRD法施工時(shí)的隧道最大、最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度。因此，CRD法開挖時(shí)隧道圍巖的應(yīng)力更加合理。

3.2 采用不同施工方式時(shí)隧道初期襯砌內(nèi)力分析

不同施工方式下隧道初期支護(hù)噴層內(nèi)力統(tǒng)計(jì)如表6所示。

表6 隧道初期支護(hù)噴層內(nèi)力最大值統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)比表中數(shù)據(jù)可以看出，采用臺(tái)階法與CRD法兩種方法開挖，隧道初期支護(hù)的內(nèi)力也有較大差距。軸力相差約150 kN，彎矩相差約200 kN·m，剪力相差約80 kN。總的來說，采用CRD法開挖時(shí)隧道初期支護(hù)的內(nèi)力更小更有利。

4 結(jié)語

(1)采用三臺(tái)階七步開挖法時(shí)隧道圍巖的變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用CRD法開挖，從圍巖變形的角度來看，在此類土體中采用三臺(tái)階七步開挖法不太適合，比較不安全。

(2)從隧道圍巖應(yīng)力的數(shù)值上看，采用三臺(tái)階七步開挖法或CRD法開挖隧道的圍巖應(yīng)力都是滿足要求的，但三臺(tái)階七步開挖法的隧道圍巖應(yīng)力中出現(xiàn)了拉應(yīng)力，這是比較不利的，因此CRD法更加合理。

(3)比較三臺(tái)階七步開挖法與CRD法的隧道初期襯砌內(nèi)力可知，兩種方法的隧道初期襯砌內(nèi)力都是滿足要求的，但CRD法的初期襯砌內(nèi)力更加合理。

(4)在此類土體中對(duì)淺埋偏壓土層隧道進(jìn)行施工時(shí)，采用三臺(tái)階七步開挖法雖然工期短、成本低，有一定的可行性，但是具有較高的風(fēng)險(xiǎn)，CRD法相對(duì)更合適，安全性更高。