基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的四洞并行大斷面小凈距隧道群組合開(kāi)挖工法適宜性研究

肖 昌，賀建亮，劉長(zhǎng)柱，施劭矗，俞 凡，黃 翼

(1.中鐵二局第五工程有限公司，四川成都 610091； 2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川成都 610000；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

近年來(lái)，由于我國(guó)交通需求量急劇上升，且公路隧道的修建受地形地質(zhì)條件與占地面積等因素的限制，小凈距隧道被廣泛應(yīng)用于高速公路建設(shè)中，并朝著凈距更小、數(shù)量更多以及施工環(huán)境更復(fù)雜的方向發(fā)展。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)小凈距隧道修建過(guò)程中的安全性與穩(wěn)定性展開(kāi)了系列研究。靳曉光[1]等通過(guò)數(shù)值模擬手段，分析雙洞小凈距隧道不同組合工法開(kāi)挖下隧道圍巖體的破壞近接度和圍巖變形特征，得出小凈距隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，要優(yōu)于側(cè)壁導(dǎo)坑與上下臺(tái)階的組合工法和雙洞均采用上下臺(tái)階法施工的結(jié)論。楊小禮[2]等通過(guò)模擬小凈距隧道不同開(kāi)挖順序，得到先開(kāi)挖埋深較大一側(cè)的隧道，最終圍巖的塑性區(qū)較小，并且發(fā)現(xiàn)先開(kāi)挖各隧道的外側(cè)有利于隧道拱頂和中間巖柱的受力。秦峰[3]等通過(guò)模擬凈距為5 m左右小凈距隧道的開(kāi)挖過(guò)程，總結(jié)提出了不同圍巖級(jí)別下雙洞小凈距隧道擬推薦采用的組合開(kāi)挖工法。李建林[4]等利用有限元軟件對(duì)比分析臺(tái)階法、中隔壁法以及交叉中隔壁法開(kāi)挖下雙洞小凈距隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特性，并結(jié)合實(shí)際施工中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了IV級(jí)圍巖條件下小凈距隧道施工采用臺(tái)階法的合理性。

國(guó)內(nèi)外雖對(duì)并行小凈距公路隧道開(kāi)挖工法研究積累了一定的經(jīng)驗(yàn)與成果，但大多局限于雙洞及三洞隧道，而對(duì)四洞或多洞并行隧道群的研究還極為少見(jiàn)。成都新機(jī)場(chǎng)高速公路龍泉山隧道屬于四洞小凈距隧道群，四洞施工將對(duì)圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)進(jìn)行多次疊加，相比于一般小凈距隧道對(duì)圍巖穩(wěn)定性以及初支結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征影響更為顯著。因此，本文基于龍泉山四洞并行隧道群工程，利用正交試驗(yàn)方法與數(shù)值模擬手段分析不同組合開(kāi)挖工法對(duì)小凈距隧道群的影響，以保障隧道群施工的安全性與穩(wěn)定性，并為類似工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 工程概況

成都新機(jī)場(chǎng)高速公路在穿越龍泉山時(shí)，共設(shè)置了兩座隧道，分別為龍泉山1號(hào)隧道(2 240 m)和龍泉山2號(hào)隧道(2 400 m)。兩隧道均為四洞并行小凈距大斷面隧道群，如圖1所示。按線路前進(jìn)方向，隧道斷面布置從左至右依次為D1線(2車道)、K線(3車道)、D2線(3車道)、D3線(2車道)，2車道隧道開(kāi)挖斷面面積為120 m2左右，三車道隧道開(kāi)挖斷面面積為180 m2左右。龍泉山隧道在隧道全長(zhǎng)范圍內(nèi)大部分位置，相鄰兩線之間凈距為10～40 m，小于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中規(guī)定的分離式獨(dú)立雙洞隧道間最小凈距，且龍泉山隧道群全線圍巖等級(jí)以Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)為主，圍巖級(jí)別較差。由于龍泉山隧道群斷面大、凈距小且圍巖條件差，在其修建過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生較顯著的群洞效應(yīng)，對(duì)隧道的安全性與穩(wěn)定性帶來(lái)不可預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn)，極大地增加了施工難度。因此，本文以龍泉山四洞并行大斷面小凈距隧道為依托工程，利用正交試驗(yàn)原理進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，綜合分析不同因素水平下的圍巖及初支結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，以選取適宜組合開(kāi)挖工法。

圖1 龍泉山2號(hào)隧道進(jìn)口

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

龍泉山隧道群屬四洞并行大斷面小凈距隧道群，由于四洞斷面大小不同，且隧道整體處于不同圍巖級(jí)別與埋深條件下，故其施工時(shí)各洞將選取多種開(kāi)挖工法。若依照控制單一變量原則進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將產(chǎn)生過(guò)多開(kāi)挖工法組合。而通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)可很大程度的減少試驗(yàn)所需次數(shù)，并達(dá)到全面分析試驗(yàn)效果的目的，又可進(jìn)一步找出各研究因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律[6]。因此，本文基于正交試驗(yàn)原理，選定影響因素與對(duì)應(yīng)變化水平，展開(kāi)對(duì)四洞并行小凈距隧道合理開(kāi)挖工法的研究。

2.1 影響因素及水平的確定

表1為龍泉山1號(hào)、2號(hào)隧道群不同洞室與圍巖條件下施工工法統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1 龍泉山1號(hào)、2號(hào)隧道群采用工法

通過(guò)綜合選取不同圍巖級(jí)別條件與不同埋深條件下小凈距隧道群開(kāi)挖工法，得到正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)各影響因素及水平，如表2所示。

表2 群洞隧道開(kāi)挖影響因素和水平

2.2 正交表設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

依據(jù)表2，擬選取L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，正交表設(shè)計(jì)如表3所示。表中四項(xiàng)影響因素，A代表兩車道隧道工法，B代表三車道隧道工法，C代表隧道埋深，D代表圍巖級(jí)別。

為保證不同組合開(kāi)挖工法下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇隧道群施工完成后，模型中間斷面各隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降位移、邊墻收斂位移以及圍巖最大剪應(yīng)變?cè)隽俊８鶕?jù)正交表中試驗(yàn)組合的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方案一共九組，具體數(shù)值計(jì)算模擬方案如表4所示。

表3 L9(34)正交設(shè)計(jì)

表4 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 數(shù)值模擬概況

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

采用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型對(duì)每種試驗(yàn)方案進(jìn)行計(jì)算，模型計(jì)算分析時(shí)，為消除邊界影響，模型左右邊界從兩側(cè)隧道向外各取50 m(約3倍開(kāi)挖跨度)，模型長(zhǎng)高尺寸為200 m×90 m，縱向長(zhǎng)度為72 m。模型前、后、左、右、下邊界施加相應(yīng)的法向位移邊界約束，上邊界為自由面。

地層模型采用服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，隧道初期支護(hù)及二次襯砌均采用實(shí)體單元模擬，超前支護(hù)結(jié)構(gòu)采用提高加固區(qū)圍巖參數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，錨桿采用錨索Cable單元，鋼架作用則按等效剛度的方法進(jìn)行折算，將鋼架彈性模量全部折算給噴射混凝土[7-9]。模型有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 隧道群模型

為避免其它因素對(duì)正交模型的影響，隧道群三維模型在建立和計(jì)算過(guò)程中，各線隧道凈距均取15 m，且均采用統(tǒng)一支護(hù)參數(shù)，如表5所示。圍巖及初期支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表6。

表5 隧道支護(hù)參數(shù)

表6 圍巖及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)取值

3.2 隧道開(kāi)挖模擬

為避免其它因素對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，隧道群開(kāi)挖模擬時(shí)遵循以下原則：

(1)四洞隧道同時(shí)開(kāi)挖，不考慮隧道開(kāi)挖掌子面錯(cuò)距；

(2)并行隧道開(kāi)挖過(guò)程中，各隧道開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺1.5 m，各臺(tái)階長(zhǎng)度控制在6 m；

(3)在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，考慮隧道在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力調(diào)整和初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)，通過(guò)采取應(yīng)力釋放的方法來(lái)模擬實(shí)際開(kāi)挖。Ⅲ級(jí)圍巖條件下，隧道開(kāi)挖后，應(yīng)力釋放率控制在40 %；Ⅳ級(jí)圍巖條件下應(yīng)力釋放率控制在30 %，Ⅴ級(jí)圍巖條件下應(yīng)力釋放率控制在20 %，并且，在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施作后，釋放所有荷載。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)表4正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得到兩車道隧道和三車道隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降位移、邊墻收斂位移以及圍巖最大剪應(yīng)變?cè)隽康挠?jì)算結(jié)果(隧道群在斷面大小、形狀和相對(duì)位置上呈對(duì)稱分布，故僅取一組兩車道和三車道隧道計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究)，見(jiàn)表7。

表7 正交設(shè)計(jì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

由表7可繪制出隧道群開(kāi)挖后各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨各因素水平的變化情況圖，如圖3所示。

(a)拱頂沉降

(b)邊墻收斂

(c)最大剪應(yīng)變?cè)隽繄D3 正交試驗(yàn)各影響因素下指標(biāo)隨水平變化

由圖3可以看出：

(1)兩車道隧道依次采用兩臺(tái)階法、三臺(tái)階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，各評(píng)價(jià)指標(biāo)逐漸變小，說(shuō)明兩車道隧道采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖對(duì)隧道群開(kāi)挖擾動(dòng)影響較小。

(2)三車道隧道采用三臺(tái)階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，各評(píng)價(jià)指標(biāo)先變小后再增大，說(shuō)明三車道隧道采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)隧道群開(kāi)挖擾動(dòng)影響較小。

(3)各評(píng)價(jià)指標(biāo)均隨隧道埋深的增大而增大，但增加量值逐漸減小。

(4)各評(píng)價(jià)指標(biāo)均在圍巖級(jí)別變差時(shí)變大，說(shuō)明圍巖條件越差，群洞隧道開(kāi)挖所受影響越顯著。

由正交試驗(yàn)原理可知，各因素水平平均指標(biāo)下的極差R越大，該影響因素的作用也就越大[10]。因此通過(guò)對(duì)表7正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，得到各指標(biāo)試驗(yàn)極差計(jì)算值，見(jiàn)表8。

表8 隧道群結(jié)構(gòu)各評(píng)價(jià)指標(biāo)正交試驗(yàn)極差計(jì)算

由表8可見(jiàn)：隧道埋深和圍巖級(jí)別為影響隧道初支結(jié)構(gòu)拱頂沉降、邊墻收斂以及圍巖最大剪應(yīng)變?cè)隽康闹饕蛩?，兩車道工法與三車道工法為次要因素；三車道隧道開(kāi)挖工法對(duì)隧道群的影響大于兩車道隧道開(kāi)挖工法，且對(duì)于圍巖最大剪應(yīng)變?cè)隽康挠绊懴噍^于兩車道工法更為顯著。

5 結(jié)論

針對(duì)龍泉山小凈距大斷面公路隧道群，進(jìn)行基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)多洞并行小凈距隧道群合理組合開(kāi)挖工法進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選定的四個(gè)影響因素中，圍巖與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定主要取決于隧道埋深與圍巖級(jí)別，而兩車道隧道與三車道隧道開(kāi)挖工法相比于上述兩因素影響較小。

(2)三車道隧道開(kāi)挖工法相比于兩車道隧道開(kāi)挖工法對(duì)初支結(jié)構(gòu)力學(xué)特征以及圍巖穩(wěn)定性影響更大。

(3)并行四洞隧道群最優(yōu)組合開(kāi)挖工法為兩車道隧道與三車道隧道均采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖。