臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)軟巖隧道臺(tái)階法施工影響分析

武建林,吳 迅,蔣仁國(guó)

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院, 上海 200092；2. 中交一公司集團(tuán)有限公司, 北京 100024)

圍巖力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)隧道施工安全至關(guān)重要.復(fù)雜和軟弱圍巖常會(huì)導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn),是隧道工程施工的難點(diǎn).對(duì)于軟弱圍巖,改變開挖方法、優(yōu)化施工參數(shù)以及增大支護(hù)剛度可以有效限制圍巖變形.我國(guó)學(xué)者對(duì)軟巖隧道的圍巖變形和施工措施進(jìn)行了探討和研究.文獻(xiàn)[1]研究MIDAS/GTS模擬臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響;文獻(xiàn)[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析兩臺(tái)階法和三臺(tái)階法,確定在圍巖條件較差情況下三臺(tái)階法可以有效控制大變形的產(chǎn)生;文獻(xiàn)[3]通過(guò)數(shù)值模擬分析三種不同臺(tái)階長(zhǎng)度施工對(duì)隧道的影響,最終確定5 m臺(tái)階長(zhǎng)度最為符合工程需要;文獻(xiàn)[4]分別對(duì)超短臺(tái)階、短臺(tái)階和長(zhǎng)臺(tái)階法進(jìn)行數(shù)值模擬,得出采用超短臺(tái)階法施工能有效的減小拱頂沉降和地表沉降;文獻(xiàn)[5]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得出增強(qiáng)初期支護(hù)的剛度與強(qiáng)度能有效地控制圍巖大變形.

本文針對(duì)成昆鐵路新白石巖隧道工程,通過(guò)數(shù)值方法模擬三臺(tái)階法施工,并分別對(duì)微臺(tái)階法和短臺(tái)階法施工進(jìn)行模擬,對(duì)比分析隧道開挖引起的拱頂沉降、地表沉降以及圍巖應(yīng)力,為類似圍巖隧道施工提供參考.

1 工程概況

成昆鐵路新白石巖隧道位于曼灘和越西南區(qū)間,全長(zhǎng)6 333 m,最大埋深約為470 m,隧道為單洞雙線,隧道斷面凈寬為14.68 m,凈高為10.13 m.隧道地表起伏較大,整體地質(zhì)條件較差,存在巖溶、活動(dòng)性斷層、泥石流和危巖落石等不良地質(zhì).洞身主要為白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖和砂巖等,多以Ⅳ級(jí)圍巖為主,部分為V級(jí)圍巖,對(duì)這種特殊地質(zhì)的研究可為工程的實(shí)施提供依據(jù).

本文以出口段里程D2K316+40—D2K316+100段為研究對(duì)象,標(biāo)段長(zhǎng)60 m.洞身圍巖為泥巖夾砂巖為主,巖體較破碎,為V級(jí)圍巖,擬采用三臺(tái)階法施工.

2 數(shù)值模擬

隧道埋深較大,模型頂面至隧道拱頂取50 m,將計(jì)算高度外的土體重度等效為不均勻分布力施加在模型頂面來(lái)模擬隧道不同的埋深以及上覆土層厚度.根據(jù)圣維南原理,地下工程的影響范圍為3～5倍洞室內(nèi)徑,所以計(jì)算模型取高100 m,寬100 m,長(zhǎng)60 m.圍巖采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算;考慮到隧道開挖過(guò)程中圍巖需要釋放應(yīng)力,本模型采用剛度折減法,設(shè)置開挖圍巖的彈性參數(shù)隨場(chǎng)變量而減小，以此來(lái)模擬圍巖應(yīng)力釋放的過(guò)程,應(yīng)力釋放系數(shù)取0.6[6-7].本隧道模型采用錨桿和噴射混凝土襯砌支護(hù),鋼筋網(wǎng)和鋼拱架折算到襯砌上,具體力學(xué)參數(shù)見表1所示.

表1 圍巖及初期支護(hù)參數(shù)

由于隧道直徑大、圍巖差,因此考慮采用短臺(tái)階法和微臺(tái)階法進(jìn)行施工模擬.兩種方法的主要區(qū)別在于臺(tái)階開挖長(zhǎng)度不同,微臺(tái)階法的臺(tái)階長(zhǎng)度為3 m,短臺(tái)階法的開挖長(zhǎng)度為10 m.施工模擬的目的在于控制應(yīng)力釋放程度、增加開挖圍巖的穩(wěn)定性.圖1為兩種臺(tái)階法施工的三維模型.

(a) 短臺(tái)階法施工

(b) 微臺(tái)階法施工

3 結(jié)果分析

3.1 隧道開挖位移

1) 地表沉降,圖2為采用不同臺(tái)階長(zhǎng)度施工時(shí)的地表沉降,由圖2可知,隧道正上方地表沉降值最大,兩測(cè)沿中心線呈對(duì)稱分布;微臺(tái)階法施工時(shí)地表最大沉降值為67.7 mm,短臺(tái)階法施工時(shí)的地表最大沉降值為69.9 mm.相比短臺(tái)階法,采用微臺(tái)階法施工可以有效減小地表整體沉降;圖3為不同臺(tái)階長(zhǎng)度下施工地表沉降曲線,由圖3可知,沿隧道中心左右兩側(cè)近似對(duì)稱分布,采用微臺(tái)階法施工時(shí),地表沉降曲線小于短臺(tái)階法.綜上可知,合理減小臺(tái)階開挖長(zhǎng)度,能夠有效減小因隧道開挖而引起的地表沉降.

(a) 短臺(tái)階法施工

(b) 微臺(tái)階法施工

圖3 地表沉降曲線

2) 拱頂沉降,從圖4中可以看出,兩種臺(tái)階法施工后圍巖上部拱頂和拱底變形特征相似,均表現(xiàn)為向內(nèi)擠壓,圍巖豎向位移在拱頂和拱底處較大.開挖過(guò)程中拱頂沉降的影響范圍較大.上臺(tái)階開挖后短臺(tái)階法和微臺(tái)階法施工的拱頂沉降分別為137.6 mm和85.7 mm.圖5為不同臺(tái)階開挖長(zhǎng)度下隧道拱頂沉降曲線,隨著開挖步的推進(jìn),兩種開挖方法對(duì)應(yīng)的沉降規(guī)律均為先期沉降速度較快,后期逐漸減緩并最終趨于穩(wěn)定.

(a) 短臺(tái)階法施工

(b) 微臺(tái)階法施工

圖5 隧道圍巖拱頂沉降曲線

由圖5和表2可以看出,隧道在開挖過(guò)程中拱頂沉降主要發(fā)生在上臺(tái)階開挖后.不同臺(tái)階開挖長(zhǎng)度和不同開挖步驟下拱頂?shù)淖罱K沉降值均有差別.采用短臺(tái)階法施工時(shí),最終沉降值為207.7 mm,其中上臺(tái)階支護(hù)后拱頂?shù)某两禐?37.6 mm,中臺(tái)階、下臺(tái)階以及仰拱支護(hù)后拱頂沉降量分別為27.2、17.7、11.7 mm;采用微臺(tái)階法施工時(shí),最終沉降值為184.6 mm,其中上臺(tái)階開挖支護(hù)后拱頂沉降為85.74 m,中臺(tái)階、下臺(tái)階以及仰拱支護(hù)后拱頂沉降量分別為29.4、20.7、35.7 mm.兩種開挖方法在上臺(tái)階開挖后產(chǎn)生的拱頂沉降占最終沉降的46.4%和66.2%.當(dāng)采用臺(tái)階法施工時(shí),上臺(tái)階開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)較大,造成開挖后對(duì)拱頂影響大,引起很大的變形,容易發(fā)生拱頂坍塌現(xiàn)象;采用微臺(tái)階法有效降低了上臺(tái)階開挖后對(duì)圍巖的影響,使得拱頂沉降減小,保證圍巖穩(wěn)定.

表2 兩種方法開挖過(guò)程中拱頂沉降 mm

3.2 隧道開挖應(yīng)力

從表3可以看出隧道開挖過(guò)程中的圍巖受壓狀態(tài),應(yīng)力場(chǎng)整體呈對(duì)稱均勻分布.圍巖的最大、最小主應(yīng)力的最值都集中在拱腰和拱腳附近,存在較大的壓應(yīng)力,施工時(shí)應(yīng)該注意并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),防止拱腰以及拱腳處因圍巖壓力過(guò)大而產(chǎn)生變形,引起噴射混凝土的開裂,從而影響圍巖穩(wěn)定性和隧道結(jié)構(gòu)的安全性.

表3 兩種施工方法特征點(diǎn)主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表 kPa

4 結(jié)論

采用ABAQUS數(shù)值軟件模擬新白石巖隧道工程三臺(tái)階法施工,并分別對(duì)微臺(tái)階法和短臺(tái)階法進(jìn)行模擬對(duì)比分析,主要得到以下結(jié)論:

1) 隧道中心線地表沉降值最大,沉降曲線沿中心線左右近似對(duì)稱.采用微臺(tái)階法相較于短臺(tái)階法而言,中心線上地表沉降變化較小,而地表整體沉降變化較大.

2) 采用臺(tái)階法施工時(shí),上臺(tái)階開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)較大,拱頂沉降在最終沉降中所占比重較大.在上臺(tái)階施工后短臺(tái)階法拱頂沉降為137.6 mm,而微臺(tái)階法為85.7 mm,減小了約38%,微臺(tái)階法的最終拱頂沉降較短臺(tái)階法的沉降減小了11%.結(jié)果表明,改變臺(tái)階長(zhǎng)度可以有效減小上臺(tái)階開挖后的拱頂沉降,保證隧道施工安全.