雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道施工方案優(yōu)化研究

王潤(rùn)鈺， 盧 淵

(1.武漢華立建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司， 武漢 430014； 2.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071； 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

大斷面隧道由于其斷面大、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，往往是重點(diǎn)控制工程。特別是對(duì)于大跨大斷面隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下的開挖，保證其圍巖穩(wěn)定性具有重大的工程實(shí)際意義。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法也稱眼鏡工法，是大斷面隧道分部開挖的工法之一，在工程實(shí)踐中積累了不少成功的經(jīng)驗(yàn)。但是，在復(fù)雜地質(zhì)條件下的大斷面隧道，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工參數(shù)選擇，需要結(jié)合工程實(shí)際情況具體研究。

現(xiàn)階段，針對(duì)暗挖法隧道施工優(yōu)化研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展[1-9]。朱正國(guó)等[1]以蘭渝鐵路倉圓隧道為背景，確定了穿越泥石流堆積體隧道的圍巖加固范圍、合理施工方法及臺(tái)階參數(shù)；王仁杰等[4]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模擬的手段，對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種不同開挖順序的隧道變形及受力進(jìn)行了對(duì)比分析；李訊等[7]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控相結(jié)合的方法，研究淺埋超大斷面隧道的破壞形態(tài)、開挖工法、施工參數(shù)及支護(hù)體系力學(xué)特性。

武漢某排水隧道工程雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工段穿越復(fù)雜地層，同時(shí)下穿既有地下結(jié)構(gòu)或建(構(gòu))筑物，施工風(fēng)險(xiǎn)大。本文以武漢某排水隧道工程為背景，采用Plaxis3D有限元分析軟件，建立紅黏土地層—隧道結(jié)構(gòu)—周邊環(huán)境的一體化分析模型，開展三維數(shù)值模擬計(jì)算。分析在不同開挖循環(huán)進(jìn)尺，不同施工工序條件下，暗挖隧道施工過程中的變形演化規(guī)律，探討武漢紅黏土下穿雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道施工最佳參數(shù)選擇。

1 數(shù)值模型建立

1.1 計(jì)算模型

選取典型地質(zhì)剖面，采用Plaxis3D有限元軟件，建立數(shù)值計(jì)算模型，開展數(shù)值模擬計(jì)算。模型高36.93 m，模型地表以下依次分布著2.9 m深的雜填土、8.4 m深的紅黏土和28.7 m深的硅質(zhì)巖。隧道穿越硅質(zhì)巖層。其中，隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。隧道初期支護(hù)采用CF30鋼纖維噴射混凝土；二次襯砌采用C35P8混凝土。隧道開挖后及時(shí)施作相應(yīng)的初期支護(hù)，初期支護(hù)穩(wěn)定后施作二次襯砌。隧道洞身采用復(fù)合式襯砌，以錨桿、鋼筋網(wǎng)噴混凝土、鋼拱架為初期支護(hù)，模筑混凝土和鋼筋混凝土為二次支護(hù)。排水通道工程現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 武漢某排水通道工程

充分考慮開挖影響范圍和邊界效應(yīng)，三維計(jì)算模型X方向總長(zhǎng)取50 m，Y方向長(zhǎng)度為20 m，豎直方向視土層深度而定。隧道全長(zhǎng)20 m，隧道掘進(jìn)方向?yàn)閅軸正方向。計(jì)算模型的側(cè)邊界采用法向約束，底部邊界采用全約束(法向、切向約束)。

計(jì)算分析中，土體采用三角形15節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行模擬，有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格如圖2所示。其中，初襯、二襯及臨時(shí)襯砌均采用板單元模擬，錨桿等效到周圍土體參數(shù)中，其余均采用實(shí)體單元模擬，襯砌與土體接觸面上設(shè)置接觸單元。紅黏土采用小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型，其余土體均采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型；初襯、臨時(shí)支撐和二襯采用線彈性模型。土層計(jì)算參數(shù)見表1，襯砌計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

表2 襯砌計(jì)算參數(shù)

圖2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.2 計(jì)算方案及施工步驟

結(jié)合上述實(shí)際工況，分別考慮1、2、4 m 3種循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度，1(Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ)，2(Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ)兩種施工順序及二襯支護(hù)及時(shí)性，對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道下穿天然氣管道進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)比分析隧道施工擾動(dòng)引起的高壓天然氣管道及周邊環(huán)境變形演化規(guī)律，從而得到最優(yōu)的施工方案。

施工過程嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)資料進(jìn)行數(shù)值模擬。全隧道均采用上下臺(tái)階法施工，每部開挖后施作相應(yīng)的初期支護(hù)及相應(yīng)的臨時(shí)支護(hù)，全斷面開挖完成后及時(shí)施作仰拱，然后及時(shí)進(jìn)行二次襯砌施工。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道橫截面及施工支護(hù)情況如圖3所示。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道橫截面及施工支護(hù)情況

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 不同開挖循環(huán)進(jìn)尺計(jì)算結(jié)果及分析

分別選取1、2、4 m 3種循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度進(jìn)行三維有限元分析，其余施工參數(shù)保持不變。對(duì)以上3 種循環(huán)進(jìn)尺分別分析計(jì)算結(jié)果如下：

取y=10 m處，即隧道中點(diǎn)處斷面，分析不同循環(huán)進(jìn)尺條件下隧道開挖完成后該斷面的橫向地表沉降規(guī)律。圖4、圖5分別為地層豎向變形位移云圖及地表沉降曲線?？梢钥闯觯?dāng)循環(huán)進(jìn)尺為4 m時(shí)，隧道開挖產(chǎn)生的地表沉降值整體最大，最大值為7.6 mm；當(dāng)循環(huán)進(jìn)尺為1 m時(shí)，隧道開挖產(chǎn)生的地表沉降值整體最小，沉降最大值為4.5 mm。選取x=25 m處，即隧道軸線位置處斷面分析得到不同循環(huán)進(jìn)尺下隧道開挖完成后縱向地表沉降曲線，如圖6所示。同樣地，當(dāng)循環(huán)進(jìn)尺為4 m時(shí)地表縱向沉降曲線整體最大。

圖4 y=10 m截面處不同循環(huán)進(jìn)尺下地層豎向位移云圖

圖5 不同循環(huán)進(jìn)尺下地表橫向沉降曲線

圖6 不同循環(huán)進(jìn)尺下地表縱向沉降曲線

取y=10 m處，即隧道中點(diǎn)處斷面，分析不同循環(huán)進(jìn)尺條件下隧道開挖完成后襯砌變形規(guī)律。圖7、圖8分別為隧道結(jié)構(gòu)豎向變形圖及水平變形圖。表3匯總了該斷面在不同循環(huán)進(jìn)尺條件下隧道結(jié)構(gòu)變形最大值?？梢钥闯觯煌h(huán)進(jìn)尺下隧道結(jié)構(gòu)的變形模式基本相同。其中，循環(huán)進(jìn)尺為1 m時(shí)隧道結(jié)構(gòu)變形最小，循環(huán)進(jìn)尺為4 m時(shí)最大。循環(huán)開挖進(jìn)尺對(duì)隧道結(jié)構(gòu)豎向變形影響更大。

圖7 y=10 m截面處拱頂及拱底豎向變形圖

圖8 y=10 m截面處襯砌水平變形圖

表3 不同開挖進(jìn)尺隧道襯砌變形值 單位：mm

圖9和圖10分別展示了隧道開挖完成后，不同循環(huán)進(jìn)尺條件下隧道軸線處襯砌拱頂沉降及拱底隆起曲線?？梢钥闯?，循環(huán)進(jìn)尺為1 m和2 m的隧道拱頂沉降值差別較小，而循環(huán)進(jìn)尺為4 m的隧道拱頂沉降值整體明顯大于循環(huán)進(jìn)尺為1 m和2 m的兩個(gè)工況。3種循環(huán)進(jìn)尺條件下的隧道拱底隆起曲線差別較小。

圖9 不同循環(huán)進(jìn)尺下隧道拱頂沉降曲線

圖10 不同循環(huán)進(jìn)尺下隧道拱底隆起曲線

對(duì)于開挖進(jìn)尺而言，一次開挖進(jìn)尺的步距越大，產(chǎn)生的變形和沉降也越大；開挖步距越小，越容易控制開挖引起的變形。然而，若步距過小，將影響人員和機(jī)械在隧道中施工，影響施工效率。因此，結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，建議開挖進(jìn)尺不宜過大。綜上，考慮到施工安全及施工效率的因素，建議隧道的循環(huán)進(jìn)尺取2 m。

2.2 不同開挖工序計(jì)算結(jié)果及分析

雙側(cè)壁工法對(duì)圍巖產(chǎn)生多次擾動(dòng)，引起應(yīng)力場(chǎng)的重分布與數(shù)次演變，洞周位移非線性疊加，產(chǎn)生損傷性塑性區(qū)，并向深部延伸，支護(hù)變位也逐漸增大，即所謂群洞效應(yīng)。為避免群洞影響，一般先安排一側(cè)導(dǎo)坑先行，另一側(cè)導(dǎo)坑間隔一定距離后進(jìn)。對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法采用順序1(Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ)，順序2(Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ)2 種導(dǎo)坑開挖工序，隧道循環(huán)進(jìn)尺默認(rèn)2 m，采用Plaxis3D軟件進(jìn)行三維有限元計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果，確定最佳施工順序。

取y=10 m處，即隧道中點(diǎn)處斷面，分析不同循環(huán)進(jìn)尺條件下隧道開挖完成后該斷面的橫向地表沉降規(guī)律。圖11、圖12分別為地層豎向變形位移云圖及地表沉降曲線?？梢钥闯?，當(dāng)采用第2種施工順序時(shí)，隧道開挖產(chǎn)生的地表沉降值整體最大，最大值為6.0 mm；當(dāng)采用施工順序1時(shí)，隧道開挖產(chǎn)生的地表沉降值整體最小，沉降最大值為5.5 mm。選取x=25 m處，即隧道軸線位置處斷面分析得到不同循環(huán)進(jìn)尺下隧道開挖完成后縱向地表沉降曲線，如圖13所示。同樣地，當(dāng)采用第2種施工順序時(shí)地表縱向沉降曲線整體最大。

圖11 y=10 m截面處不同施工順序下地層豎向位移云圖

圖12 不同施工順序下地表橫向沉降曲線

圖13 不同施工順序下地表縱向沉降曲線

取y=10 m處，即隧道中點(diǎn)處斷面，分析不同施工工序條件下隧道開挖完成后襯砌變形規(guī)律。圖14、圖15分別為隧道結(jié)構(gòu)豎向變形圖及水平變形圖。表4匯總了該斷面在不同施工工序條件下隧道結(jié)構(gòu)變形最大值。可以看出，整體上，施工工序不同對(duì)隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降及拱底隆起影響較小。

圖14 y=10 m截面處拱頂及拱底豎向變形圖

圖15 y=10 m截面處襯砌水平變形圖

表4 不同施工順序隧道襯砌變形值 單位：mm

圖16和圖17分別展示了隧道開挖完成后，不同施工工序條件下隧道軸線處襯砌拱頂沉降及拱底隆起曲線?？梢钥闯?，不同施工順序?qū)τ谒淼拦暗茁∑饚缀鯖]有影響，而施工順序2造成的隧道拱頂沉降比施工順序1更大。

圖16 不同施工順序下隧道拱頂沉降曲線

圖17 不同施工順序下隧道拱底隆起曲線

從控制周邊環(huán)境變形以及保證初期支護(hù)的安全角度出發(fā)，順序1 比順序2 更有利，所以從施工安全的角度考慮建議采取順序1 開挖。

3 結(jié)論

本文基于武漢某排水隧道工程雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道，分別考慮1、2、4 m 3種循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度，1(Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ)、2(Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ)兩種施工順序，采用Plaxis3D軟件，建立了紅黏土地層-隧道結(jié)構(gòu)-周邊環(huán)境的一體化分析模型，形成了大跨扁平暗挖隧道全過程施工效應(yīng)數(shù)值模擬方法。通過分析計(jì)算結(jié)果，確定了最優(yōu)施工方案，同時(shí)也為武漢地區(qū)下穿紅黏土暗挖隧道工程提供了有效參考。具體結(jié)論如下：

1)當(dāng)循環(huán)進(jìn)尺為4 m時(shí)，隧道開挖產(chǎn)生的地表橫向和縱向沉降值整體最大，循環(huán)進(jìn)尺為1 m和2 m的地表沉降值差異較小；隧道開挖完成時(shí)，不同循環(huán)進(jìn)尺條件下的隧道拱頂沉降值差異較小，但循環(huán)進(jìn)尺為4 m的施工方案隧道拱頂沉降值明顯大于循環(huán)進(jìn)尺為1 m和2 m所對(duì)應(yīng)的值。

2)當(dāng)循環(huán)進(jìn)尺為2 m時(shí)，施工順序1計(jì)算得到的地表沉降值小于施工順序2的地表沉降值，拱頂沉降及拱底隆起值差異較小。

3)對(duì)比計(jì)算結(jié)果，綜合考慮施工安全及施工效率的因素，建議隧道的循環(huán)進(jìn)尺取2 m，施工順序采用順序1(Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ)，并在實(shí)際條件允許的情況下及時(shí)進(jìn)行二次襯砌及仰拱的施作。