特大跨度隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步距優(yōu)化分析

劉 濤

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江湖州 313002)

引言

隨著車流量的提高，高速公路隧道斷面也從常規(guī)的雙向四車道或六車道，增加到雙向八車道。對(duì)于特大跨度隧道，一般分導(dǎo)坑開挖，各導(dǎo)坑的步距需錯(cuò)開一定的距離。JTGF90—2015《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范》規(guī)定[4]，Ⅳ級(jí)圍巖隧道施工的安全步距不得超過50 m。針對(duì)施工安全步距，國(guó)內(nèi)工程人員及學(xué)者進(jìn)行一些研究。陳夢(mèng)月根據(jù)廈門翔安海底隧道出口端地質(zhì)條件，采用數(shù)值分析方法，優(yōu)化CRD(交叉中隔墻法)工法各部之間的步距和步序，改進(jìn)隧道開挖支護(hù)方案，將拱頂沉降控制在最小的范圍內(nèi)[5]；聶振宇以莞惠城際軌道交通工程松山湖隧道施工為例，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，修正鐵建設(shè)[2010]120號(hào)文在修建城際地下鐵路隧道方面存在適應(yīng)性及可操作性的問題，對(duì)步距提出建議[6]；王齊采用FLAC3D有限差分軟件，對(duì)深埋隧道Ⅳ級(jí)圍巖安全步距進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并以實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)相印證與參考，探求Ⅳ圍巖及支護(hù)條件下的安全步距理論值[7]；王麗鋒基于正交設(shè)計(jì)原理，通過AQAQUS有限元軟件建立三維動(dòng)態(tài)開挖支護(hù)數(shù)值模型，對(duì)三種大斷面隧道分部開挖法(中隔壁臺(tái)階法、CRD法及CD法)進(jìn)行了不同開挖步距下的計(jì)算，揭示不同開挖步距對(duì)大斷面隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力狀態(tài)影響規(guī)律[8]；王玉林以云南某特長(zhǎng)隧道工程為例，通過理論分析研究Ⅴ級(jí)圍巖段安全步距的合理范圍[9]；凌云鵬等以京張高鐵清華園隧道上穿北京地鐵15號(hào)線區(qū)間隧道為工程背景，提出一種新的施工方法：上中隔壁下雙側(cè)壁預(yù)錨錠工法[10]。

隨著施工機(jī)械化水平的提高，自行式液壓棧橋及三臂鑿巖臺(tái)車已有較多應(yīng)用。為提高隧道機(jī)械化施工的質(zhì)量和效率，在確保隧道施工安全的基礎(chǔ)上，需對(duì)施工步距進(jìn)行優(yōu)化，郭磊通過數(shù)值模擬對(duì)機(jī)械化快速施工在Ⅳ級(jí)圍巖的條件下，不同施工步距的工況展開了研究[11]；黃維科針對(duì)龍昌隧道在Ⅳ級(jí)圍巖公路隧道采用大型機(jī)械化施工需要，通過數(shù)值分析對(duì)安全步距進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化[12]；郝俊明以太錫鐵路太崇段的和平隧道與崇禮隧道工程項(xiàng)目為依托，通過數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)測(cè)，研究仰拱和二襯的不同步距對(duì)隧道開挖安全性的影響效應(yīng)，并探討在機(jī)械化快速施工要求下，隧道在不同級(jí)別圍巖施工時(shí)仰拱和二襯的施作步距[13]。

以往對(duì)大斷面隧道導(dǎo)坑步距研究主要針對(duì)CRD、中隔壁法，對(duì)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工步距研究較少?；诖?，以廈門機(jī)場(chǎng)高速公路巷東隧道為依托，針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備使用，通過數(shù)值模擬分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)施工步距進(jìn)行優(yōu)化，以期有效加快施工進(jìn)度。

1 工程背景

1.1 工程簡(jiǎn)介

廈門市翔安機(jī)場(chǎng)高速公路巷東隧道為分離式隧道(凈距42～59 m)，雙洞八車道，右洞長(zhǎng)900 m，左洞長(zhǎng)890 m。隧道單洞建筑限界凈寬18.50 m，凈高為5.0 m。設(shè)計(jì)速度為100 km/h。場(chǎng)地巖土層構(gòu)成復(fù)雜，從上到下依次為：雜填土、填砂、中粗砂、砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。地下水類型為潛水，賦存于填砂、中粗砂、砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層中。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的主要是洞口淺埋段Ⅴ級(jí)圍巖段。

1.2 原施工方案存在問題

一般情況下，導(dǎo)坑跨度宜為整個(gè)隧道開挖寬度的1/3。按這一原則設(shè)計(jì)的開挖及支護(hù)方案見圖1。

圖1 巷東隧道Ⅴ級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑支護(hù)(單位：cm)

按上述方案施工，由于左右側(cè)導(dǎo)坑尺寸較小，不能滿足大型設(shè)備的施工空間，只能采用小型挖掘機(jī)開挖，運(yùn)輸采用小型裝載機(jī)配合單橋運(yùn)輸車，出渣時(shí)間長(zhǎng)、效率低。為提高機(jī)械化作業(yè)水平，需擴(kuò)大左右導(dǎo)坑的尺寸[15]，見圖2。同時(shí)要求主洞下臺(tái)階距離二襯長(zhǎng)度≯20 m；兩側(cè)導(dǎo)坑上下臺(tái)階間距應(yīng)≤10 m，導(dǎo)坑掌子面間距應(yīng)<15 m，導(dǎo)坑超前中間土體≮30 m。

圖2 巷東隧道V級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑支護(hù)(單位：cm)

具體工序如下：①左上導(dǎo)坑開挖10 m；②左上導(dǎo)坑初期支護(hù)；③左下導(dǎo)緊跟開挖，左上導(dǎo)坑與左下導(dǎo)坑步距為10 m；④左下導(dǎo)坑初期支護(hù)；⑤當(dāng)左上導(dǎo)坑開挖超過15 m，右上導(dǎo)坑開始開挖；左上導(dǎo)坑與右上導(dǎo)坑步距為15 m；⑥右上導(dǎo)坑初期支護(hù)；⑦右上導(dǎo)坑開挖10 m時(shí)，右下導(dǎo)開始開挖，右上導(dǎo)坑與右下導(dǎo)坑步距為10 m；⑧右下導(dǎo)坑初期支護(hù)；⑨當(dāng)右上導(dǎo)坑開挖超過30 m時(shí)，主洞上臺(tái)階開始開挖；右上導(dǎo)坑與主洞上臺(tái)階步距為30 m；⑩主洞上臺(tái)階初期支護(hù)；主洞上臺(tái)階開挖10 m時(shí)，主洞中臺(tái)階開始開挖；主洞上臺(tái)階與主洞中臺(tái)階步距為10 m；主洞中臺(tái)階初期支護(hù)；當(dāng)主洞中臺(tái)階開挖20 m，主洞下臺(tái)階開始開挖；主洞中臺(tái)階與主洞下臺(tái)階步距為20 m；主洞下臺(tái)階初期支護(hù)。

上述施工方案中，由于側(cè)導(dǎo)坑上下臺(tái)階間距較小，只能選用小型濕噴機(jī)作業(yè)，存在功效低、回彈率高等問題；另外，主洞下臺(tái)階距離二襯較近，下臺(tái)階圍巖大部分為堅(jiān)硬的中風(fēng)化花崗巖，爆破振動(dòng)容易影響到臺(tái)車，并對(duì)已經(jīng)施工完成的二襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)破壞。

1.3 隧道導(dǎo)坑開挖步距調(diào)整后的施工方案

通過增加側(cè)導(dǎo)洞及主洞的臺(tái)階步距，保證濕噴機(jī)械手和初噴料罐車作業(yè)空間。1個(gè)循環(huán)施工長(zhǎng)度調(diào)整為106 m；主洞下臺(tái)階與防水板臺(tái)車步距調(diào)整為20 m；主洞上、中、下臺(tái)階步距調(diào)整為3～5 m；左、右兩側(cè)側(cè)壁導(dǎo)坑上下臺(tái)階步距調(diào)整為25 m；調(diào)整后施工步序見圖3。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法調(diào)整后施工步序平面

通過三維有限元數(shù)值建模，針對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案調(diào)整前(導(dǎo)坑尺寸擴(kuò)大，步距不變)，以及優(yōu)化后(導(dǎo)坑尺寸擴(kuò)大，步距擴(kuò)大)的圍巖變形及初支受力進(jìn)行分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段的實(shí)施情況，論證施工方案的合理性。

2 數(shù)值分析模型的建立

2.1 數(shù)值模型設(shè)計(jì)

模型范圍內(nèi)，地質(zhì)體主要包括表層的碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑦和中風(fēng)化花崗巖⑨a，模型尺寸為x×y×z=60 m×80 m×45 m。三維實(shí)體模型網(wǎng)格劃分采用10節(jié)點(diǎn)高階四面體單元，劃分網(wǎng)格模型見圖4。錨桿的加固相應(yīng)通過提高錨桿作用范圍內(nèi)圍巖的強(qiáng)度參數(shù)來實(shí)現(xiàn)；鋼拱架及噴射混凝土合并考慮，采用板單元模擬。

圖4 隧道三維網(wǎng)格模型

2.2 模型參數(shù)

為了更好地反映圍巖在開挖過程中的變形特征，對(duì)碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖采用不同的本構(gòu)模型，分別為小應(yīng)變土體硬化模型(Hardening Soil-Small，HSS)及莫爾-庫侖模型(Mohr-Coulomb，MC)，具體參數(shù)見表1。初期支護(hù)及臨時(shí)支撐均視為線彈性材料，彈性模量28 GPa，泊松比0.15，重度25 kN/m3。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬工況

根據(jù)步距調(diào)整前后施工工序，模擬一個(gè)開挖循環(huán)施工過程，見表2。

表2 模擬的施工步驟

3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖步距優(yōu)化分析結(jié)果

3.1 開挖步距優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

(1)圍巖位移

主洞開挖前，側(cè)導(dǎo)坑開挖引起的導(dǎo)坑拱部沉降最大值為3.4 mm，側(cè)導(dǎo)坑兩側(cè)收斂位移為4.2 mm(以向內(nèi)收斂位移為正，反之為負(fù))，主洞開挖后，隧道拱頂沉降相比超前側(cè)導(dǎo)坑開挖時(shí)有一定增加，達(dá)到為6.4 mm，兩側(cè)腰部變形表現(xiàn)為向隧道外側(cè)擠出式位移，隧道兩側(cè)收斂位移為6.2 mm。

在距離隧道洞口10 m處斷面設(shè)置圍巖位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在拱頂及左右兩側(cè)共設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見圖5。拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)A′的沉降及兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)B′和C′的水平位移見圖6。

圖5 優(yōu)化方案圍巖位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖6 優(yōu)化方案圍巖位移監(jiān)測(cè)曲線

由圖6(a)可知，拱頂沉降隨主洞的開挖情況密切相關(guān)，在step 240以前，由于監(jiān)測(cè)斷面處主洞尚未開挖，此時(shí)拱頂沉降較??；step 240以后，主洞開始開挖，此時(shí)拱頂沉降快速增加，在 step 340左右時(shí)達(dá)到最大沉降值6.4 mm；隨著 主洞上臺(tái)階的繼續(xù)推進(jìn)約20 m，拱頂沉降趨于穩(wěn)定(6.3 mm左右)。

由圖6(b)可知，在主洞開挖前(step 240以前)，由于左側(cè)導(dǎo)坑超前右側(cè)導(dǎo)坑15 m，左側(cè)導(dǎo)坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)B′水平位移已達(dá)到0.9 mm；右側(cè)導(dǎo)坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)C′水平位移-0.6 mm左右；隨著主洞的開始開挖，隧道兩側(cè)B′、C′位移逐漸增大，直到step 340左右，B′、C′點(diǎn)最大水平位移分別達(dá)到1.14 mm和-1.04 mm；此后，位移逐漸回落，最后穩(wěn)定在0.8～0.9 mm。

(2)初期支護(hù)

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)化方案施工過程中初支結(jié)構(gòu)位移見圖7。由圖7可知，臨時(shí)支撐上部的水平位移高于下部；初期支護(hù)的噴射混凝土與圍巖的變形基本一致，這是基于兩者密貼前提下得出的結(jié)果。

圖7 優(yōu)化方案初支位移云圖

優(yōu)化方案初支軸力云圖見圖8。由圖8可知，隨著施工的進(jìn)展，初支軸力呈增大的趨勢(shì)：左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖時(shí)，最大壓力約221 kN/m，位于水平臨時(shí)支撐中部，在上臺(tái)階腳部出現(xiàn)拉應(yīng)力，為-763 kN/m；右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖后，上臺(tái)階腳部的拉應(yīng)力有所增加(約-877 kN/m)；隨著兩側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階及主洞的開挖后，初支腰部的拉應(yīng)力繼續(xù)增加至-1 441 kN/m。

圖8 主洞下臺(tái)階開挖25 m初支軸力云圖

初支剪力云圖見圖9。由圖9可知，主洞開挖前，在仰拱初支與豎向臨時(shí)支撐腳部相接處附近，初支剪力出現(xiàn)最大值(約978 kN/m)；主洞開挖后，位于豎向臨時(shí)支撐與拱頂和仰拱初支相接處，初支剪力極值略有增加(約1 028 kN/m)。

圖9 主洞下臺(tái)階開挖25 m初支剪力云圖

優(yōu)化方案初支彎矩云圖見圖10。由圖10可知，主洞開挖前，初支彎矩極值主要出現(xiàn)在臨時(shí)支撐與初支的相接部位，最大彎矩約204 kN·m，施工過程變化不大，主洞開挖后最大彎矩約220 kN·m。

圖10 主洞下臺(tái)階開挖25 m初支彎矩云圖

3.2 開挖步距優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比分析

開挖步距優(yōu)化前后的圍巖變形、初期支護(hù)位移及內(nèi)力的極值對(duì)比見表3。

表3 圍巖變形及初支內(nèi)力極值匯總

由表3可知，方案二得到的拱頂沉降減小11.1%，兩側(cè)導(dǎo)坑水平收斂相對(duì)方案一分別減小64.6%；優(yōu)化方案的初支軸力只有個(gè)別點(diǎn)的壓應(yīng)力增加較多，大部分的軸力及剪力變化幅度在4%以內(nèi)，初支彎矩極值降低6%?？傮w來看，步距調(diào)整后，圍巖位移及初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力極值變化幅度不大，處于合理范圍內(nèi)。

4 工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

為了監(jiān)測(cè)隧道開挖過程中，地表沉降及導(dǎo)坑拱頂沉降情況，分別在Z2K6+233～Z2K6+130區(qū)間段布置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(每個(gè)斷面13個(gè)觀測(cè)點(diǎn))；拱頂測(cè)點(diǎn)分為左、中、右，具體布置情況見圖11、圖12。

圖11 雙側(cè)壁導(dǎo)坑拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖12 地表沉降布置

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

(1)地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

地表沉降累計(jì)變化曲線見圖13。

圖13 地表沉降累計(jì)變化值-時(shí)間曲線

由圖13可知，隨導(dǎo)坑開挖區(qū)域的擴(kuò)大，地表沉降逐漸增大，先是在短期內(nèi)有一個(gè)陡增的過程，而后下沉增速逐漸變緩，并最終趨向于穩(wěn)定。地表沉降最大沉降值為9.1 mm，最大變化速率為0.5 mm/d，未超過允許范圍。

從變形特征來看，一方面表明導(dǎo)坑開挖擾動(dòng)誘發(fā)地表下沉增大；另一方面也表明在采取支護(hù)措施之后，地表沉降發(fā)展得到控制。從圖中還可以看出，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象，如DBC-Z1-8、DBC-Z2-5、DBC-Z2-9及DBC-Z2-10等測(cè)點(diǎn)，這些地表測(cè)點(diǎn)位于洞口正上方，由于隧道施工過程中的爆破及拆側(cè)壁等作業(yè)產(chǎn)生的影響而造成地表隆起。

(2)拱頂下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

拱頂下沉隨著各個(gè)導(dǎo)坑的開挖，在開始的2 d內(nèi)有一個(gè)陡升的階段，但此后，隨著掌子面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉雖有波動(dòng)，但幅度較小，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

一般來說，左導(dǎo)坑的下沉值大于右導(dǎo)坑及中導(dǎo)坑的下沉值，其原因主要是左導(dǎo)坑先行開挖，后續(xù)開挖的右導(dǎo)坑及中導(dǎo)坑對(duì)左導(dǎo)坑的變形有一定的影響。但至施工結(jié)束，左、中、右導(dǎo)坑的累積最大沉降值差別不大，最大下沉值為12.5 mm，遠(yuǎn)低于控制值50 mm；變化速率為0.7 mm/d，也小于控制值3.0 mm/d。

(3)凈空收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

總體來說，兩側(cè)腰部變形特征與數(shù)值模擬計(jì)算得到的結(jié)果相近：朝向隧道外側(cè)擠出式位移，收斂位移最大值約14.7 mm，變化速率不超過0.55 mm/d，均在控制范圍內(nèi)。這表明各導(dǎo)坑開挖及支護(hù)施工對(duì)附近監(jiān)測(cè)斷面洞周位移有擾動(dòng)，但影響不大；在20 d之后，圍巖內(nèi)部位移處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

通過對(duì)巷東隧道V級(jí)圍巖淺埋段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步距的研究，可以得出以下結(jié)論。

(1)原施工方案中，側(cè)導(dǎo)洞上下臺(tái)階步距≤10 m，主洞下臺(tái)階距離二襯≤20 m，無法滿足濕噴機(jī)械手基本操作空間，影響施工進(jìn)度；為提高施工的機(jī)械化水平，減少爆破對(duì)二襯的影響，增大左右兩側(cè)導(dǎo)坑上下臺(tái)階的步距，從10 m調(diào)整為25 m，調(diào)整主洞上、中、下臺(tái)階的步距，一個(gè)循環(huán)施工長(zhǎng)度調(diào)整為106 m。

(2)導(dǎo)坑步距增大后，拱頂沉降及導(dǎo)坑收斂值略有減少；優(yōu)化方案的初支軸力只有個(gè)別點(diǎn)的壓應(yīng)力增加較大，大部分的軸力及剪力變化幅度在4%以內(nèi)，初支彎矩極值降低6%?？梢?，圍巖位移及初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力極值變化都不大，處于合理范圍內(nèi)。

(3)地表沉降監(jiān)測(cè)表明，最大沉降約9.1 mm，最大變化速率0.5 mm/d，未超過允許范圍，總體上趨于穩(wěn)定；各導(dǎo)坑開挖及支護(hù)施工對(duì)附近監(jiān)測(cè)斷面洞周位移有擾動(dòng)，但影響不大；洞周位移總體上在20 d之后，圍巖內(nèi)部位移處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。