谷竹高速公路宴家隧道变形控制工法适用性研究

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)

南京工程学院学报(自然科学版)

Ｖｏｌ.１７ꎬＮｏ.４Ｄｅｃ.ꎬ２０１９

投稿网址:ｈｔｔｐ://ｘｂ.ｎｊｉｔ.ｅｄｕ.ｃｎ

　　ｄｏｉ:１０.１３９６０/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７２－２５５８.２０１９.０４.００４

谷竹高速公路宴家隧道变形控制工法适用性研究

刘汉红

(中铁隧道集团一处有限公司ꎬ重庆４０１１２３)

摘　要:在软弱的岩层、所处地应力较高、富含水等不良地质条件下开挖隧道时ꎬ很难对隧道变形进行预测和控制.为此ꎬ以谷竹高速公路宴家炭质片岩隧道工程为依托ꎬ采用三维数值模拟方法对８种不同的施工方法下围岩变形情况进行系统研究对比ꎬ就竖向位移与水平向位移的收敛情况对所涉及的几种施工方法的适用性进行讨论.数值分析结果表明ꎬ采用三台阶法、交叉中隔墙法或双侧壁导坑法比采用其他几种工法能够更有效地控制围岩变形ꎬ隧道的稳定性能得到保障.

关键词:公路隧道ꎻ宴家炭质软岩ꎻ隧道变形ꎻ施工工法ꎻ适用性中图分类号:Ｕ４５６

　　我国是个多山的国家ꎬ在山区修建隧道会不可避免地遇见各种地质水文条件ꎬ软弱岩层、高地应力和富水等不良地质条件将会加剧软岩隧道大变形等地质灾害.软岩变形一旦控制不当ꎬ不仅会造成工程巨大的直接经济损失ꎬ导致工期延长ꎬ而且还可能会引起塌方、冒顶等安全事故ꎬ造成不良的社会影响.

隧道在开挖后ꎬ初始地应力将进行重新分布[１－２].对于某些地区而言其岩层的强度可能较低ꎬ受工程施工扰动的敏感性较强ꎬ在一定的拉压作用条件下就可能产生不小的塑性变形区域ꎬ甚至会使围岩和支护发生大变形[３－５].此时ꎬ若采用的施工方法或处置对策不当ꎬ将非常容易发生初期支护变形超限甚至隧道坍塌等工程事故.因此ꎬ在软岩类地区进行隧道施工时ꎬ施工工法和支护措施的选择对控制围岩变形至关重要[６－７].而在选择工法时ꎬ往往又需要从多个角度进行考虑ꎬ所选工法既要保证施工的安全性ꎬ还要保证项目的经济性以及隧道的快速施工.基于数值计算方法进行施工工法类别、施工开挖动态和支护参数合理性评价和优

收稿日期:２０１９－１０－０６ꎻ修回日期:２０１９－１０－２５

作者简介:刘汉红ꎬ工程师ꎬ研究方向为隧道与地下工程施工技术管理.Ｅ￣ｍａｉｌ:４３４５４４２０６＠ｑｑ.ｃｏｍ

化ꎬ对炭质片岩软岩类隧道施工变形控制具有重要意义.

１　隧道工程地质条件

谷竹高速公路宴家隧道所处位置的地表层覆盖着第四系残坡积粉质粘土与碎石土ꎬ下部的基岩为志留系中统宴家群片岩.受地形地貌影响ꎬ该地区夏季常有强降雨出现ꎬ极易发生山体滑坡等地质灾害.隧道洞身围岩属于强~中风化类的炭质片岩ꎬ本身的强度较低ꎬ岩体破碎下的节理裂隙十分发育ꎬ遇水很容易就发生软化.谷竹高速公路宴家隧道左幅段长约１０８５ｍꎬ最大埋深达到１３４ｍꎬ右幅段长约１０８５ｍꎬ最大埋深为１２８ｍꎬ其中属于Ⅴ级围岩段长约为１３６ｍꎬⅣ级围岩段长达到１２７４ｍꎬⅢ级围岩段长约为７２２ｍ.隧道采用单心圆设计ꎬ其内轮廓半径为５.５ｍꎬ高度为９.９ｍꎬ跨度为１２.３８ｍ.室内单轴抗压强度经测试为２.５~１９.５ＭＰａꎬ据«工程岩体分级标准»)(ＧＢ/Ｔ５０２１８—２０１４)[８]规定ꎬ该区属软岩区.由于隧道为分离式小净距隧道ꎬ施工过程中若支护措施不当或不及时ꎬ隧道极易产生大变形甚

引文格式:刘汉红.谷竹高速公路宴家隧道变形控制工法适用性研究[Ｊ].南京工程学院学报(自然科学版)ꎬ２０１９ꎬ１７(４):１８－２４.

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至发生塌方.坑法进行对比研究.除围岩水平与竖直位移情况ꎬ围岩周围塑性区的情况也是判断施工安全与否的重要标志ꎬ但是由于施工步较多ꎬ故以纵向长度中间位置１５ｍ处为研究断面进行综合分析.

由于各工法的差异ꎬ计算监测点位置有所不同.三台阶法、三台阶预留核心土法和三台阶临时仰拱法在拱顶、拱脚、边墙、墙脚、拱底处布设监测点ꎻ全断面法、中隔壁法、交叉中隔墙法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法在拱顶、边墙、墙脚、拱底处布设监测点.监测点分布示意如图２所示.多种工法的计算网格及三维模型示意图见图３.数值计算过程中涉及的地层及支护物理力学参数见表１所示ꎬ隧道本身的支护参数见表２.

２　计算模型参数及施工工法模拟

采用岩土专业软件ＭＩＤＡＳＧＴＳ对隧道的施工变形情况进行分析ꎬ以隧道洞口段为研究区段对各个工法的结果进行对比.计算采用三维模型进行模拟ꎬ外边界范围取为５倍洞跨ꎬ纵向长度取３０ｍꎬ综合考虑取埋深５０ｍ.如图１所示ꎬ对所建模型的上表面不约束ꎬ两侧采用水平约束ꎬ前后两端采用纵向水平约束ꎬ对模型的底面采取竖直约束.为了进行多种施工工法的系统评价ꎬ选取全断面法、三台阶法、三台阶预留核心土法、三台阶临时仰拱法、中隔壁法、交叉中隔墙法、单侧壁导坑法和双侧壁导

图１　计算模型示意图

图２　隧洞计算点位移监控位置

(ａ)全断面法(ｂ)三台阶法(ｃ)三台阶预留核心土法(ｄ)三台阶临时仰拱法

(ｅ)中隔壁法(ｆ)交叉中隔墙法(ｇ)单侧壁导坑法(ｈ)双侧壁导坑法

图３　多种工法的计算网格及三维模型示意图

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表１　围岩及支护基本物理力学参数

项目围岩初期支护

弹性模量/ＭＰａ

１００２６３３０

泊松比０.４６０.２０

黏聚力/ｋＰａ

６０—

内摩擦角/(°)

１３—

密度/(ｇ􀅰ｃｍ－３)

２.７０

２.２４

表２　衬砌类型主要技术参数表

衬砌类型Ｓ５

围岩级别Ⅴ级深埋

超前支护ϕ４２小导管

初期支护

锚杆ϕ２２药卷锚杆Ｌ＝３.５ｍ(纵)１００×１２０(环)

钢筋网ϕ８钢筋网２０ｃｍ×２０ｃｍ

单层

喷射混凝土Ｃ２０喷射混凝土厚２６ｃｍ

钢拱架Ⅰ２０ａ工字钢间距１００ｃｍ

预留变形量１２ｃｍ

二次衬砌拱部、仰拱５０ｃｍ(钢筋)

３　控制位移变形效果

全断面开挖时采用循环进尺深度控制ꎬ开挖后及时喷射混凝土ꎬ形成初期支护.计算得到的围岩变形情况如图４(ａ)所示ꎬ随开挖步增加ꎬ拱顶下沉和拱底隆起逐渐增大ꎬ但增大速率有所下降ꎬ其值最后趋于稳定ꎬ拱顶最大沉降不到７ｃｍꎬ拱底最大隆起为１０ｃｍꎻ随开挖步增加ꎬ边墙和墙脚水平位移也逐渐趋于收敛ꎬ分别达到３ｃｍ和０.８ｃｍ.采用全断面法开挖ꎬ隧道周围围岩塑性区不明显ꎬ最大点出现在掌子面中部ꎬ故全断面开挖时ꎬ应对掌子面中部土体采取相应措施ꎬ防止该部位围岩向隧道已开挖空间内部鼓起.如图４(ｂ)所示.

采用三台阶法开挖时其施工步骤如图５(ａ)所示ꎬ其循环进尺深度为１ｍꎬ台阶长度为３ｍꎬ各台阶开挖后及时对围岩喷射混凝土ꎬ形成初期支护.围岩收敛曲线如图５(ｂ)所示ꎬ台阶法在开挖时对软弱围岩的扰动较大ꎬ且收敛闭合的时间较迟ꎬ对地层变形的控制能力较差ꎬ拱顶最大沉降达７ｃｍꎬ仰拱隆起达１８ｃｍꎬ拱脚最大水平收敛值２ｃｍꎬ边墙收敛５ｃｍ.由于分步开挖ꎬ上半断面支护后ꎬ随开挖继续进行ꎬ围岩压力沿隧道轮廓线向下转移ꎬ最终墙脚处水平收敛将近６ｃｍ.如图５(ｃ)所示ꎬ随

(ａ)开挖步骤

(ａ)围岩收敛曲线

(ｂ)围岩收敛曲线

(ｂ)全断面开挖后塑性区对比(ｃ)围岩塑性区分布

图４　全断面法图５　三台阶法

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开挖进行ꎬ塑性区向隧道周围围岩下部发展ꎬ且塑性区深度有所增加ꎬ主要是由于上台阶和中台阶施加支护后ꎬ剩余围岩应力达不到释放ꎬ向下部转移导致的.

如图６(ａ)所示ꎬ为了增加开挖掌子面的自稳ꎬ可采用三台阶预留核心土法进行施工.本次计算循环进尺深度为１ｍꎬ台阶长度为３ｍꎬ开挖后及时喷射混凝土ꎬ形成初期支护.围岩收敛曲线见图６(ｂ).采用三台阶临时仰拱法分台阶开挖的施工顺序如图７(ａ)所示ꎬ循环进尺深度为１ｍꎬ台阶长度为３ｍꎬ各台阶开挖后需对底部增设临时仰拱ꎬ与围岩初期支护闭合成环.从图７(ｂ)可以看出ꎬ三台阶临时仰拱法由于及时封闭每步开挖断面ꎬ控制变形能力优于三台阶法.该法得到的拱顶沉降４ｃｍꎬ仰拱最终隆起量不到１２ｃｍꎬ墙脚最大水平收敛约４ｃｍ.从图７(ｃ)可以看出ꎬ采用三台阶临时仰拱法相比于三台阶法ꎬ采用本施工工法开挖对垂直于开挖方向的位移影响不大ꎬ拱顶最终沉降约７ｃｍꎬ仰拱隆起量约１８ｃｍꎬ墙脚最大水平收敛值约６ｃｍ.采用预留核心土法开挖比采用三台阶法开挖更有利于掌子面的稳定ꎬ但因核心土的存在ꎬ施工空间有限.故三台阶预留核心土法适合大断面掌子面不稳定的情况.如图６(ｃ)所示ꎬ采用三台阶核心土法时围岩塑性区与第二台阶平行ꎬ且塑性区有与台阶法一样的发展规律.

(ａ)开挖步骤

(ｂ)围岩收敛曲线

(ｃ)围岩塑性区分布

图６　三台阶预留核心土法

时ꎬ围岩塑性区主要集中在仰拱底部.

(ａ)开挖步骤

(ｂ)围岩收敛曲线

(ｃ)围岩塑性区分布

图７　三台阶临时仰拱法

采用中隔壁法时根据需要增设临时仰拱ꎬ如图８(ａ)所示.首先施工隧道的一侧ꎬ待中隔壁墙做好后再施工隧道另一侧ꎬ并且将中隔壁设置为弧形.本研究中台阶长度为３ｍꎬ左右导坑错开长度为３ｍꎬ开挖完后拆除中隔壁.相比全断面法ꎬ采用中隔壁法开挖时ꎬ拱顶与拱底收敛速度更慢ꎬ但拱顶沉降量更小ꎬ约为５ｃｍ.拱底隆起值约为９ｃｍ.

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从图８(ｃ)可以看出ꎬ采用中隔壁法开挖ꎬ塑性区最大点出现在台阶上部ꎬ且左部导坑开挖时会对右边土体产生一定的扰动ꎬ开挖支护结束后在隧道仰拱下面围岩有较深塑性区出现.

(ａ)开挖步骤

(ｂ)围岩收敛曲线

(ｃ)围岩塑性区分布

图８　中隔壁法

采用具有同样进尺、台阶长度与左右导坑错开长度的交叉中隔墙法时ꎬ各部分开挖后应及时喷射混凝土ꎬ闭合成环ꎬ开挖完后拆除中隔壁.从图９可以看出ꎬ采用交叉中隔墙法以后ꎬ拱顶沉降量与拱底隆起量明显降低ꎬ拱顶沉降最大值为３ｃｍꎬ拱底隆起值为７ｃｍ.采用交叉中隔墙法比采用中隔壁法能更早闭合成环ꎬ比采用全断面法能使掌子面鼓起位移更小ꎬ所以控制变形的效果更好.如图９(ｂ)所示ꎬ与中隔壁法略有不同ꎬ采用交叉中隔墙法开挖时ꎬ塑性区最大点出现在台阶中部ꎬ左右部导坑开挖之间的相互扰动较小ꎬ隧道轮廓线周围围岩整体基本没有塑性区.

单侧壁导坑法开挖步骤如图１０(ａ)所示ꎬ先开挖左导坑并及时支护ꎬ封闭成环后开挖右侧部分ꎬ

(ａ)围岩收敛曲线

(ｂ)围岩塑性区分布

图９　交叉中隔壁法

各部分开挖后应及时喷射混凝土ꎬ闭合成环ꎬ开挖完后拆除临时支撑.单侧壁导坑法开挖的围岩收敛曲线如图１０(ｂ)所示ꎬ小导洞开挖后及时封闭成环可提供较强的支护刚度ꎬ拱顶最终的沉降

量不到４ｃｍꎬ仰拱隆起９ｃｍ.左侧边墙和墙脚相对于右侧对应监测点最终水平收敛值因导洞及时封闭而其值较小ꎬ左侧边墙和墙脚水平收敛值不到１ｃｍꎬ而右侧边墙最终收敛值约为２ｃｍꎬ右

侧墙脚收敛值为１ｃｍ.由图１０(ｃ)可知ꎬ采用单侧壁导坑法时ꎬ导坑内塑性区不明显ꎬ右侧上下台阶塑性区较为明显ꎬ但隧道轮廓线周围围岩整体基本没有塑性区.

双侧壁导坑法开挖步骤如图１１(ａ)所示ꎬ先开挖左右导坑ꎬ各部分开挖后应及时喷射混凝土ꎬ闭合成环ꎬ开挖完后拆除临时支撑.从围岩收敛曲线图１１(ｂ)可以看出ꎬ双侧壁导坑法对控制围岩变形有明显作用ꎬ其中拱顶沉降量最大值为２.５ｃｍꎬ拱底隆起值为７.５ｃｍꎬ而水平收敛不到１ｃｍ.而且ꎬ拱顶沉降以及水平收敛都有不同程度的回弹ꎬ这是因为拆除中间临时支撑、隔板等造成的.虽然双侧壁导坑法闭合时间更快ꎬ开挖断面更小ꎬ控制变形效果更好ꎬ但工序也更为复杂.从图１１(ｃ)可以看出ꎬ相较于单侧壁导坑ꎬ双侧壁导坑法扰动更小ꎬ导坑坑壁周围塑性区不明显.

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(ａ)开挖步骤

(ｂ)围岩收敛曲线

(ｃ)围岩塑性区分布

图１０　单侧壁导坑法

４　工法评价及适用性研究

表３为采用８种施工工法得到的隧道开挖时围岩位移情况.显而易见ꎬ采用双侧壁导坑法、交叉中隔墙法、三台阶临时仰拱法和单侧壁导坑法进行隧道施工时得到的拱顶沉降较小ꎻ采用交叉中隔墙法、双侧壁导坑法、中隔壁法和单侧壁导坑法产生的拱底隆起较小ꎻ采用双侧壁导坑法、交叉中隔墙法和单侧壁导坑法进行施工时边墙和墙脚水平位移也较小.

采用单侧壁导坑法施工时左右边墙和墙脚水平位移不一致ꎬ主要是由于隧道左右侧没同时开挖、先开挖左侧后开挖右侧引起的.采用三台阶法和三台阶预留核心土法时监控位置的位移基本相同ꎬ说明预留核心土在减小拱顶沉降、拱底隆起以及拱脚、边墙、墙脚水平收敛方面基本不起作用ꎬ但是在控制掌子面挤出变形方面很有效果.

(ａ)开挖步骤

(ｂ)围岩收敛曲线

图(ｃ)１１　围岩塑性区分布

双侧壁导坑法

表３　隧道施工围岩收敛位移统计表

施工工法

竖向位移水平位移拱顶拱底拱脚边墙墙脚全断面法７１０—３０.８三台阶法

７１８２５５.６三台阶预留核心土法７１８２５６三台阶临时仰拱法４１２１２４中隔壁法５９—４４.５交叉中隔墙法３７—０.９０.８单侧壁导坑法４９—０.５/２.５１.３/２.３

双侧壁导坑法

２.５

７.５

—

０.４

０.４

脚　/　右墙脚注:表中.

０.５/２.５和１.３/２.３分别指左边墙/右边墙和左墙

　和交叉中隔墙法可以看出　对比三台阶法和三台阶临时仰拱法ꎬ三台阶临时仰拱法各项、中隔壁法位移都比三台阶法小ꎬ交叉中隔墙法各项位移都比中隔壁法小.由于双侧壁导坑法的临时支撑刚度较高ꎬ所以采用双侧壁导坑法的各项位移比采用交叉中隔墙法的要小ꎬ充分说明临时支撑在施工中控制位移变形的巨大作用ꎬ但双侧壁导坑法在施工中临

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时支撑的架设和拆除耗时费力ꎬ施工速度慢且成本较高.

综上分析ꎬ对于炭质片岩软岩类隧道ꎬ能有效控制变形的工法为交叉中隔墙法和双侧壁导坑法ꎬ但这两种方法工序复杂ꎬ耗费时间.考虑到采用三台阶法可以根据实际变形情况ꎬ采用针对性措施ꎬ方便地进行工法转换ꎬ转换为三台阶预留核心土法和三台阶临时仰拱法ꎬ故认为三台阶法也是一种建议的工法.最终确定较为合理的工法为带有辅助措施的三台阶法、交叉中隔墙法和双侧壁导坑法.

台阶法、交叉中隔墙法和双侧壁导坑法为炭质片岩软岩类隧道较合理的施工工法ꎬ可保障其安全稳定性.

参考文献:

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５　结论

本文依托谷竹高速公路宴家炭质片岩隧道ꎬ采用三维数值仿真模拟计算方法就不同的隧道施工方法引起的围岩变形问题进行系统化的研究ꎬ通过围岩的竖向与水平向位移收敛情况对比各工法的效果及适用性ꎬ结论为:１)采用台阶法施工时设置临时仰拱较好ꎬ而交叉中隔墙法能获得比中隔壁法更小的位移ꎬ不考虑施工复杂性采用双侧壁导坑法ꎬ临时支撑的存在使得围岩的变形控制效果显著ꎻ２)综合评价位移变形分析ꎬ带有辅助措施的三

ＡＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＡｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄ

ｉｎＹａｎｊｉａＴｕｎｎｅｌｏｆＧｕｚｈｕＥｘｐｒｅｓｓｗａｙ

ＴｈｅＦｉｒｓｔＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＤｉｖｉｓｉｏｎＣｏ. ＬＴＤｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＴｕｎｎｅｌＧｒｏｕｐ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０１１２３ Ｃｈｉｎａ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙｔｕｎｎｅｌ Ｙａｎｊｉａｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓｓｏｆｔｒｏｃｋ ｔｕｎｎｅｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙａｎｄｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｅｉｇｈｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｉｓｔｕｎｎｅｌ ｉｆｔｈｅｔｈｒｅｅｓｔｅｐｍｅｔｈｏｄ ｃｒｏｓｓｍｉｄｄｌｅｐａｒｔｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｒ

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