桐梓隧道Ⅴ级围岩段施工方法适用性数值分析

姜 健 郭腾飞

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000)

1 工程概况

兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段桐梓隧道地处黔北高原北部，该隧道为分离式双向六车道特长隧道，左幅起讫ZK34+508～ZK45+005，全长10 497 m,最大埋深约639.61 m，右幅起讫桩号为YK34+530～YK45+015，全长10 485 m，最大埋深约639.07 m。左幅隧道中Ⅴ级围岩段落为ZK34+508～ZK34+585，ZK35+740～ZK35+770，ZK37+730～ZK37+920，ZK39+890～ZK40+090，ZK41+330～ZK41+460，ZK42+250～ZK42+330和ZK43+405～ZK43+600，共7段，共902 m，其中ZK34+508～ZK34+585为浅埋段，其余为深埋段。右幅隧道中Ⅴ级围岩段落为YK34+530～YK34+585,YK35+725～YK35+755,YK37+780～YK37+980，YK39+970～YK40+210，YK41+425～YK41+545，YK42+315～YK42+395，YK43+500～YK43+695，YK44+895～YK45+015，共8段，共1 040 m，其中YK34+530～YK34+585，YK44+895～YK45+015为浅埋段，其余为深埋段。

为掌握不同开挖方法的适用性，取浅埋段ZK34+585断面进行模拟分析。ZK34+585断面顶板埋深为26 m，洞身围岩为中风化灰岩夹炭质泥岩，岩质较软，Rc=30 MPa。岩体破碎，Kv=0.32。围岩无自稳能力，无支护时易产生坍塌及掉块，甚至冒顶。

根据设计资料及以往工程经验，针对Ⅴ级围岩条件下三车道隧道施工方法提出对双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法和三台阶+临时仰拱三种开挖方法，从施工过程中围岩的稳定性和变形等角度进行分析。

双侧壁导坑法，其施工顺序示意图如图1所示。

双侧壁导坑法主要施工步骤为：1)开挖导坑Ⅰ；2)施作初期支护及临时支护①；3)开挖导坑Ⅱ；4)施作初期支护及临时支护②；5)开挖导坑Ⅲ；6)施作初期支护及临时支护③；7)开挖导坑Ⅳ；8)施作初期支护及临时支护④；9)开挖导坑Ⅴ；10)施作初期支护及临时支护⑤；11)开挖导坑Ⅵ；12)施作初期支护及临时支护⑥。

三台阶七步开挖法，其施工顺序示意图如图2所示。

三台阶七步开挖法主要施工步骤为：1)环形开挖上台阶Ⅰ；2)施作上台阶初期支护①；3)跳槽开挖中台阶Ⅱ,Ⅲ；4)施作中台阶初期支护②,③；5)跳槽开挖下台阶两侧Ⅳ,Ⅴ；6)施作下台阶初期支护④,⑤；7)分台阶开挖Ⅵ-1，Ⅵ-2，Ⅵ-3；8)开挖仰拱Ⅶ；9)施作初期支护⑥。

三台阶+临时仰拱法，其施工顺序示意图如图3所示。

三台阶+临时仰拱法主要施工步骤为：1)开挖上台阶Ⅰ；2)施作上台阶初期支护①-1及临时仰拱①-2；3)开挖中台阶Ⅱ；4)施作中台阶初期支护②-1及临时支护②-2；5)开挖下台阶Ⅲ；6)施作下台阶初期支护③-1。

2 数值模拟

2.1 模型建立

参考类似工程案例[1-4]，以浅埋段ZK34+585断面，建立数值模型如图4～图6所示，其计算模型的边界范围在水平方向上取大于3.5倍的最大洞跨，垂直方向上则取大于3.0倍的洞室高度。模型边界条件为：底部采用位移边界条件，即垂直和水平方向的位移均约束，侧面仅水平方向位移约束，顶部为自由表面，不施加任何约束。

2.2 计算参数

钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土：

(1)

其中,E为折算后混凝土的弹性模量；E0为原混凝土的弹性模量；Sg为钢拱架的截面面积；Eg为钢材的弹性模量；Sc为混凝土的截面面积。

初始应力场根据岩体的自重应力场计算得到。围岩采用平面四边形等参单元，判定准则采用Mohr-Coulomb屈服准则。结合现场工程地质勘察资料及相关规范标准[5-7]可得其余参数值如表1所示。

表1 数值分析计算参数

2.3 数值模拟结果分析

分别针对浅埋条件下，对三种不同施工方法引起的围岩塑性区、拱顶沉降、水平收敛和初支内力进行分析。

2.3.1围岩塑性区

数值模拟三种开挖方法引起围岩塑性区分布如图7～图9所示，从图中可以看出，就塑性区的范围来看，双侧壁导坑法和三台阶+临时仰法，在隧道拱肩部位和拱脚部位均出现明显塑性区。总的来看，三台阶+临时仰拱法较三台阶七步开挖法引起的最大塑性变形小，但三种施工方法均未出现塑性变形贯通情况，均适用于类似断面。

2.3.2拱顶沉降

三种工法拱顶测点布设示意图如图10～图12所示。其拱顶沉降数值模拟如图13～图15所示。

由图13～图15中可以看出，双侧壁开挖法施工引起的隧道拱顶沉降量为34.02 mm，三台阶七步开挖法的拱顶沉降为63.92 mm，三台阶+临时仰拱法的拱顶沉降为42.93 mm，即三台阶七步开挖法引起的拱顶累积沉降量最大，双侧壁开挖法施工引起的拱顶累积沉降量最小。

2.3.3水平收敛

三种工法水平收敛测点布设示意图如图16～图18所示。其拱顶沉降数值模拟如图19～图21所示。

由图19～图21中可以看出，双侧壁开挖法施工引起的水平收敛累积最大变形量为42.24 mm，三台阶七步开挖法引起的水平收敛累积最大变形量为57.6 mm，三台阶+临时仰拱法施工引起的水平收敛累积最大变形量为43.4 mm，即三台阶七步开挖法引起的累积水平收敛量最大，双侧壁开挖法施工引起的累积水平收敛量最小。

3 位移控制标准

位移控制基准包括隧道内位移、地表沉降等，根据JTG D70—2004公路隧道设计规范中规定，应根据地质条件、隧道施工安全性、隧道结构的长期稳定性，以及周围构(建)筑物特点和重要性等因素制定，见表2。

表2 洞周水平相对收敛值 %

埋深<5050～300>300Ⅲ级围岩0.10～0.300.20～0.500.40～1.20Ⅳ级围岩0.15～0.500.40～1.200.80～2.00Ⅴ级围岩0.20～0.800.60～1.601.00～3.00注:1)水平收敛值系指收敛位移累计值与两测点间距之比;2)硬质围岩隧道取表中较小值,软质围岩隧道取表中较大值;3)拱顶下沉允许值一般可按本表数值的0.5倍～1.0倍采用;4)本表所列数值在施工过程中可通过实测和资料积累作适当修正

根据表2，取拱顶下沉允许值为0.5，可以得出桐梓隧道Ⅴ级围岩中位移变形控制标准，见表3。

表3 位移变形控制标准 mm

根据表3，结合数值计算结果，可以得出在数值计算结果上，三种开挖工法引起的位移值均满足控制标准。

4 综合分析

三种工法现场实际情况对比分析如表4所示，从表4中可以看出三台阶+临时仰拱在施工进度、资源利用、造价、工序转化及施工难度均要优于三台阶七步开挖法和双侧壁导坑法，但工法安全度相对较低，开挖能够满足围岩及支护安全稳定要求，因此在保证施工安全的条件下三台阶+临时仰拱法是适用的。

表4 三种工法对比分析表

5 结语

通过数值模拟，三种不同开挖方法中围岩和初支的内力和变形分析，得出如下结论：

1)双侧壁导坑法施工在控制围岩变形和保证围岩稳定性方面优于三台阶七步开挖法和三台阶+临时仰拱法，但三种工法施工均能满足围岩及支护稳定性的要求。

2)在隧道开挖中能够及时封闭成环可以改善初支结构的受力状态，既可避免较大的受力突变，减少受力相对集中的状态，又可保证围岩和支护的稳定性，因此在实际施工过程中，考虑工序转换及施工质量控制方面，三台阶+临时仰拱法较三台阶七步开挖法更适用于隧道开挖。

3)对于大跨度隧道施工，应在保证安全的前提下，充分考虑施工进度、资源的利用率及施工质量等方面，根据实际条件选用合适的施工方法。