改進雙側壁導坑法的施工穩定性分析

劉 正 章希倫 吳學謙 趙 嘉

(1.中交一公局第一工程有限公司,北京 102205;2.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000)

0 引 言

我國交通運輸迅猛發展,線路里程日益增長,道路建設中的隧道施工在地形復雜地區不可避免.雙側壁導坑法在隧道施工中應用廣泛,而傳統的雙側壁導坑法施工過程中存在臨時支護結構應力集中、斷面閉合時間長、工序多、工期長等問題,因此對雙側壁導坑法改進的研究很有必要.

針對雙側壁導坑法在隧道施工中安全與技術問題,國內外學者用數值與理論的分析方法做了很多研究.張曉琳等[1-4]通過對雙側壁導坑法的施工過程建立模型,通過模型計算與數值分析得到工法中的關鍵施工步驟,并提出相應的技術建議.高峰等[5-9]應用ANSYS有限元軟件,采用釋放荷載法,研究支護封閉的快慢對雙側壁導坑法施工的隧道穩定性的影響,得出支護封閉時間對隧道受力和位移狀態的影響,施工中應盡量縮短各開挖面的距離,使支護盡快封閉,有利于隧道穩定.姜封國等[10-13]基于區域地質條件,構件有限元數值模型,分析分析雙側壁導坑法和交叉中隔墻法(CRD法)施工過程圍巖變形和受力變化規律,得出雙側壁導坑法相較于CRD法應力變化、最大應力值均較小,圍巖主應力分布也較均勻.但很多學者對雙側壁導坑法的研究停留在施工過程與對圍巖的影響上,針對工法本身的施工順序與工藝上研究不足.

本文以張家口市東環與北環連接工程的東太平山隧道為背景,在傳統雙側壁導坑法的基礎上改進施工工藝與施工順序,運用有限元軟件進行數值模擬,通過分析隧道拱頂沉降、圍巖塑型區域分布、支護結構內力,對改進的雙側壁導坑法可行性進行評價,為隧道施工提供參考.

1 改進的雙側壁導坑法介紹

1.1 施工介紹

傳統雙側壁導坑法施工步驟為:1)導洞超前導管注漿預支護:2)左(右)側導洞上半斷面開挖并進行初期支護;3)左(右)側導洞下半斷面開挖并進行初期支護;4)主洞中間部分上部開挖并進行初期支護;5)主洞中部核心土開挖;6)主洞中部下臺階核心土開挖并進行初期支護;7)拆除臨時支護澆筑仰拱;8)二次襯砌混凝土.

圖1 傳統的雙側壁導坑法

改進的雙側壁導坑法施工步驟為:1)導洞超前導管注漿預支護:2)左(右)側導洞上半斷面開挖并進行初期支護;3)主洞中間部分上部開挖并進行初期支護;4)主洞中部核心土開挖;5)左(右)側導洞下半斷面開挖并進行初期支護;6)主洞中部下臺階核心土開挖并進行初期支護;7)拆除臨時支護澆筑仰拱;8)二次襯砌混凝土.

圖2 改進后的雙側壁導坑法

1.2 改進的雙側壁導坑法優點

相較于傳統施工方法,改進后的雙側壁導坑法不同體現在施工開挖順序與施工方法中.施工開挖順序結合了臺階法,將隧道主洞分成上、下半截面兩個主要部分,上截面部分施工完成后建立臨時仰拱為后續下截面開挖提供一定臨時支撐.施工方法中下截面開挖時縮小了左右導洞的面積,增加的中部核心土可以有效減少施工中的擾動,提高隧道施工安全性.

2 改進的雙側壁導坑法安全性分析

2.1 計算模型建立及參數選取

2.1.1 計算模型建立

考慮邊界效應,左右邊界距離隧道開挖邊緣為4倍洞寬,下邊界距離隧道開挖邊緣為3.5倍洞高,上邊界至地表,最終形成寬為120m、高為84m的矩形計算模型,如圖3所示.模型設置按地層分布,隧道左右居中.模型側邊與底邊為位移邊界,水平位移由模型側邊限制,垂直位移由模型底邊限制,地表為頂面.

圖3 計算模型

2.1.2 計算參數

隧道以張家口市東山隧道為依據,圍巖自上而下分為碎石土、強風化流紋巖、強風化安山巖,圍巖計算參數如表1.設計參數:初期支護為C20噴射混凝土加錨桿,使用鋼筋網加格柵鋼架支撐,混凝土噴層厚度30cm;導洞臨時支撐厚度25cm;錨桿長度4m,直徑25mm;臨時仰拱為C30混凝土,厚度20cm,二次襯砌與仰拱采用C30混凝土,厚度為60cm,支護結構計算參數如表2.模型計算中,地層采用平面應變單元,D-P準則模擬;初期支護、臨時支護與臨時仰拱采用1D梁單元;二次襯砌與仰拱采用平面應變單元與彈性材料.模型荷載為豎向自重應力.

表1 圍巖物理力學性質

表2 支護結構物理力學性質

2.2 模型計算結果與分析

2.2.1 豎向位移分析

改進的雙側壁導坑法施工中主要步驟完成后的豎向位移如圖4所示,選取主洞拱頂、左右導洞拱頂、與地表中點為豎向位移監測點,主要施工步驟完成后各監測點的位移變化如表3所示.

(a)左(右)側導洞上半斷面開挖并進行初期支護 (b)主洞中部核心土開挖

(c)左(右)側導洞下半斷面開挖并進行初期支護 (d)主洞中部下臺階核心土開挖并進行初期支護

(e)二次襯砌混凝土圖4 豎向位移監測

表3 主要步驟完成時拱頂沉降

由圖4可以看出改進的雙側壁導坑法施工中左右導洞頂點、主洞拱頂點的沉降隨著隧道施工的進行而逐漸增大.由表3可以看出,根據各個施工步驟開挖完成后造成的沉降量占隧道開挖完成后整體沉降量的比例得出,對左右導洞頂點、主洞拱頂點影響最大施工步驟為中部核心土上臺階開挖,其次為左右導洞下部分開挖,因此中部核心土上臺階開挖、左右導洞下部分開挖是隧道施工控制變形的關鍵工序.中部核心土上臺階開挖后,隧道主洞整體上臺階開挖完成,雖然有臨時支護結構提供支撐力,但隧道主洞上部結構懸空,導坑隨荷載的釋放產生較大的位移.左右導洞下部分開挖完成后,一部分支撐力開始由臨時仰拱提供,因此產生了較大的沉降量.

2.2.2 圍巖塑性區域分析

由上文分析可知,上臺階左右導洞開挖、上臺階開挖完成、下臺階左右導洞開挖時的拱頂沉降量較大,是改進的雙側壁導坑法施工的關鍵步驟,因此對此三個施工步驟完成后的圍巖塑性進行分析,圍巖塑性區分布如圖5所示.

(a)左(右)側導洞上半斷面開挖完成 (b)主洞上臺階開挖完成

(c)主洞下臺階左右導洞開挖完成圖5 圍巖塑性區分布

由圖5可知,由于隧道地處圍巖為強風化安山巖,屬Ⅴ圍巖,強度較低,隧道開挖時對圍巖土體擾動較大,使隧道周圍土體應力重分布,隧道開挖邊緣土體達到屈服狀態,形成較大的塑性區域,土體容易失穩,應及時施加錨桿和注漿,防止塑性變形擴展.隧道主洞和左右導洞的墻角和拱腳部分圍巖應力集中處于屈服狀態,墻角和拱腳部分塑性區域向外擴展,而開挖上臺階中部核心土體時尤為突出,容易引起下沉,導致沉降的產生,應及時的施加腳鎖錨桿,保證施工穩定性.

2.2.3 支護內力分析

對改進后的雙側壁導坑法的支護結構進行內力分析,軸力圖和彎矩圖如圖6所示.由圖可以看出改進后的雙側壁導坑法的臨時支護與臨時仰拱都可以承擔隧道開挖時產生的內力,且開挖中上、下臺階左右導洞的臨時支護結構與臨時仰拱受力均勻提供了較好的支撐力.但由內力值對比可以看出左右拱腳點,內力值明顯大于其他部位,而彎矩值則出現在左右導洞的墻角位置,這說明左右導洞的拱腳點承擔了更多的支護內力受隧道圍巖的壓應力較大,且左右導洞的墻角位置則更多的承受了隧道圍巖的彎曲應力導致彎矩較大,因此洞拱腳與墻角處應力集中,可能產生不利影響,需加強結構強度.

(a)支護結構軸力分布圖 (b)支護結構彎矩分布圖圖6 支護結構內力示意圖

而在整體上可以看出臨時支護結構承擔了較大的荷載,對隧道整體有較好的支護作用,在隧道施工完成后需要對臨時支護結構進行拆除,此時應注意拆除時,應分段拆除,本著先拆除內力較小結構后拆除內力較大結構,并密切關注初襯結構的內力變化,及時進行二襯與仰拱砌筑.

3 結 論

(1)通過隧道模型數值計算分析可以看出,改進的雙側壁導坑法能減小下臺階左右導洞的開挖面積,增加了中間下部核心土的面積并增加了臨時仰拱,使下臺階左右導洞開挖工期變短,更快的施加初期支護與錨桿,減少上部支護結構懸空時間.

(2)改變了施工順序,由傳統的左右導洞開挖改進為開挖上臺階左右導洞開挖、上臺階開挖到下臺階左右導洞開挖,結合了臺階法施工的優點,縮短了斷面閉合時間,控制地面沉降、增強隧道施工安全效果明顯.

(3)改進的雙側壁導坑法上臺階開挖完成后,隧道主洞上部結構懸空,導坑隨荷載的釋放產生較大的位移;下臺階左右導洞開挖,一部分支撐力開始由臨時仰拱提供,造成的拱頂沉降量較大.使用此施工方法是上述步驟隧道施工控制變形的關鍵工序.

(4)隧道導洞內的臨時支護結構受力均勻起到很好的支護作用,導洞拱腳與墻角處應力集中,部分圍巖塑性區域向外擴展,容易引起下沉,導致主洞變形,產生不利影響,施工時需加強結構強度,施工完成后臨時支護結構應分段拆除,并及時施作二襯與仰拱.