高速公路隧道开挖施工技术及控制策略分析

周顺

摘要：文章以某高速公路隧道1#段开挖施工工程为例，利用有限元数值软件MIDAS-GTS NX建立二维数值模型，分析采用上下台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法等施工技术开挖时，隧道浅埋段埋深1O m处围岩衬砌的应力变化、位移及塑性区分布情况，确定了三台阶预留核心土法为该工程较合理的开挖方式，为类似高速公路隧道浅开挖工程设计和施工提供参考。

关键词：高速公路;隧道开挖;浅埋暗挖;施工方法;数值模拟

中图分类号：U445.4 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.024

文章编号：1673-4874（2019）07-0076-04

0引言

浅埋隧道的地质条件较差，围岩结构松散且易受地下水影响，周边围岩无法有效地形成天然拱形，隧道洞室受周围环境的影响极易产生变形。浅埋暗挖法是针对浅埋隧道地质条件差、覆土层薄、承载力小、容易坍塌等特点提出的通过围岩预加固并及时支护控制地面沉降，保证施工安全的施工方法。本文以某高速公路隧道为依托，通过二维数值模拟，分析采用上下台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法等施工技术开挖时隧道浅埋段埋深10m处围岩衬砌的应力变化、位移及塑性区分布，确定合理的开挖控制手段，为类似高速公路隧道浅开挖工程设计和施工提供参考。

1工程概况

在某高速公路隧道的左側标段ZK30+875～ZK35+900是明洞隧道段，ZK35+900～930是浅埋地下段。埋地深度最大为28m，最小埋深只有6m。隧道口靠近稻田，地形相对平坦，自然坡度为10°～15°。烟道分布在东门附近约100m处，设计高程有点低。洞室覆盖层厚度小，强烈风化的基岩部分裸露，岩体破碎。边坡开挖后，表层容易开裂、塌陷和下降。左段隧道口轴线大致与等高线正交。天然坡度约为30°，隧道口附近的覆盖层厚度较小。

2基于MIDAS-GTSNx的数值模拟

2.1建立二维数值模型

结合现场的施工地质情况，该高速公路隧道1#段浅埋暗挖以三台阶预留核心土法等施工技术开挖，同时对土体实行快速注浆工艺进行加固，并辅助锚杆、工形钢拱搭建联合支护措施。而后利用有限元数值软件MIDAS—GTSNX建立二维数值模型，对隧道施工和开挖阶段进行了仿真。隧道出口属于浅埋隐蔽开挖段，围岩本身承载力差，层间结合力差，充填淤泥。采用了保留三台阶预留核心土法工艺。隧道体围岩主要为中风化砂页岩和强风化砂页岩，出口段地形相对平坦，没有偏差压力。根据设计规范所推荐的三中心圆形曲线侧墙的结构形式和运算原理，隧道洞室开挖后的应力和应变只在开挖过程中受到影响。数值模型的宽度在左右向取约30m，在垂直方向和地面上取30m。数值模型如图1所示。

2.2模型参数选择（见表1）

根据高速公路隧道地质调查报告和高速公路隧道设计规范，选择围岩的物理力学参数。在隧道开挖过程中，围岩开挖后立即进行初始支护。首先，建立预制钢制拱架和钢网，然后采用空心灌浆螺栓，最后采用注射硅进行密封。在上述施工过程中产生的刚度矩阵对总刚度矩阵的影响较小。在数值模拟中没有必要进行分布建模。在初始阶段，衬砌可以根据如下的等效原理转换：

Eo×A=Ec×Ac+Es×As

式中：Eo——等效最初的支持的弹性模数;

A——初期支护的面积;

Ec、Es——商品混凝土和钢筋的弹性模量;

AcAs——硅和钢筋的面积。

3数值模拟计算结果与分析

3.1围岩位移

由图2可知：（1）采用上下台阶法、三台阶法和三台阶预留核心土法开挖洞室后，最大穹顶沉降值分别为12.66mm、12.50mm和12.26mm，并且最大周边收敛分别为11.33mm、11.27mm、11.22mm，洞室沉降均超过设计要求的预警值，与现场实际施工情况相符。（2）在浅开挖深为10m以下时，以上三种工艺开挖引起的围岩变形差异不大。三台阶法和三台阶预留核心土法的变形一过程曲线变形温和，围岩变形不存在突变现象，更符合安全建设要求。（3）3种开挖方式下，左右墙周围的收敛变形趋势一般相似，这是因为隧道地质中没有偏倚现象，左右侧墙衬砌结构的变形一般是对称的。

综上，隧道开挖后，洞室拱顶沉降和周边收敛均超过预警值，汇聚变形趋向在左右侧面墙附近是相似的;采用3种施工方法开挖洞室，埋深10m处围岩的位移相差不大。

3.2围岩最大主应力

采用不同施工方法开挖时隧道围岩最大主应力见图3，拉应力为+、压应力为-。

由图3可知：（1）采用上下台阶开挖时，拱顶最大主应力为-75.99kPa，左右基台最大主应力分别为-82.15kP和-82.51kPa，左、右拱腰处最大主应力分别为-183.80kPa和-181.51kPa，其岩体左右压强差不大;而上下部则出现内应力过渡集中现象，如底层衬砌不牢固时会产生开裂，与现场出现的缺陷一样。（2）采用三台阶开挖法，拱形最大主应力为80.82kPa，左、右围岩的最大主应力分别为-87.91kPa、-87.76kPa，左右岩腰最大主应力分别为-175.51kPa和-175.62kPa，与上下台阶法相比，由于开挖步骤的三个步骤细分和减少了围岩开挖的程度，围岩的最大主应力减少：左右拱脚的最大主应力分别为-118.60kPa和-106.7kPa，并出现压缩和拉应力转换现象，容易发生剪切破坏。（3）采用三台阶预留核心土开挖方法时，拱顶最大主应力为-81.02kpa，左右拱肩最大主应力分别为-89.51kPa和-87.31kPa。比较了三种开挖方法可知，围岩的最大主应力与开挖步骤成反比，与细化程度成反比，在各个阶段都能避免围岩出现应力集中现象，保护衬砌结构的完整性;左拱脚和右拱脚的最大主应力分别为-15.16kPa和-151.67kPa，易出现变形。

综上可知，隧道开挖后，洞室拱顶与腰岩及至脚岩受压应力相关不大;采用3种施工方法开挖洞室，埋深10m处围岩的最大应力等值相关不大。

3.3衬砌结构轴应力

（1）不同施工方法下衬砌结构轴应力均左右大致对称且均为压应力，表明衬砌结构不存在偏压现象。（2）采用上下台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法开挖洞室后，衬砌最大轴向应力的衬层结构分别是一1718.93kPa、-1771.7kpa和-1802.2kPa。最大轴向应力的衬砌结构将出现在两侧的拱肩下。当使用上下台阶法时，上下台阶交界处的轴向应力发生显著突变，从-131.12kpa台阶变为-795.19kPa。这说明施工中上下台阶连接处的衬砌结构承受着很大的压力，具有一定的安全风险。（3）开挖步骤的细分有利于衬砌轴向应力的合理分布，从而大大降低衬砌拱脚的轴向力。如果在围岩拱体开挖后采用三台阶法，衬砌轴的应力变化相对温和，中间台阶与上台阶交界处的最大衬砌轴应从-1213.81kPa变为-961.59kPa，中间步骤和上一步下台阶交界处的最大衬砌轴应力从-1129.76kPa变为-877.50kPa。

如上所述，衬砌结构轴应力当采用三台阶法开挖时衬砌轴应力增大，与隧道埋深增加成正比;3种施工技术划分越细，台阶连接处的轴应力突变越小。

4结论

（1）该高速公路1#段浅埋暗挖段围岩自稳能力差，结构较松散，采用上下台阶法开挖时，由浅埋挖掘期间得知其周围的岩石不稳定，结构恶劣，岩层强度宽松。采用上下开挖的步法，由于埋深浅，高台阶细分法的施工会引起隧道内拱顶下降，引发塌陷现象。开挖步骤少，不仅可以减少围岩的干扰，还能快速完成支护结构，最大限度地控制围岩的变形，确保隧道洞室的施工安全。

（2）采用三台阶法挖掘隧道时，衬砌结构的连接是一个薄弱环节。衬砌在这部分的轴向应力变化极大，塑性区集中，易产生沉降现象，所以变形程度也尤其突出，需要加大支护措施。

（3）当隧道埋深约10m的深度时，三台阶预留核心土法作为施工技术，可以合理地分配隧道衬砌的结构应力，使围岩的压力释放得到控制，有效地控制围岩变形，保证最大程度的施工安全。