改进双侧壁导坑法的施工稳定性分析

刘 正 章希伦 吴学谦 赵 嘉

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

0 引 言

我国交通运输迅猛发展,线路里程日益增长,道路建设中的隧道施工在地形复杂地区不可避免.双侧壁导坑法在隧道施工中应用广泛,而传统的双侧壁导坑法施工过程中存在临时支护结构应力集中、断面闭合时间长、工序多、工期长等问题,因此对双侧壁导坑法改进的研究很有必要.

针对双侧壁导坑法在隧道施工中安全与技术问题,国内外学者用数值与理论的分析方法做了很多研究.张晓琳等[1-4]通过对双侧壁导坑法的施工过程建立模型,通过模型计算与数值分析得到工法中的关键施工步骤,并提出相应的技术建议.高峰等[5-9]应用ANSYS有限元软件,采用释放荷载法,研究支护封闭的快慢对双侧壁导坑法施工的隧道稳定性的影响,得出支护封闭时间对隧道受力和位移状态的影响,施工中应尽量缩短各开挖面的距离,使支护尽快封闭,有利于隧道稳定.姜封国等[10-13]基于区域地质条件,构件有限元数值模型,分析分析双侧壁导坑法和交叉中隔墙法(CRD法)施工过程围岩变形和受力变化规律,得出双侧壁导坑法相较于CRD法应力变化、最大应力值均较小,围岩主应力分布也较均匀.但很多学者对双侧壁导坑法的研究停留在施工过程与对围岩的影响上,针对工法本身的施工顺序与工艺上研究不足.

本文以张家口市东环与北环连接工程的东太平山隧道为背景,在传统双侧壁导坑法的基础上改进施工工艺与施工顺序,运用有限元软件进行数值模拟,通过分析隧道拱顶沉降、围岩塑型区域分布、支护结构内力,对改进的双侧壁导坑法可行性进行评价,为隧道施工提供参考.

1 改进的双侧壁导坑法介绍

1.1 施工介绍

传统双侧壁导坑法施工步骤为:1)导洞超前导管注浆预支护:2)左(右)侧导洞上半断面开挖并进行初期支护;3)左(右)侧导洞下半断面开挖并进行初期支护;4)主洞中间部分上部开挖并进行初期支护;5)主洞中部核心土开挖;6)主洞中部下台阶核心土开挖并进行初期支护;7)拆除临时支护浇筑仰拱;8)二次衬砌混凝土.

图1 传统的双侧壁导坑法

改进的双侧壁导坑法施工步骤为:1)导洞超前导管注浆预支护:2)左(右)侧导洞上半断面开挖并进行初期支护;3)主洞中间部分上部开挖并进行初期支护;4)主洞中部核心土开挖;5)左(右)侧导洞下半断面开挖并进行初期支护;6)主洞中部下台阶核心土开挖并进行初期支护;7)拆除临时支护浇筑仰拱;8)二次衬砌混凝土.

图2 改进后的双侧壁导坑法

1.2 改进的双侧壁导坑法优点

相较于传统施工方法,改进后的双侧壁导坑法不同体现在施工开挖顺序与施工方法中.施工开挖顺序结合了台阶法,将隧道主洞分成上、下半截面两个主要部分,上截面部分施工完成后建立临时仰拱为后续下截面开挖提供一定临时支撑.施工方法中下截面开挖时缩小了左右导洞的面积,增加的中部核心土可以有效减少施工中的扰动,提高隧道施工安全性.

2 改进的双侧壁导坑法安全性分析

2.1 计算模型建立及参数选取

2.1.1 计算模型建立

考虑边界效应,左右边界距离隧道开挖边缘为4倍洞宽,下边界距离隧道开挖边缘为3.5倍洞高,上边界至地表,最终形成宽为120m、高为84m的矩形计算模型,如图3所示.模型设置按地层分布,隧道左右居中.模型侧边与底边为位移边界,水平位移由模型侧边限制,垂直位移由模型底边限制,地表为顶面.

图3 计算模型

2.1.2 计算参数

隧道以张家口市东山隧道为依据,围岩自上而下分为碎石土、强风化流纹岩、强风化安山岩,围岩计算参数如表1.设计参数:初期支护为C20喷射混凝土加锚杆,使用钢筋网加格栅钢架支撑,混凝土喷层厚度30cm;导洞临时支撑厚度25cm;锚杆长度4m,直径25mm;临时仰拱为C30混凝土,厚度20cm,二次衬砌与仰拱采用C30混凝土,厚度为60cm,支护结构计算参数如表2.模型计算中,地层采用平面应变单元,D-P准则模拟;初期支护、临时支护与临时仰拱采用1D梁单元;二次衬砌与仰拱采用平面应变单元与弹性材料.模型荷载为竖向自重应力.

表1 围岩物理力学性质

表2 支护结构物理力学性质

2.2 模型计算结果与分析

2.2.1 竖向位移分析

改进的双侧壁导坑法施工中主要步骤完成后的竖向位移如图4所示,选取主洞拱顶、左右导洞拱顶、与地表中点为竖向位移监测点,主要施工步骤完成后各监测点的位移变化如表3所示.

(a)左(右)侧导洞上半断面开挖并进行初期支护 (b)主洞中部核心土开挖

(c)左(右)侧导洞下半断面开挖并进行初期支护 (d)主洞中部下台阶核心土开挖并进行初期支护

(e)二次衬砌混凝土图4 竖向位移监测

表3 主要步骤完成时拱顶沉降

由图4可以看出改进的双侧壁导坑法施工中左右导洞顶点、主洞拱顶点的沉降随着隧道施工的进行而逐渐增大.由表3可以看出,根据各个施工步骤开挖完成后造成的沉降量占隧道开挖完成后整体沉降量的比例得出,对左右导洞顶点、主洞拱顶点影响最大施工步骤为中部核心土上台阶开挖,其次为左右导洞下部分开挖,因此中部核心土上台阶开挖、左右导洞下部分开挖是隧道施工控制变形的关键工序.中部核心土上台阶开挖后,隧道主洞整体上台阶开挖完成,虽然有临时支护结构提供支撑力,但隧道主洞上部结构悬空,导坑随荷载的释放产生较大的位移.左右导洞下部分开挖完成后,一部分支撑力开始由临时仰拱提供,因此产生了较大的沉降量.

2.2.2 围岩塑性区域分析

由上文分析可知,上台阶左右导洞开挖、上台阶开挖完成、下台阶左右导洞开挖时的拱顶沉降量较大,是改进的双侧壁导坑法施工的关键步骤,因此对此三个施工步骤完成后的围岩塑性进行分析,围岩塑性区分布如图5所示.

(a)左(右)侧导洞上半断面开挖完成 (b)主洞上台阶开挖完成

(c)主洞下台阶左右导洞开挖完成图5 围岩塑性区分布

由图5可知,由于隧道地处围岩为强风化安山岩,属Ⅴ围岩,强度较低,隧道开挖时对围岩土体扰动较大,使隧道周围土体应力重分布,隧道开挖边缘土体达到屈服状态,形成较大的塑性区域,土体容易失稳,应及时施加锚杆和注浆,防止塑性变形扩展.隧道主洞和左右导洞的墙角和拱脚部分围岩应力集中处于屈服状态,墙角和拱脚部分塑性区域向外扩展,而开挖上台阶中部核心土体时尤为突出,容易引起下沉,导致沉降的产生,应及时的施加脚锁锚杆,保证施工稳定性.

2.2.3 支护内力分析

对改进后的双侧壁导坑法的支护结构进行内力分析,轴力图和弯矩图如图6所示.由图可以看出改进后的双侧壁导坑法的临时支护与临时仰拱都可以承担隧道开挖时产生的内力,且开挖中上、下台阶左右导洞的临时支护结构与临时仰拱受力均匀提供了较好的支撑力.但由内力值对比可以看出左右拱脚点,内力值明显大于其他部位,而弯矩值则出现在左右导洞的墙角位置,这说明左右导洞的拱脚点承担了更多的支护内力受隧道围岩的压应力较大,且左右导洞的墙角位置则更多的承受了隧道围岩的弯曲应力导致弯矩较大,因此洞拱脚与墙角处应力集中,可能产生不利影响,需加强结构强度.

(a)支护结构轴力分布图 (b)支护结构弯矩分布图图6 支护结构内力示意图

而在整体上可以看出临时支护结构承担了较大的荷载,对隧道整体有较好的支护作用,在隧道施工完成后需要对临时支护结构进行拆除,此时应注意拆除时,应分段拆除,本着先拆除内力较小结构后拆除内力较大结构,并密切关注初衬结构的内力变化,及时进行二衬与仰拱砌筑.

3 结 论

(1)通过隧道模型数值计算分析可以看出,改进的双侧壁导坑法能减小下台阶左右导洞的开挖面积,增加了中间下部核心土的面积并增加了临时仰拱,使下台阶左右导洞开挖工期变短,更快的施加初期支护与锚杆,减少上部支护结构悬空时间.

(2)改变了施工顺序,由传统的左右导洞开挖改进为开挖上台阶左右导洞开挖、上台阶开挖到下台阶左右导洞开挖,结合了台阶法施工的优点,缩短了断面闭合时间,控制地面沉降、增强隧道施工安全效果明显.

(3)改进的双侧壁导坑法上台阶开挖完成后,隧道主洞上部结构悬空,导坑随荷载的释放产生较大的位移;下台阶左右导洞开挖,一部分支撑力开始由临时仰拱提供,造成的拱顶沉降量较大.使用此施工方法是上述步骤隧道施工控制变形的关键工序.

(4)隧道导洞内的临时支护结构受力均匀起到很好的支护作用,导洞拱脚与墙角处应力集中,部分围岩塑性区域向外扩展,容易引起下沉,导致主洞变形,产生不利影响,施工时需加强结构强度,施工完成后临时支护结构应分段拆除,并及时施作二衬与仰拱.