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1工程概況

隧道右線長500m，穿越一大型堆積體，堆積體為坡洪積成因的含礫粉質(zhì)黏土和卵漂石夾粉質(zhì)黏土．隧道以較大角度與坡洪積山體相交，坡洪積山體呈長舌狀，隧道洞身橫穿舌狀丘陵的鞍部．隧道圍巖為散體結(jié)構(gòu)的含礫粉質(zhì)黏土和碎石土夾塊石，且礫石和塊石成分復(fù)雜．在隧道進(jìn)口段的坡面上發(fā)現(xiàn)有多處淺層滑塌現(xiàn)象，坡體穩(wěn)定性差，地質(zhì)條件復(fù)雜．由于堆積體圍巖結(jié)構(gòu)松散，地質(zhì)情況差，因此，進(jìn)洞施工后多次發(fā)生塌方和襯砌開裂下沉等事故．例如：2010年2月28日，右洞施工到Y(jié)K106＋970后，發(fā)生了嚴(yán)重拱頂塌方現(xiàn)象并導(dǎo)致地表塌陷，已施作完成的超前支護(hù)全部砸毀，無法繼續(xù)施工，地表塌陷形成一個(gè)8m×9m大坑，深度達(dá)36m．施工方案也多次變更，先后采用了上下臺階法、三臺階分部開挖法及單側(cè)壁導(dǎo)坑法．

2堆積體力學(xué)參數(shù)

采用高壓大型三軸儀進(jìn)行飽和固結(jié)排水剪試驗(yàn)來得到堆積體力學(xué)參數(shù)．由于現(xiàn)場獲取大型原狀土樣存在實(shí)際困難，因此，試驗(yàn)采用重塑樣．試樣密度按照現(xiàn)場密度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行制樣，兩組試樣對應(yīng)干密度分別為165和150g／cm3，土樣最大粒徑dmax＝60mm，超徑土（大于60mm）按剔除法處理后得到試驗(yàn)級配．試樣直徑為300mm，高度為700mm，分5層制樣，采用真空和水頭飽和法聯(lián)合飽和，固結(jié)時(shí)間為24h，剪切速率為0122mm／min．試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，其中，縱坐標(biāo)q為偏應(yīng)力；橫坐標(biāo)εa為軸向應(yīng)變，εv為體應(yīng)變．強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)及非線性模型表1中，c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；Et為切線變形模量；K、n分別為lg（Ei／Pa）與lg（σ3／Pa）直線關(guān)系的截距和斜率；Rf為破壞比；G、F分別為初始切線泊松比μi與lg（σ3／Pa）直線關(guān)系的截距和斜率；D為軸向應(yīng)變εa漸近值的倒數(shù)；Bt為切線體積模量；Kb、m分別為lg（Bt／Pa）與lg（σ3／Pa）直線關(guān)系的截距和斜率．結(jié)合土的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)確定鄧肯張模型中不同圍壓下土的初始切線彈性模量和初始切線泊松比，以此近似作為數(shù)值計(jì)算中土的彈性模量E和泊松比μ．鄧肯張模型中初始切線彈性模量和圍壓之間的關(guān)系表達(dá)式為Ei＝KPaσ3P()an（1）初始切線泊松比和圍壓之間的關(guān)系為μi＝G－Flgσ3P()a（2）式中，Pa為大氣壓力，kPa．研究區(qū)域內(nèi)隧道埋深為35～70m，取平均埋深為48m，堆積體靜止側(cè)壓力系數(shù)取為045；天然密度為17g／cm3，取Pa＝100kPa，將以上數(shù)據(jù)及ICD試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的K、n、G、F代入式（1）和式（2）后，得到摩爾庫侖彈塑性模型中的計(jì)算參數(shù)彈性模量E及泊松比μ．由于堆積土體松散，因此，結(jié)合試驗(yàn)情況，調(diào)整泊松比μ為038，粘聚力c取30kPa，內(nèi)摩擦角φ取20°，最終確定隧道圍巖及支護(hù)材料的計(jì)算．鋼拱架的計(jì)算．錨桿的加固效果根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD702004）將加固區(qū)圍巖的粘聚力提高30％，超前支護(hù)的加固效果也按此方法考慮，計(jì)算中將鋼拱架的彈性模量折算給初襯混凝土．

3數(shù)值模擬分析

3.1數(shù)值分析計(jì)算模型結(jié)合隧道地質(zhì)及地形條件，建立起止里程樁號為YK107＋80～YK107＋178的計(jì)算模型．模型范圍為：沿隧道軸線長度為98m；沿隧道軸線向兩側(cè)各延伸約五倍洞徑，洞徑為109m，模型總寬度為125m；厚度方向上，取隧道頂部為自由面，沿隧道底部向下延伸約五倍洞徑，仰拱到模型底部距離為65m．為更好對比上下臺階法、三臺階分部開挖法及單側(cè)壁導(dǎo)坑法等施工方案，計(jì)算模型均為同一模型，只是定義組件不同．考慮開挖邊界效應(yīng)，對比各施工方案時(shí)均選取YK107＋129斷面為分析斷面．初襯及二襯采用彈性模型，圍巖采用摩爾庫侖彈塑性模型

3.2邊界條件模型各側(cè)面設(shè)置相應(yīng)法向約束，底部設(shè)置全約束，上邊界為自由邊界．

3.3計(jì)算步驟根據(jù)設(shè)計(jì)施工方案及現(xiàn)場資料，確定各施工方案的模擬開挖順序如下：上下臺階法：

1）上臺階每開挖10m，施作上臺階錨固及初襯10m；

2）上臺階開挖10m后，開挖下臺階，保持上下臺階開挖間距為10m；

3）下臺階每開挖10m，施作下臺階錨固、初襯及仰拱10m；

4）仰拱鋪設(shè)20m后，二襯施工．

三臺階分部法：

1）上臺階每開挖10m，施作上臺階錨固及初襯10m；

2）上臺階開挖10m后，開挖下臺階，保持上下臺階開挖間距為10m；

3）下臺階每開挖10m，施作下臺階錨固及初襯10m；

4）下臺階開挖4m后，開挖左馬口，保持下臺階與左馬口開挖間距為4m；

5）每開挖左馬口10m，施作相應(yīng)錨固及初襯10m，左馬口開挖4m后，開挖右馬口，保持左右馬口開挖間距為4m；

6）每開挖右馬口10m，施作相應(yīng)錨固及初襯10m，右馬口開挖8m后，開挖核心土，保持右馬口與核心土開挖間距為8m；

7）核心土每開挖10m，施作相應(yīng)初襯及仰拱；

8）仰拱鋪設(shè)20m后，二襯施工．

單側(cè)壁導(dǎo)坑法：

1）先進(jìn)行導(dǎo)洞施工，導(dǎo)洞上臺階每開挖10m，施作導(dǎo)洞上臺階錨固、初襯及臨時(shí)仰拱10m；2）導(dǎo)洞上臺階開挖10m后，開挖導(dǎo)洞下臺階，保持上下臺階開挖間距為10m；

3）導(dǎo)洞下臺階每開挖10m，施作導(dǎo)洞下臺階錨固、初襯及臨時(shí)仰拱10m，保持上述導(dǎo)洞各施工間距直至右洞導(dǎo)坑施工完成；

4）隧道主洞開挖，上臺階（含導(dǎo)坑錨固區(qū)上半部分）每開挖10m，施作上臺階錨固及初襯10m；

5）上臺階開挖10m后，開挖下臺階，保持主洞上下臺階開挖間距為10m；

6）下臺階（含導(dǎo)坑錨固區(qū)下半部分）每開挖10m，拆除中隔壁及臨時(shí)支撐10m，施作下臺階錨固、初襯及仰拱10m；

7）仰拱鋪設(shè)20m后，二襯施工．

4分析斷面模擬結(jié)果與分析

4.1二襯受力分析為施工結(jié)束后分析斷面中二襯的最大主應(yīng)力云圖（單位：Pa）．由于堆積體圍巖本身強(qiáng)度低、剛度低、變形量大、結(jié)構(gòu)松散、對施工擾動(dòng)敏感，因而導(dǎo)致二襯受力偏大．上下臺階法的的壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在上下臺階開挖分界線的二襯外側(cè)，為367MPa．三臺階分部法的壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在上下臺階開挖分界線的二襯外側(cè)及拱腳，為234MPa．單側(cè)壁導(dǎo)坑法的壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主洞開挖分界線的二襯右部外側(cè)，為298MPa．受拆除導(dǎo)洞臨時(shí)支撐影響，在仰拱中間出現(xiàn)了底鼓現(xiàn)象．對比可以看出，三臺階分部法在上下臺階開挖分界線的左右兩側(cè)以及左右拱腳等多處出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中，單側(cè)壁導(dǎo)坑法在主洞上下臺階開挖分界線的右側(cè)及仰拱中間出現(xiàn)應(yīng)力集中，二襯受力相對合理．因此，施工中加強(qiáng)局部支護(hù)，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工更有優(yōu)勢．

4.2拱頂位移從拱頂位移監(jiān)控曲線可以看出，施工結(jié)束后，采用上下臺階法施工，其拱頂位移是4744mm；三臺階分部開挖法為5348mm；單側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂位移最小，為2615mm．

4.3圍巖位移場特征．，施工方法對隧道開挖后變形動(dòng)態(tài)的影響是很明顯的．一般來說，在相同地質(zhì)條件下，開挖分部越多，其位移值也越大．上下臺階法和三臺階分部法的拱頂最大豎向位移分別是4744mm和5348mm，單側(cè)壁導(dǎo)坑法最小，為2807mm．從水平位移云圖中可以看出，上下臺階法和三臺階分部法的最大水平位移分別是4997mm和5329mm，單側(cè)壁導(dǎo)坑法最小，為4131mm，導(dǎo)洞臨時(shí)支撐的支護(hù)效果很明顯．和三臺階分部開挖法施工完成后，隧道塑性區(qū)在左右拱腳及拱頂左右兩側(cè)四個(gè)方向都有明顯擴(kuò)展，塑性區(qū)寬度最大約為18m，拱頂及仰拱附近的塑性區(qū)寬度較小，最大約為5m．采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工能明顯減小塑性區(qū)分布范圍，且塑性區(qū)主要分布在主洞開挖的一側(cè)，其最大寬度約為6m，導(dǎo)坑開挖一側(cè)塑性區(qū)最大寬度僅為約25m，單側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)勢明顯．是施工結(jié)束后各方案的塑性區(qū)體積統(tǒng)計(jì)，可以看出三臺階分部法的塑性區(qū)體積最大．

5結(jié)論

1）從二襯受力來看，堆積體圍巖本身強(qiáng)度低、剛度低、變形量大、結(jié)構(gòu)松散，對施工擾動(dòng)極其敏感，導(dǎo)致各方案施工結(jié)束后二襯受力均偏大，但在施工中加強(qiáng)襯砌局部支護(hù)情況下，單側(cè)壁導(dǎo)坑法會更有優(yōu)勢，二襯受力也更合理．

2）從拱頂位移來看，三臺階分部開挖法的拱頂位移最大，單側(cè)壁導(dǎo)坑法最小．

3）從圍巖豎向位移和水平位移來看，單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對圍巖擾動(dòng)最小．

4）從圍巖塑性區(qū)來看，無論是塑性區(qū)分布范圍，還是塑性區(qū)體積，單側(cè)壁導(dǎo)坑法都有著明顯的優(yōu)勢．

5）盡管單側(cè)壁導(dǎo)坑法有著工序繁多和支護(hù)工程量大的缺點(diǎn)，但是導(dǎo)洞貫通減小了主洞開挖難度，超前導(dǎo)洞還可以起到地質(zhì)預(yù)報(bào)的作用，能有效地保證松散堆積體圍巖隧道的施工安全．因此，采用短進(jìn)尺的單側(cè)壁導(dǎo)坑施工方案較適合該松散堆積體圍巖隧道．

作者：肖建章戴福初閔弘許沖涂新斌王小東單位：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所武漢巖土力學(xué)研究所中國地震局地質(zhì)研究所