摘要：在砂質(zhì)圍巖地層和軟弱破碎圍巖中開挖隧道會(huì)引起圍巖擾動(dòng)卸荷并改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，若變形控制不當(dāng)，極易導(dǎo)致掌子面發(fā)生破壞。庫爾勒隧道為典型的戈壁全風(fēng)化砂巖淺埋隧道，下穿既有營業(yè)線，掘進(jìn)施工難度大，技術(shù)復(fù)雜。采用離散元顆粒流軟件PFC2D研究全斷面法、雙臺(tái)階法及三臺(tái)階法在庫爾勒隧道開挖中的適用性，從而確定合理的開挖工法。研究結(jié)果表明：采用全斷面法和雙臺(tái)階法施工時(shí)，圍巖變形控制能力差，塑性區(qū)分布面積較大，圍巖易產(chǎn)生滑塌。三臺(tái)階法更適合開挖庫爾勒隧道，仰拱施作后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)較大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小。相關(guān)研究成果可為今后類似工程提供借鑒。

　　關(guān)鍵詞： 隧道工程 掌子面 全斷面法 兩臺(tái)階法 三臺(tái)階法 變形控制

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們出行的需求越來越，公路、地鐵和鐵路的建設(shè)如火如荼。隧道對(duì)于節(jié)約土地資源、減少線路里程以及改善行車舒適度等均具有非常重要的意義。隧道工程施工難度大、工期長、造價(jià)高，而且往往需要穿越復(fù)雜地質(zhì)條件的地層，如軟弱圍巖、斷層破碎帶和富水砂層等[1-5]。對(duì)于穿越砂巖地層的淺埋暗挖隧道而言，砂層易受擾動(dòng)，拱頂其施工方法的選擇需要充分考慮圍巖的工程地質(zhì)、地下水、隧道斷面大小及形狀、施工機(jī)械配備能力以及工期等要求[6-8]。在隧道的開挖過程中，由于施工不當(dāng)而導(dǎo)致的圍巖松動(dòng)、拱頂坍塌、地表下沉的破壞現(xiàn)象屢見不鮮。因此，選擇科學(xué)合理的隧道開挖方法是隧道施工安全的關(guān)鍵，可以保證工程安全的同時(shí)縮短工期，從而降低隧道的工程造價(jià)。

　　1 工程概況

　　全長4550m的庫爾勒隧道位于庫爾勒火車站東側(cè)的開發(fā)區(qū)境內(nèi)，起始里程為DYK1211+700，終點(diǎn)里程為DYK1216+250。所在地形地貌屬庫魯塔格山前沖洪積傾斜平原區(qū)，海拔高程990～1015m。全隧道淺埋，最小埋深僅6m，洞頂覆蓋層為砂層，需要穿越戈壁全風(fēng)化砂巖地層。隧道下穿既有鐵路、公路、市政天然氣管道、輸油管道等結(jié)構(gòu)，為Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

　　2 掌子面穩(wěn)定性

　　2.1 數(shù)值模型及參數(shù)

　　庫爾勒隧道全線位于干旱區(qū)，地下水貧乏，在數(shù)值分析的過程中不考慮出現(xiàn)涌水的情形。全線開挖跨度約為7.16m，但為了便于建模分析計(jì)算，采用離散元顆粒流PFC2D軟件分析時(shí)設(shè)定隧道開挖跨度為7.2m，這是一種偏于保守的做法。模型只有地表面為自由面外，四周通過固定墻的位移約束其變形，開挖支護(hù)采用WALL單元，忽略支護(hù)材料的力學(xué)及變形情況。假定隧道全線穿越范圍內(nèi)均為戈壁砂巖，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

　　通過對(duì)常見的砂巖地層隧道經(jīng)常使用的全斷面法、兩臺(tái)階法和三臺(tái)階法進(jìn)行數(shù)值模擬，從圍巖裂隙、顆粒狀態(tài)等角度分析評(píng)價(jià)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及在砂質(zhì)圍巖地層中的適用性。為便于橫向比較，各施工開挖方法數(shù)值模型均采用同一斷面尺寸。

　　2.2 全斷面法

　　由圖1可知，采用全斷面法進(jìn)行開挖時(shí)，掌子面圍巖穩(wěn)定性很差，松動(dòng)區(qū)范圍較大，最大處位于掌子面拱頂上方8.6m處。由圖2可知，采用全斷面法施工時(shí)，隧道圍巖整體穩(wěn)定性較差，由于原有的巖體被挖掉，導(dǎo)致在隧道開挖過程中，圍巖將發(fā)生明顯的滑塌現(xiàn)象，開挖無法自穩(wěn)。所以，對(duì)于砂質(zhì)地層隧道，采用全斷面法施工圍巖無法自穩(wěn)，隧道施工安全性無法得到保障，所以不宜采用全斷面法施工。

　　2.3 兩臺(tái)階法

　　相比全斷面法而言，兩臺(tái)階法具有更多的作業(yè)空間和更快的施工速度。由圖3可知，采用兩臺(tái)階法開挖庫爾勒隧道時(shí)，掌子面圍巖的穩(wěn)定性比全斷面法有了較大的改善，松動(dòng)區(qū)整體向上發(fā)展，最大處位于掌子面拱頂上方6.2m處。

　　分別提取進(jìn)尺為0.5m、0.75m和1.0m時(shí)的隧道地層沉降結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。有限元模擬結(jié)果表明，當(dāng)開挖面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)面時(shí)，地層的沉降值很小，近似可忽略不計(jì);然而，隨著開挖面距離監(jiān)測(cè)面越來越近時(shí)，隧道附近圍巖地層的沉降值越來越大，當(dāng)開挖面到達(dá)監(jiān)測(cè)面時(shí)，圍巖的沉降值達(dá)到最大值。隨后，開挖面越過監(jiān)測(cè)面后，監(jiān)測(cè)面的圍巖地層沉降逐漸變小，當(dāng)開挖進(jìn)尺到隧道直徑的一半時(shí)，變形逐漸趨于恒定值，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。此外，采用不同進(jìn)尺時(shí)的隧道圍巖地層的最終豎向沉降值存在較大的差異。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的地表沉降值可知，當(dāng)進(jìn)尺分別為0.5m、0.75m和1.0m時(shí)，隧道上面的砂巖地表沉降值分別為50.2、58.7和69.1mm。其中，進(jìn)尺為0.5m時(shí)的隧道地層沉降值最小。

　　上臺(tái)階開挖后，拱頂下沉量較大，約為39.7mm，水平收斂量較小，為13.3mm;當(dāng)下臺(tái)階開挖后，隧道拱頂處的下沉量變化較小，僅為48.6mm，但水平收斂量增長較快，達(dá)到46.2mm。上臺(tái)階開挖后，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為5.3，當(dāng)下臺(tái)階開挖后，拱頂處的最小安全系數(shù)為2.0，拱腳處僅為1.3。采用臺(tái)階法施工時(shí)，第一臺(tái)階施工后地表最大沉降為74mm，位于拱頂正上方，拱部最大豎向位移為107mm，底部最大隆起為91mm，圍巖最大水平位移為36mm，位于初期支護(hù)兩側(cè)底角，向圍巖方向擴(kuò)張;圍巖最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左右兩側(cè)底角，分別為0.82MPa，和0.85MPa，同時(shí)在兩側(cè)底角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，在兩側(cè)底角下部圍巖內(nèi)出現(xiàn)較大塑性區(qū);初期支護(hù)最大彎矩出現(xiàn)在兩側(cè)拱腰處，約為204kN.m，最大軸力出現(xiàn)兩側(cè)底角處，約為750kN。第二臺(tái)階開挖后，地表最大沉降為41mm，拱部最大豎向位移為88mm，底部最大隆起為159mm，圍巖最大水平位移為42mm，位于初期支護(hù)兩側(cè)底角處;圍巖最大壓應(yīng)力約為0.91MPa，出現(xiàn)在隧道兩側(cè)的拱腳處，在第二臺(tái)階左右兩側(cè)及底部圍巖內(nèi)出現(xiàn)較大范圍塑性區(qū);初期支護(hù)最大彎矩出現(xiàn)在兩側(cè)拱腰附近，約為265kN.m，最大軸力出現(xiàn)在拱頂處，約為1101kN。

　　從臺(tái)階法施工過程的數(shù)值模擬結(jié)果分析可以看出，臺(tái)階法圍巖變形控制能力差，圍巖變形較大，塑性區(qū)分布面積較大。第一臺(tái)階施工產(chǎn)生的拱頂沉降占最終沉降量的比重最大，約為75%，整體工法控制沉降效果較差。施工中各級(jí)臺(tái)階底角處應(yīng)力集中明顯，塑性區(qū)分布范圍較大，洞室穩(wěn)定性很差。拱頂及周邊圍巖向隧道凈空移動(dòng)趨勢(shì)明顯，變形量大，且無減緩趨勢(shì)，易誘發(fā)侵限、塌方等事故。

　　2.4 三臺(tái)階法

　　由圖4可知，采用三臺(tái)階法進(jìn)行開挖時(shí)，掌子面圍巖穩(wěn)定性較好，松動(dòng)范圍較小。為研究不同施工階段的圍巖和初支位移的變化規(guī)律，選取其中6個(gè)關(guān)鍵斷面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要考察拱頂沉降、周邊收斂兩項(xiàng)指標(biāo)。下臺(tái)階長度為5m，中臺(tái)階長度為24m，第1個(gè)至第2個(gè)斷面、第4個(gè)至第5個(gè)斷面以及第5個(gè)至第6個(gè)斷面的水平距離均為2.5m，而第2個(gè)至第3個(gè)以及第3個(gè)至第4個(gè)之間的距離為12m，如圖5所示。隨著庫爾勒隧道開挖過程中的3個(gè)臺(tái)階向前推進(jìn)，6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的拱頂均產(chǎn)生了一定的豎向沉降。當(dāng)開挖至第4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，早期的支護(hù)已經(jīng)閉合成環(huán)，圍巖地層的沉降值趨于恒定，1號(hào)斷面監(jiān)測(cè)到拱頂最終沉降值為36mm。當(dāng)開挖到第2個(gè)斷面時(shí)，2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的沉降值將超過1號(hào)點(diǎn)的沉降值，2號(hào)點(diǎn)的最終沉降值達(dá)38mm。各施工階段的6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的最終沉降值均滿足規(guī)范要求。

　　庫爾勒隧道開挖過程中，圍巖拱頂下沉大致經(jīng)歷了4個(gè)階段：(1)環(huán)形導(dǎo)坑開挖后，隧道的內(nèi)襯、墻壁和天棚等部位均未噴射混凝土保護(hù)層時(shí)，拱頂處的圍巖下沉速度最快。(2)當(dāng)開挖至中臺(tái)階時(shí)，圍巖的應(yīng)力再次發(fā)生重分布，此階段的拱頂下沉速度較快，但略低于第一階段的下沉速度。(3)在中臺(tái)階開挖結(jié)束后，隨即開挖下臺(tái)階，盡管經(jīng)歷了前兩個(gè)階段開挖后的圍巖產(chǎn)生了較大的不可逆變形，但此時(shí)的圍巖擾動(dòng)程度較小，拱頂處的圍巖下沉速率非常緩慢。(4)根據(jù)新奧施工法，閉合成環(huán)初期支護(hù)約束了隧道的變形，因而此時(shí)的拱頂不再發(fā)生下沉變形。

　　在隧道洞室的施工過程中，圍巖被逐漸挖去，這極大改變了原有土體的受力狀態(tài)，洞室兩側(cè)及頂面圍巖開始擠壓隧道洞室，并重新形成新的受力平衡狀態(tài)，最終收斂變形。這種變形過程十分復(fù)雜，形式多樣。開挖擾動(dòng)次數(shù)越多，圍巖的穩(wěn)定性越差，拱頂和地表的下沉位移越大。各斷面的收斂變形與進(jìn)尺的大小密切相關(guān)。4、5和6號(hào)斷面的收斂變形規(guī)律性不強(qiáng)，但1、2和3號(hào)斷面的收斂變形具有比較明顯的變化規(guī)律，初期的收斂速度非常迅速，但隨著隧道的掘進(jìn)，收斂速度逐漸放緩，最終逐漸穩(wěn)定在35mm左右，符合規(guī)范要求。分析表2數(shù)據(jù)可知：采用三臺(tái)階法對(duì)隧道開挖時(shí)，仰拱施作后隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)在2.1～4.5之間，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，施工安全可行。

　　3 結(jié)語

　　全斷面法和雙臺(tái)階法開挖過程中圍巖變形控制能力差，圍巖變形較大，塑性區(qū)分布面積較大。庫爾勒隧道采用采用三臺(tái)階法施工時(shí)的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力、拱頂和地表的下沉位移都在規(guī)范允許范圍內(nèi)。初期支護(hù)后的拱頂、左(右)拱肩、左(右)邊墻以及拱底處的安全系數(shù)在2.1～4.5之間，三臺(tái)階施工法安全可行。

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