摘要：在砂質圍巖地層和軟弱破碎圍巖中開挖隧道會引起圍巖擾動卸荷并改變圍巖應力狀態，若變形控制不當，極易導致掌子面發生破壞。庫爾勒隧道為典型的戈壁全風化砂巖淺埋隧道，下穿既有營業線，掘進施工難度大，技術復雜。采用離散元顆粒流軟件PFC2D研究全斷面法、雙臺階法及三臺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。研究結果表明：采用全斷面法和雙臺階法施工時，圍巖變形控制能力差，塑性區分布面積較大，圍巖易產生滑塌。三臺階法更適合開挖庫爾勒隧道，仰拱施作后隧道襯砌結構的安全系數較大，結構內力較小。相關研究成果可為今后類似工程提供借鑒。
關鍵詞： 隧道工程 掌子面 全斷面法 兩臺階法 三臺階法 變形控制
隨著我國經濟的飛速發展，人們出行的需求越來越，公路、地鐵和鐵路的建設如火如荼。隧道對于節約土地資源、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、造價高，而且往往需要穿越復雜地質條件的地層，如軟弱圍巖、斷層破碎帶和富水砂層等[1-5]。對于穿越砂巖地層的淺埋暗挖隧道而言，砂層易受擾動，拱頂其施工方法的選擇需要充分考慮圍巖的工程地質、地下水、隧道斷面大小及形狀、施工機械配備能力以及工期等要求[6-8]。在隧道的開挖過程中，由于施工不當而導致的圍巖松動、拱頂坍塌、地表下沉的破壞現象屢見不鮮。因此，選擇科學合理的隧道開挖方法是隧道施工安全的關鍵，可以保證工程安全的同時縮短工期，從而降低隧道的工程造價。
1 工程概況
全長4550m的庫爾勒隧道位于庫爾勒火車站東側的開發區境內，起始里程為DYK1211+700，終點里程為DYK1216+250。所在地形地貌屬庫魯塔格山前沖洪積傾斜平原區，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、輸油管道等結構，為Ⅱ級風險隧道。
2 掌子面穩定性
2.1 數值模型及參數
庫爾勒隧道全線位于干旱區，地下水貧乏，在數值分析的過程中不考慮出現涌水的情形。全線開挖跨度約為7.16m，但為了便于建模分析計算，采用離散元顆粒流PFC2D軟件分析時設定隧道開挖跨度為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，開挖支護采用WALL單元，忽略支護材料的力學及變形情況。假定隧道全線穿越范圍內均為戈壁砂巖，其力學參數如表1所示。
通過對常見的砂巖地層隧道經常使用的全斷面法、兩臺階法和三臺階法進行數值模擬，從圍巖裂隙、顆粒狀態等角度分析評價各種方法的優缺點及在砂質圍巖地層中的適用性。為便于橫向比較，各施工開挖方法數值模型均采用同一斷面尺寸。
2.2 全斷面法
由圖1可知，采用全斷面法進行開挖時，掌子面圍巖穩定性很差，松動區范圍較大，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，隧道圍巖整體穩定性較差，由于原有的巖體被挖掉，導致在隧道開挖過程中，圍巖將發生明顯的滑塌現象，開挖無法自穩。所以，對于砂質地層隧道，采用全斷面法施工圍巖無法自穩，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 兩臺階法
相比全斷面法而言，兩臺階法具有更多的作業空間和更快的施工速度。由圖3可知，采用兩臺階法開挖庫爾勒隧道時，掌子面圍巖的穩定性比全斷面法有了較大的改善，松動區整體向上發展，最大處位于掌子面拱頂上方6.2m處。
分別提取進尺為0.5m、0.75m和1.0m時的隧道地層沉降結果進行對比分析。有限元模擬結果表明，當開挖面遠離監測面時，地層的沉降值很小，近似可忽略不計;然而，隨著開挖面距離監測面越來越近時，隧道附近圍巖地層的沉降值越來越大，當開挖面到達監測面時，圍巖的沉降值達到最大值。隨后，開挖面越過監測面后，監測面的圍巖地層沉降逐漸變小，當開挖進尺到隧道直徑的一半時，變形逐漸趨于恒定值，這與現場實測結果吻合良好。此外，采用不同進尺時的隧道圍巖地層的最終豎向沉降值存在較大的差異。通過現場監測到的地表沉降值可知，當進尺分別為0.5m、0.75m和1.0m時，隧道上面的砂巖地表沉降值分別為50.2、58.7和69.1mm。其中，進尺為0.5m時的隧道地層沉降值最小。
上臺階開挖后，拱頂下沉量較大，約為39.7mm，水平收斂量較小，為13.3mm;當下臺階開挖后，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，達到46.2mm。上臺階開挖后，初期支護結構安全系數為5.3，當下臺階開挖后，拱頂處的最小安全系數為2.0，拱腳處僅為1.3。采用臺階法施工時，第一臺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，位于初期支護兩側底角，向圍巖方向擴張;圍巖最大壓應力出現在左右兩側底角，分別為0.82MPa，和0.85MPa，同時在兩側底角處出現應力集中，在兩側底角下部圍巖內出現較大塑性區;初期支護最大彎矩出現在兩側拱腰處，約為204kN.m，最大軸力出現兩側底角處，約為750kN。第二臺階開挖后，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，位于初期支護兩側底角處;圍巖最大壓應力約為0.91MPa，出現在隧道兩側的拱腳處，在第二臺階左右兩側及底部圍巖內出現較大范圍塑性區;初期支護最大彎矩出現在兩側拱腰附近，約為265kN.m，最大軸力出現在拱頂處，約為1101kN。
從臺階法施工過程的數值模擬結果分析可以看出，臺階法圍巖變形控制能力差，圍巖變形較大，塑性區分布面積較大。第一臺階施工產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。施工中各級臺階底角處應力集中明顯，塑性區分布范圍較大，洞室穩定性很差。拱頂及周邊圍巖向隧道凈空移動趨勢明顯，變形量大，且無減緩趨勢，易誘發侵限、塌方等事故。
2.4 三臺階法
由圖4可知，采用三臺階法進行開挖時，掌子面圍巖穩定性較好，松動范圍較小。為研究不同施工階段的圍巖和初支位移的變化規律，選取其中6個關鍵斷面進行實時監測，主要考察拱頂沉降、周邊收斂兩項指標。下臺階長度為5m，中臺階長度為24m，第1個至第2個斷面、第4個至第5個斷面以及第5個至第6個斷面的水平距離均為2.5m，而第2個至第3個以及第3個至第4個之間的距離為12m，如圖5所示。隨著庫爾勒隧道開挖過程中的3個臺階向前推進，6個監測斷面的拱頂均產生了一定的豎向沉降。當開挖至第4個監測斷面時，早期的支護已經閉合成環，圍巖地層的沉降值趨于恒定，1號斷面監測到拱頂最終沉降值為36mm。當開挖到第2個斷面時，2號監測點處的沉降值將超過1號點的沉降值，2號點的最終沉降值達38mm。各施工階段的6個監測斷面的最終沉降值均滿足規范要求。
庫爾勒隧道開挖過程中，圍巖拱頂下沉大致經歷了4個階段：(1)環形導坑開挖后，隧道的內襯、墻壁和天棚等部位均未噴射混凝土保護層時，拱頂處的圍巖下沉速度最快。(2)當開挖至中臺階時，圍巖的應力再次發生重分布，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)在中臺階開挖結束后，隨即開挖下臺階，盡管經歷了前兩個階段開挖后的圍巖產生了較大的不可逆變形，但此時的圍巖擾動程度較小，拱頂處的圍巖下沉速率非常緩慢。(4)根據新奧施工法，閉合成環初期支護約束了隧道的變形，因而此時的拱頂不再發生下沉變形。
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，洞室兩側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，最終收斂變形。這種變形過程十分復雜，形式多樣。開挖擾動次數越多，圍巖的穩定性越差，拱頂和地表的下沉位移越大。各斷面的收斂變形與進尺的大小密切相關。4、5和6號斷面的收斂變形規律性不強，但1、2和3號斷面的收斂變形具有比較明顯的變化規律，初期的收斂速度非常迅速，但隨著隧道的掘進，收斂速度逐漸放緩，最終逐漸穩定在35mm左右，符合規范要求。分析表2數據可知：采用三臺階法對隧道開挖時，仰拱施作后隧道襯砌結構整體安全系數在2.1～4.5之間，結構內力較小，施工安全可行。
3 結語
全斷面法和雙臺階法開挖過程中圍巖變形控制能力差，圍巖變形較大，塑性區分布面積較大。庫爾勒隧道采用采用三臺階法施工時的襯砌結構內力、拱頂和地表的下沉位移都在規范允許范圍內。初期支護后的拱頂、左(右)拱肩、左(右)邊墻以及拱底處的安全系數在2.1～4.5之間，三臺階施工法安全可行。
參考文獻
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