水下大跨隧道小間距施工相互影響及應(yīng)對措施研究

孫 路，張?jiān)讫垼獣匀?/p>

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201）

0 引 言

隨著設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)際工程中對小間距隧道的需要極為迫切，不僅可以解決由于工程及水文地質(zhì)條件的限制，還可以提高土地利用率.但在目前施工中，小間距隧道的施工仍遇到許多技術(shù)難題，目前大量學(xué)者都致力于小間距訴調(diào)施工技術(shù)的研究.小間距隧道的理論研究已取得初步成果，在實(shí)際生產(chǎn)中大量廣泛應(yīng)用，表1列舉了國內(nèi)部分雙線隧道工程實(shí)例.

表1 國內(nèi)部分小間距隧道實(shí)例

從小間距隧道施工力學(xué)考慮，在開挖兩個(gè)凈距較小的隧道時(shí)，它們之間會產(chǎn)生一定的影響，使應(yīng)力重新分布的情況與開挖單一隧道有所不同.小間距隧道開挖過程中兩隧道的相互影響程度受地質(zhì)條件、開挖工序、斷面大小等影響巨大，因此我們就要探討它們之間的影響程度.圖1為小間距隧道開挖后破壞作用示意圖.

圖1 破壞作用示意圖

1 影響小間距隧道施工的因素

小間距隧道在施工過程中，由于破壞了初始應(yīng)力平衡，再加上開挖方法的影響，會使中間巖柱上的應(yīng)力出現(xiàn)集中的情況，隧道的埋置深度、隧道距離、支護(hù)參數(shù)及巖體級別都會對開挖后應(yīng)力的分布產(chǎn)生影響，因此，對影響小間距隧道施工的因素進(jìn)行分析尤為重要.

（1）隧道間距

當(dāng)兩獨(dú)立隧道間距較大時(shí)，中間巖體不會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.但當(dāng)獨(dú)立隧道變?yōu)樾￠g距隧道時(shí)，兩隧道中間巖體的應(yīng)力會急劇增大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.所以隧道間距對小間距隧道的應(yīng)力影響巨大，其應(yīng)力的大小隧道斷面與中間巖柱面積的比值息息相關(guān).Obert和Duvall依據(jù)光彈理論對平行圓孔開挖后中間巖體的應(yīng)力分布進(jìn)行了深入研究.兩隧道中間巖體的垂直應(yīng)力的平均值可以用下式表示：

式中：W0—隧道開挖的直徑

WP—巖柱的寬度

PZ—垂直作用力

依據(jù)Obert和Duvall研究試驗(yàn)結(jié)果，我們從中發(fā)現(xiàn)，間距越小，中間巖體的平均應(yīng)力σp越高，從中我們得出這樣的規(guī)律，中間巖體的平均應(yīng)力隨著隧道間距的減小而增大，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該嚴(yán)格控制隧道的間距.

（2）隧道埋深

深度對于圍巖的初始地應(yīng)力場有著重大影響，隨著深度的增加，垂直應(yīng)力也不斷增加.隧道如果埋深較淺，上覆土層正壓力較小，再加上地表巖層長期受風(fēng)化作用的影響，使其強(qiáng)度降低，在開挖過程中如果支護(hù)不及時(shí)，圍巖就會出現(xiàn)過大的變形甚至坍塌；相反，埋深較大，拱頂所承受的壓力較大，支護(hù)費(fèi)用與壓力較小的地層相比費(fèi)用較高.當(dāng)兩隧道間距保持不變，我們會發(fā)現(xiàn)，它們之間相互影響的程度雖隧道埋深的減小而降低.

（3）圍巖級別

隧道開挖后，圍巖是否穩(wěn)定，主要受巖體強(qiáng)度的影響.當(dāng)巖體強(qiáng)度大于重分布應(yīng)力時(shí)，圍巖處于彈性狀態(tài)，此時(shí)圍巖穩(wěn)定；當(dāng)巖體強(qiáng)度小于重分布應(yīng)力時(shí)，此時(shí)圍巖就進(jìn)入了破壞狀態(tài)，造成圍巖失穩(wěn).不同的圍巖級別所能承受的二次應(yīng)力是不同的，當(dāng)圍巖級別高，巖體強(qiáng)度低時(shí)，我們可以通過各種施工輔助措施來提高巖體強(qiáng)度，從而可降低雙洞隧道的間距.綜合上述分析，決定小間距隧道合理取值的最主要因素應(yīng)當(dāng)是工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件.

（4）隧道支護(hù)類型

隧道開挖后，由于破壞了初始應(yīng)力平衡，使巖體應(yīng)力重新分布，在重分布過程中，會使隧道周邊產(chǎn)生一定的變形，變形過大會直接危及施工和使用中的安全，因此我們應(yīng)當(dāng)及時(shí)對開挖后的隧道進(jìn)行支護(hù)，防止出現(xiàn)過大的變形.有效的支護(hù)不僅可以保證施工和使用中的安全，還會防止圍巖的應(yīng)力重新分布趨于惡化.

值得注意的是，上述分析的四種影響因素，只是針對單個(gè)因素進(jìn)行單獨(dú)考慮.但在實(shí)際施工過程中，四種影響因素卻是相互作用，各個(gè)因素之間也都會產(chǎn)生相互影響.因此，小間距隧道施工的相互影響是個(gè)十分復(fù)雜的問題.

2 小間距隧道施工應(yīng)對措施

以長沙市營盤路湘江隧道為工程實(shí)例，湘江隧道西岸NK0＋682～NK0＋885.5和SK0＋579.213～SK0＋695，東岸 NK2＋315～NK2＋544和SK2＋214.15～SK2＋443.15是普通小近距段，東岸南北最小凈距5.0m，西岸普通段南北線最小凈距3.6m.

2.1 超前支護(hù)

為保證安全施工，先進(jìn)行地表袖閥管注漿加固.加固范圍為隧道開挖輪廓線外6m，加固深度以進(jìn)入中或強(qiáng)風(fēng)化板巖2m為標(biāo)準(zhǔn)，袖閥管間距為1.5 m，梅花形布置，注漿材料為水泥水玻璃雙液漿.施工全斷面超前帷幕注漿、超前大管棚及超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，全斷面超前帷幕注漿加固圈固結(jié)范圍為開挖輪廓線外6m.并結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，待預(yù)加固及預(yù)支護(hù)合格之后再進(jìn)行土石方開挖，并且兩隧道之間采取錯(cuò)開的方式開挖.

2.2 施工方案

小間距隧道施工執(zhí)行“管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的施工原則，采用四部CRD法施工.四部CRD法開挖時(shí)1部超前，4部及時(shí)跟進(jìn)成環(huán)，1、3部開挖一榀支護(hù)一榀.土方開挖時(shí)，四部CRD法1、3部采用人工開挖，并配合手推小斗車出渣至2、4部后采用小型挖機(jī)裝渣，小型農(nóng)用車運(yùn)渣至豎井口；四部CRD法2、4部采取人工配合小型挖機(jī)開挖，采用小型農(nóng)用車出渣至豎井口，液壓抓斗垂直提升至地表渣坑.

2.3 開挖步序優(yōu)化

2.3.1 施工步序的選擇

考慮了四種施工步序，對隧道間距4m的情況進(jìn)行現(xiàn)場施工監(jiān)控量測.綜合分析不同開挖順序?qū)Φ貙幼冃?、中間巖柱穩(wěn)定情況以及施工進(jìn)度的影響.

圖2 小凈距施工工法組合圖

步序一：雙線隧道同時(shí)開挖，先開挖遠(yuǎn)離中間巖柱側(cè)，即左側(cè)隧道1、2部和右側(cè)隧道3、4部；

步序二：雙線隧道先進(jìn)行左側(cè)隧道1、2部施工，然后施工左幅3、4部，施工完成后，再進(jìn)行右側(cè)隧道3、4部施工，最后施工右幅1、2部；

步序三：雙線隧道先施工左側(cè)隧道，分別按照1、3、2、4部的順序進(jìn)行開挖，完成后，按照施工左側(cè)隧道的方法進(jìn)行右側(cè)隧道的施工；

步序四：先施工左側(cè)隧道1、2部和右側(cè)隧道3、4部，施工完畢后，再施工左側(cè)的3、4部和右側(cè)的1、2部.

2.3.2 數(shù)據(jù)處理分析

通過計(jì)算得出四種工序下地表沉降和中隔墻水平位移如表2所示.

表2 不同工序監(jiān)控量測結(jié)果比較

通過監(jiān)控量測結(jié)果，可以看出：

（1）步序一與其他三種施工方法比較起來地表沉降相對較大，左側(cè)隧道1、2部和右側(cè)隧道3、4部同時(shí)開挖對地表沉降影響不大，但靠近中間巖柱左側(cè)3、4部和右側(cè)1、2部同時(shí)施工時(shí)，卻使地表沉降急劇加大.

（2）步序二和步序三施工后最終傾斜值基本接近，但二者各有優(yōu)缺點(diǎn).步序二能很好控制水平收斂但所引起的地表沉降較大；步序二雖然水平收斂較大，但對控制地表變形有很好的效果.在具體選擇施工工序時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種因素的影響，選擇合適的施工步序.

（3）步序四施工所引起的地表沉降雖然比步序二大，但是在施工過程中必須保證支護(hù)及時(shí)有效，才能滿足施工安全的需求，步序四施工有利于圍巖的穩(wěn)定，右側(cè)隧道1、2部施工前，左側(cè)隧道仰拱必須封閉成環(huán)，才能進(jìn)行右側(cè)隧道施工.

在實(shí)際工程中，采用步序二開挖小間距隧道.以長沙市營盤路湘江隧道大跨小間距隧道段為例，重點(diǎn)對斷面NK2＋400各部開挖引起的地表沉降進(jìn)行觀測，可見地表沉降最大值為73mm，地表沉降的最大值隨著洞室的開挖逐漸向右移動，開挖結(jié)束后，地表沉降最大值的出現(xiàn)位置向左偏移了4m；同時(shí)，右洞前兩步開挖對隧道中心的沉降影響很小，僅占總沉降的15%.隨著洞室的開挖，中間土體發(fā)生了一定水平位移，開挖結(jié)束后，水平位移最大值為8.71mm.實(shí)際施工中的監(jiān)測結(jié)果數(shù)值都在規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)，大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益.

3 結(jié) 語

對于小間距隧道，在施工過程中要想做到安全快速施工，首先要搞清楚在此工程中影響隧道安全施工的主要因素，本文詳細(xì)論述了水下大跨小間距隧道在施工過程中的影響因素，希望為讀者提供借鑒.針對影響小間距隧道的外部環(huán)境因素，提出了幾點(diǎn)在施工過程中的應(yīng)對措施，在超前預(yù)支護(hù)、預(yù)加固的基礎(chǔ)上，合理選擇施工工序，使變形減小，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，只有這樣才能最終做到安全快速施工.

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