非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道合理施工方法和工序分析

李偉聰

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東珠海 519030)

小凈距隧道是空間近距離雙線隧道在同一參考平面的布置形式之一，其結(jié)構(gòu)介于雙洞分離式隧道和連拱隧道之間，并行雙洞斷面大小不一即是非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道。小凈距隧道的界定至今沒(méi)有統(tǒng)一明確的標(biāo)準(zhǔn)，日本鐵道技術(shù)學(xué)會(huì)于20世紀(jì)70年代初發(fā)表了《關(guān)于平行隧道研究的報(bào)告》，認(rèn)為平行隧道的中心距在可以把地層看作完全彈性體時(shí)，約為開(kāi)挖寬度的2倍，而在粘土等軟地層中，則為開(kāi)挖寬度的5倍，并且規(guī)定平行公路隧道的中心距為30m(約為開(kāi)挖寬度的3倍)，國(guó)鐵單線隧道的標(biāo)準(zhǔn)凈距是20m。對(duì)于非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道，即并行雙洞斷面大小不一的小凈距隧道是近年來(lái)基于城市地下立交工程設(shè)計(jì)理念下產(chǎn)生的一種新型隧道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，隨著中國(guó)城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，作為解決城市交通問(wèn)題的重要手段，地下立交必將逐漸興起，非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道的數(shù)量也會(huì)逐漸增加，但目前對(duì)其的相關(guān)研究較少，工程界對(duì)非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道施工過(guò)程力學(xué)形態(tài)、規(guī)律等認(rèn)識(shí)尚有不足，對(duì)非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道還缺乏系統(tǒng)深入的研究，因此進(jìn)行這方面的研究，對(duì)于提高非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道建設(shè)的合理性與工程經(jīng)濟(jì)顯得很有必要。本文利用有限元數(shù)值模擬的方法，建立了二維彈塑性模型，重點(diǎn)研究分析了采用不同施工方法及工序時(shí)非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道的力學(xué)特性、圍巖穩(wěn)定性等問(wèn)題。

1 模型建立及計(jì)算工況

為了使模擬結(jié)果更具有普遍性，本次計(jì)算選?、艏?jí)圍巖，考慮噴射混凝土及錨桿作用，不考慮二次襯砌，參考現(xiàn)行的JIGD70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范。計(jì)算參數(shù)選取結(jié)果如表1所示。由于互通立交隧道中非小凈距隧道的凈距是漸變的，且漸變較快，一般從1.5m變到12m至20m到30m范圍就變化完畢。計(jì)算中選取隧道凈距為1.5m，3m，4.5m，6m，8m，12m，16m，20m 共8種不同凈距。埋深選擇深埋條件，并考慮利于計(jì)算結(jié)果分析的因素，最后選取埋深為65m。施工方法考慮全斷面法、上下臺(tái)階法、正側(cè)壁導(dǎo)坑法、反側(cè)壁導(dǎo)坑法4種，分左洞(小洞)先行和右洞(大洞)先行兩種施工順序，計(jì)算分析所采用的工法按表2進(jìn)行。計(jì)算圍巖使用標(biāo)準(zhǔn)ANSYS提供的理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其屈服準(zhǔn)則為D-P(Drucker-Prager)準(zhǔn)則，其他如錨桿、噴混凝土等均使用彈性本構(gòu)關(guān)系。邊界條件按照隧道力學(xué)理論分析結(jié)果確定?？紤]邊界效應(yīng)，隧道的左右邊界選取5倍洞徑，隧道橫斷面方向?yàn)?75m，底部選取3倍洞徑，考慮實(shí)際埋深，隧道垂直方向?yàn)?23m，左右邊界約束水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界。計(jì)算包括以下工況:圍巖級(jí)別選?、艏?jí)，隧道凈距選取1.5m，3m，4.5m，6m，8m，12m，16m，20m 共8種不同凈距，隧道埋深選取65m，選取4種施工方法，選取2種施工工序(左洞先行和右洞先行)，經(jīng)過(guò)相互組合成多種不同的工況。隧道分析模型網(wǎng)格圖如圖1所示。

表1 材料計(jì)算物理力學(xué)指標(biāo)

表2 施工方法及工序表

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 拱頂位移分析

從圖2可以看出，不管是何種工序和何種工法，隨著隧道凈距的增大，先行洞和后行洞的拱頂位移都將減小，其減小趨勢(shì)呈現(xiàn)非線性的特征。隧道分部開(kāi)挖對(duì)拱頂位移的影響要小于全斷面開(kāi)挖。全斷面法施工時(shí)，左右洞的拱頂位移最大，其次為臺(tái)階法，而右洞采用側(cè)壁導(dǎo)坑時(shí)最小，只是在右洞(大洞)先行時(shí)，左洞拱頂位移在臺(tái)階法時(shí)最小。無(wú)論左洞右洞，其作為先行洞時(shí)的拱頂位移均比作為后行洞時(shí)要小，右洞(大洞)先行時(shí)，其對(duì)后行洞的影響也較左洞(小洞)先行時(shí)要大，同樣，右洞(大洞)后行時(shí)，其施工對(duì)先行洞影響也較大，隧道凈距越小，這種影響效果越明顯。當(dāng)只有單洞時(shí)，左洞(小洞)拱頂位移為9.63mm，右洞(大洞)拱頂位移為14.26mm。而左洞洞跨10.33m，右洞洞跨14.66m。單洞時(shí)拱頂位移之比為0.675，洞跨比為0.705，兩者非常接近，這也側(cè)面說(shuō)明對(duì)于非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道拱頂位移同洞跨成一定的正比關(guān)系。

圖2 拱頂位移變化曲線

由圖2可知，采用側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)拱頂位移最小，左洞選取臺(tái)階法，右洞選取兩種側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，對(duì)后行洞開(kāi)挖引起先行洞拱頂位移進(jìn)行分析。如圖3所示，從中可以看出，凈距較小時(shí)，隨著后行洞開(kāi)挖，先行洞的拱頂位移有著較大增長(zhǎng)。左洞先行時(shí)，右洞采用反側(cè)壁導(dǎo)坑工法的情況下，1.5m凈距時(shí)右洞開(kāi)挖引起的位移占最終沉降30.38%，20m凈距時(shí)占最終沉降的10.91%;右洞先行時(shí)，左洞開(kāi)挖引起的位移占最終沉降14.93%;20m凈距時(shí)占最終沉降的4.45%。采用正側(cè)壁導(dǎo)坑工法的情況下，左洞先行時(shí)，1.5m凈距時(shí)右洞開(kāi)挖引起的位移占最終沉降29.22%，20m凈距時(shí)占最終沉降的4.44%。后行洞洞跨不同對(duì)先行洞的影響明顯不同，洞跨大的影響大于洞跨小的影響。采用側(cè)壁導(dǎo)坑工法，隨著凈距增大兩種工法之間差別變小，但總的來(lái)說(shuō)正側(cè)壁導(dǎo)坑法較反側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)先行洞的影響時(shí)間較長(zhǎng)。

2.2 支護(hù)內(nèi)力分析

選取左洞(小洞)先行，3m凈距時(shí)采用各種施工方法進(jìn)行分析，由圖4可知，由于后行洞施工的影響，先行洞靠近后行洞一側(cè)的支護(hù)內(nèi)力增長(zhǎng)明顯，其最大軸力和最大彎矩均出現(xiàn)在先行洞靠近后行洞一側(cè)，后行洞靠近先行洞一側(cè)的支護(hù)內(nèi)力也明顯大于背離先行洞一側(cè)。施工方法對(duì)支護(hù)內(nèi)力的分布以及應(yīng)力集中部位有明顯影響，不同工法其最大軸力及彎矩部位不同，在分部施工的結(jié)合部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處出現(xiàn)較大彎矩值。

圖3 后行洞開(kāi)挖引起拱頂位移變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道拱頂位移、初期支護(hù)內(nèi)力的相關(guān)分析，可以得出如下結(jié)論:

1)對(duì)于施工工序的選擇上，先施工左洞(小洞)對(duì)安全較為有利。先施工左洞時(shí)雖然后行洞(大洞)的施工對(duì)圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)內(nèi)力的影響程度要比左洞施工的影響大，但由于先行洞施工時(shí)，圍巖穩(wěn)定性相對(duì)要好些，支護(hù)內(nèi)力也相對(duì)小些，最終雙洞施工完畢后，其安全性反而要好些。

2)當(dāng)圍巖條件較好時(shí)應(yīng)盡量采用全斷面開(kāi)挖，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，以減弱施工對(duì)中墻穩(wěn)定性的影響。

圖4 支護(hù)內(nèi)力

3)對(duì)于圍巖條件較差時(shí)，從中墻穩(wěn)定性、支護(hù)內(nèi)力以及應(yīng)力集中程度等考慮，右洞采用上下臺(tái)階法由于對(duì)中墻圍巖的多次擾動(dòng)而對(duì)圍巖穩(wěn)定性不利，不宜采用;而采用右洞反側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)中墻處的圍巖也很不利，但較臺(tái)階法略?xún)?yōu);相比而言，右洞采用正側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)，對(duì)中墻圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)受力較好，宜優(yōu)先考慮。

4)隧道分部開(kāi)挖時(shí)，由于初期支護(hù)未閉合，在交接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工時(shí)應(yīng)注意交接處的支護(hù)安全。

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