大斷面小凈距公路隧道施工動(dòng)態(tài)數(shù)值分析

李 帥，王 飛，劉以臣，賈 磊

（1.河北建研工程技術(shù)有限公司，石家莊 050021；2.河北建研科技有限公司，石家莊 050021）

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，交通基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。雖然城市發(fā)展迅速，但同時(shí)出現(xiàn)了用地緊張、人口密集、交通擁堵等一系列城市病態(tài)問題。當(dāng)前，為了滿足日益增長的交通量需求，許多城市公路因交通量飽和而被擴(kuò)建。

小凈距隧道是指上下行雙洞洞壁凈距較小，隧道中間巖柱厚度小于規(guī)范建議值，不能按獨(dú)立雙洞隧道考慮的隧道結(jié)構(gòu)，其雙洞凈距一般小于1.5倍的洞徑［1］。

由于大斷面小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，其施工過程中隧道的穩(wěn)定性受到巖石的形成條件和地質(zhì)作用的影響，結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力較大，受力條件較為復(fù)雜，加上施工期間諸多工序非同步施工的影響，導(dǎo)致圍巖極易發(fā)生失穩(wěn)和隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂、破壞等現(xiàn)象，因而，有必要對(duì)施工過程中的圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，進(jìn)一步指導(dǎo)施工、完善設(shè)計(jì)［2］。

近年來，一些學(xué)者對(duì)大斷面小凈距隧道進(jìn)行了研究，如劉艷青等［3］通過對(duì)招寶山小凈距并行隧道的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行研究，得出了地面沉降、洞周收斂、圍巖應(yīng)力等的變化規(guī)律；李云鵬等［4］針對(duì)小凈距隧道的中隔墻進(jìn)行了分析。在此，本文在這些研究的基礎(chǔ)上，以某一實(shí)際工程為研究背景，以ADINA 有限元軟件為計(jì)算平臺(tái)，對(duì)大跨度小凈距并行隧道的施工過程進(jìn)行了仿真模擬，為大跨度小凈距隧道設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

1 模型建立

本文以某大斷面小凈距公路隧道工程為研究背景，隧道斷面形式按工程實(shí)際進(jìn)行選取，單洞最大開挖跨度為16.07m，最大開挖高度（含仰拱）為10.07 m。隧道凈距取為0.8 B（B 為隧道跨度），即為12.86m。工程采用新奧法施工，隧道開挖采取雙側(cè)壁超前開挖法。隧道設(shè)計(jì)斷面尺寸與施工方法如圖1所示。具體開挖過程為：①先行導(dǎo)坑上部開挖→②先行導(dǎo)坑下部開挖→③后行導(dǎo)坑上部開挖→④后行導(dǎo)坑下部開挖→⑤中央部拱頂開挖→⑥⑦中央其余部開挖。支護(hù)過程為：Ⅰ先行導(dǎo)坑上部噴錨支護(hù)→Ⅱ先行導(dǎo)坑下部噴錨支護(hù)及仰拱混凝土→Ⅲ后行導(dǎo)坑上部噴錨支護(hù)→Ⅳ后向?qū)Э酉虏繃婂^支護(hù)及仰拱混凝土→Ⅴ中部導(dǎo)坑上部噴錨支護(hù)→Ⅵ中部仰拱混凝土→Ⅶ施做二次襯砌。施工過程為先進(jìn)行左洞開挖右洞后開挖，即左洞為先行隧洞，右洞為后行隧洞。

圖1 隧道開挖支護(hù)工序

1.1 模型及單元選取

以大型有限元軟件ADINA 為計(jì)算平臺(tái)，考慮隧道圍巖的工程地質(zhì)條件與力學(xué)性態(tài)，采用平面彈塑性有限元法進(jìn)行模擬，計(jì)算中圍巖采用2－D 平面彈塑性材料，遵循M－C 屈服準(zhǔn)則，初襯及二襯采用2－D 平面彈性單元，錨桿采用Rebar單元進(jìn)行模擬，圍巖加固注漿以及小導(dǎo)管注漿采用提高圍巖級(jí)別進(jìn)行模擬。

為減少二維有限元模型中邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，有限元計(jì)算模型嚴(yán)格按照隧道力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行確定，其橫向邊界到隧道外側(cè)的距離約4倍洞徑，取為60m，將其水平方向（Y 向）進(jìn)行約束；下邊界到隧道底邊的距離大于3倍洞徑，取為50m，將其豎直方向（Z向）進(jìn)行約束。隧道埋深取30m，表面設(shè)為自由。由此建立隧道開挖過程有限元計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 隧道計(jì)算模型

1.2 材料選取

為使計(jì)算分析所得結(jié)果的規(guī)律具有普遍性，本次計(jì)算圍巖主要考慮Ⅳ級(jí)，其力學(xué)參數(shù)指標(biāo)參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》以及實(shí)際隧道工程地質(zhì)勘查報(bào)告綜合選取，巖體和支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖體和支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)

1.3 初始地應(yīng)力

由于隧道埋深較淺，初始地應(yīng)力以圍巖自重產(chǎn)生的應(yīng)力為主，數(shù)值計(jì)算時(shí)，豎向?yàn)棣胔，隧道軸向和垂直隧道邊墻方向?yàn)椋é脼椴此杀龋?/p>

2 結(jié)果分析

有限元?jiǎng)討B(tài)仿真數(shù)值模擬計(jì)算范圍內(nèi)的主要考察結(jié)果是每個(gè)施工工序下的地表位移、襯砌內(nèi)力及位移、錨桿軸力及隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果分析控制點(diǎn)如圖3所示。

2.1 地表位移分析

2.1.1 地表水平位移分析

隨著隧道雙洞導(dǎo)坑的開挖，地表土體會(huì)隨著導(dǎo)坑的開挖產(chǎn)生相應(yīng)的水平位移。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，繪制地表控制點(diǎn)水平位移曲線如圖4所示。左、右隧洞上部地表的水平位移方向大體呈現(xiàn)相反的發(fā)展趨勢(shì)，左洞上部地表有向右下方運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，而右洞上部地表有向左下方運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。由圖中可以看出，先行隧洞上部地表水平位移值略大于后行隧洞上部地表水平位移值，左洞最大水平位移值為＋2.715 39mm，右洞最大水平位移值為－2.704 47mm，這是由于后行隧洞的開挖對(duì)先行隧洞上部地表產(chǎn)生了擾動(dòng)作用，而先行隧洞初期支護(hù)為后行隧洞的開挖提供了比較好的圍巖環(huán)境。

圖3 結(jié)果分析點(diǎn)布置示意圖

圖4 地表控制點(diǎn)水平位移曲線

先行隧洞拱頂上部控制點(diǎn)在左洞進(jìn)行開挖時(shí)產(chǎn)生了負(fù)方向的水平位移，這是由于先行隧洞開挖過程中，首先進(jìn)行左側(cè)導(dǎo)洞的開挖，使得上部地表控制點(diǎn)產(chǎn)生了偏向左側(cè)的水平位移，隨著先行洞右側(cè)導(dǎo)洞的開挖，上部地表水平位移開始恢復(fù)，向右側(cè)發(fā)展，但是發(fā)展比較緩慢，后行隧洞的開挖使得地表受到較大的干擾，水平位移急劇向右側(cè)發(fā)展；雙洞隧道中部地表控制點(diǎn)位移隨先行隧洞的開挖首先產(chǎn)生偏向左側(cè)的水平位移，但是在后行隧道開挖進(jìn)行過程中，水平位移開始慢慢恢復(fù)，向右側(cè)偏移，直至產(chǎn)生了偏向于右側(cè)的水平位移。這表明，在隧洞開挖過程中應(yīng)充分考慮后行隧洞開挖對(duì)先行隧洞及其周邊地表土體的擾動(dòng)作用，及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并采取必要的防護(hù)措施。

2.1.2 地表豎向位移分析

在進(jìn)行地表土層沉降分析時(shí)，不考慮未開挖時(shí)土層隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的固結(jié)沉降，僅考慮由于隧道開挖而引起的地表沉降值，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，繪制水平位移曲線如圖5所示。其沉降的基本規(guī)律是上下導(dǎo)坑的開挖都將導(dǎo)致其上方地表沉降量增大明顯，同時(shí)在中央部位拱頂土體開挖后，地表沉降出現(xiàn)較大浮動(dòng)，各控制點(diǎn)沉降值增長迅速，最終最大沉降量出現(xiàn)在隧道中部巖柱上方，最大值為2.975 9mm。

先行隧洞開挖后，隨著后行隧洞開挖的進(jìn)行，左洞土體受到擾動(dòng)，導(dǎo)致其地表沉降繼續(xù)增大，而由于先行隧洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土體產(chǎn)生的穩(wěn)固效果，后行隧洞地表沉降明顯小于左洞。

由于隧洞中央部位上部土體的開挖，使得隧洞上方地表沉降出現(xiàn)急劇變化區(qū)域，且在后行隧洞開挖中央部位拱頂土體時(shí)表現(xiàn)得更為明顯。因此，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道施工的過程中，在開挖隧洞中央上部土體后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，并采取必要的防護(hù)措施，避免因土體開挖對(duì)隧洞及其上部地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。導(dǎo)坑開挖完畢，地表沉降量仍緩慢發(fā)展，隨著遠(yuǎn)離隧道，地表沉降量逐漸減小。

圖5 地表控制點(diǎn)豎向位移曲線

2.2 襯砌位移及內(nèi)力分析

隧道襯砌最大豎向位移出現(xiàn)在先行隧洞的拱頂位置，最大值為2.002 8mm，由于先行隧洞開挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，使得周圍巖體具有了較好的穩(wěn)定性，但是受到后行隧洞開挖擾動(dòng)的作用，使得先行隧洞襯砌各控制點(diǎn)位豎向位移值均高于后行隧洞。

表2 襯砌控制點(diǎn)位移及最大主應(yīng)力

2.3 錨桿軸力分析

在隧道模型分析過程中，對(duì)于錨桿軸力的控制分析主要是為了了解錨桿的受力狀態(tài)和軸力大小，從而為施工過程中合理布置錨桿間距，適當(dāng)調(diào)整錨桿的其他施工參數(shù)提供依據(jù)。

本文模型中錨桿軸力如圖6所示。從圖中可以看出，錨桿軸力較大值集中分布在隧道的拱腰與拱腳位置。左、右兩側(cè)導(dǎo)坑部位的錨桿軸力大于中部導(dǎo)洞部位錨桿軸力，最大軸力值為19.167kN，位于先行隧洞左拱腰位置。最大軸力并未出現(xiàn)在拱頂部位，其原因是隧道的初期支護(hù)噴射混凝土襯砌，使隧道拱頂圍巖具有良好的整體性能，有效地抑制了拱頂上部圍巖的豎向位移。

圖6 錨桿軸力分布圖

錨桿軸力變化趨勢(shì)與圍巖受力變化趨勢(shì)相同，錨桿軸力隨圍巖所受有效應(yīng)力的增大而增大。錨桿軸力沿其輻射方向呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，僅在拱腳位置處附近出現(xiàn)沿錨桿軸向逐漸增大的趨勢(shì)。

2.4 圍巖受力的分布及其變化規(guī)律

對(duì)于圍巖受力分析，本文以其有效應(yīng)力作為分析對(duì)象。隧道部分施工有效應(yīng)力模型如圖7所示。通過對(duì)隧道模型施工過程的分析可知，當(dāng)圍巖位移顯著增大時(shí)，圍巖有效應(yīng)力值也顯著增大，說明導(dǎo)洞的開挖對(duì)上部土體產(chǎn)生了擾動(dòng)，而隧道開挖過程中隧道中央上部土體的開挖導(dǎo)致隧道周圍土體有效應(yīng)力出現(xiàn)較為劇烈的變化，這使得隧道所受有效應(yīng)力值明顯增大，且增大區(qū)的范圍沿左右拱腰至左右拱腳部位不斷擴(kuò)大。

圖7 隧道部分施工模型圖

圍巖最終有效應(yīng)力圖如圖8所示。由圖可知，圍巖受力以左、右洞拱腰至拱腳部位較為集中，整體上看圍巖有效應(yīng)力隨隧道開挖的進(jìn)行呈現(xiàn)先增大后逐漸發(fā)展到穩(wěn)定值的變化趨勢(shì)，最大有效應(yīng)力值為2.78 MPa，位于左洞右拱腳附近位置處。左、右洞圍巖有效應(yīng)力大體呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)，但由于大斷面小凈距隧道分步施工的各工序之間相互的影響，二者實(shí)際有效應(yīng)力值卻略有不同，在隧道相同部位，先行左洞周圍巖體的有效應(yīng)力值略大于后行右洞周圍巖體的有效應(yīng)力值，這體現(xiàn)了先行隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于后行隧道開挖起到了穩(wěn)定巖體的作用，同時(shí)，后行隧道的開挖對(duì)先行隧道圍巖具有擾動(dòng)作用。

圖8 圍巖有效應(yīng)力圖

大斷面小凈距并行隧道中間巖柱有效應(yīng)力值隨隧道開挖不斷擴(kuò)大，且有效應(yīng)力較大值集中在中部巖柱的上方及下方較大范圍區(qū)域，而在中部巖柱中心部位形成一個(gè)有效應(yīng)力較小的集中區(qū)域，說明在采用雙洞導(dǎo)坑超前開挖施工方法時(shí)，應(yīng)對(duì)并行隧道附近巖柱采取加強(qiáng)措施，防止由于中部巖柱受力變形太大，而導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)狀況。

3 結(jié)論

（1）通過比較左、右隧道的位移及受力狀態(tài)，可知，先行隧洞的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)隧洞開挖區(qū)域圍巖起到了穩(wěn)固的作用，有利于后行隧洞的施工，而后行隧洞的開挖對(duì)先行隧洞襯砌及其周圍巖體均產(chǎn)生較大的擾動(dòng)作用，因此，在設(shè)計(jì)及施工過程中應(yīng)予以慎重考慮，并采取必要的防護(hù)措施。

（2）在此隧道中，拱頂錨桿所受軸力較小，而拱腰及拱腳部位錨桿所受軸力較大，表明拱頂部位錨桿對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性作用不大，而拱腰及拱腳部位對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有很大的作用。因此，在設(shè)計(jì)及施工過程中，應(yīng)對(duì)此處范圍內(nèi)錨桿進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)處理。

（3）采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，左、右側(cè)上下導(dǎo)洞開挖過程時(shí)，僅對(duì)本洞周圍巖體的有效應(yīng)力和位移產(chǎn)生相應(yīng)影響，對(duì)相鄰洞室圍巖有效應(yīng)力和位移影響較??；但對(duì)中央部位拱頂導(dǎo)坑進(jìn)行開挖時(shí)，對(duì)整個(gè)斷面的圍巖位移和有效應(yīng)力影響都比較劇烈，因此，隧道開挖過程中應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，并保證拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)與兩側(cè)側(cè)導(dǎo)坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)封閉連接，成為整體，進(jìn)而加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于隧道圍巖的穩(wěn)定作用。

［1］ 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D70－2004）［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 蔣坤，夏才初.雙向八車道小凈距公路隧道監(jiān)控量測(cè)分析［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（S2）：3755－3761.

［3］ 劉艷青，鐘世航，盧汝綏，等.小凈距并行隧道力學(xué)狀態(tài)的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（5）：590－594.

［4］ 李云鵬，韓常領(lǐng)，霍明，等.不同圍巖類小凈距隧道施工過程模擬研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27（1）：11－16.