淺埋偏壓大跨花崗巖殘積土小凈距隧道合理間距研究

陳秋南，趙磊軍，謝小魚, 2，賀成斌，曹運(yùn)江

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淺埋偏壓大跨花崗巖殘積土小凈距隧道合理間距研究

陳秋南1，趙磊軍1，謝小魚1, 2，賀成斌1，曹運(yùn)江1

(1. 湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭，411201；2. 湖南路橋建設(shè)集團(tuán)公司，湖南長沙，410004)

針對花崗巖殘積土淺埋偏壓大跨小凈距隧道合理間距與偏壓程度的關(guān)系問題，引入偏壓率，通過建立洞口段1:7，1:5和1:3共3種邊坡坡度的偏壓小凈距隧道模型；基于FLAC3D軟件，研究花崗巖殘積土圍巖小凈距隧道施工工法優(yōu)化和不同偏壓率對其最小合理間距的影響。研究結(jié)果表明：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法較適合偏壓率為1.13的小凈距隧道施工，最小合理間距為24 m，中間巖柱是最薄弱部位；巖柱上方地表沉降最大，靠近巖柱兩側(cè)隧道支護(hù)錨桿軸力最大，在施工過程中塑性變形較嚴(yán)重，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性，因此，在施工時(shí)應(yīng)優(yōu)先加固巖柱的上巖盤，同時(shí)兼顧加固中巖盤和下方巖盤，確保中間巖柱穩(wěn)定。

淺埋偏壓大跨小凈距隧道；合理間距；花崗巖殘積土；數(shù)值模擬；工法優(yōu)化

高速公路在穿越丘嶺、山區(qū)時(shí)，大跨小凈距隧道越來越受到設(shè)計(jì)者的青睞。這種隧道既能解決山嶺場地窄的問題，又可以大大提高交通通行能力，但在隧道進(jìn)出口段存在埋深淺、偏壓嚴(yán)重和中間巖柱受力復(fù)雜不穩(wěn)定的問題。不同的開挖方式對隧道的影響不同，選擇合理的開挖方式是決定隧道設(shè)計(jì)施工成敗的必要因素，因此，有必要對不同開挖方式下圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及力學(xué)特征進(jìn)行研究，優(yōu)化隧道施工方案，這對于推動(dòng)大跨度小凈距隧道的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。對于大跨度軟弱圍巖隧道，可以采用臺階法、預(yù)留核心土法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法等進(jìn)行施工[2?4]。我國地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[5]、公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[6]和日本盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[7]中都將分離式獨(dú)立隧道的最小間距規(guī)定為至少大于隧道跨徑或直徑的1倍，但對于小凈距隧道的間距，應(yīng)根據(jù)進(jìn)出口地質(zhì)、地形條件，結(jié)合使用要求，作出充分論證和比較研究后確定[5]。在國內(nèi)外均有隧道間距小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值而建設(shè)成功的先例，如新加坡高速公路系統(tǒng)采用四孔平行隧道穿越回填土和海相黏土沖積 層[7?8]；日本京都建成的4 條近間距施工的盾構(gòu)地鐵隧道，隧道最小間距為0.729 m[9?10]；王偉等[11]開展了上海越江隧道合理間距研究，結(jié)果顯示當(dāng)江中段的隧道間距為0.8(為隧道跨徑)時(shí)最合理；為0.7時(shí)則基本合理，但需采取較嚴(yán)格的施工控制措施以確保安全；當(dāng)取0.5時(shí)，則有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。本文以某高速公路淺埋、偏壓段大跨花崗巖殘積土小凈距隧道為研究對象，采用有限差分軟件分別建立雙側(cè)壁法、三臺階法和CRD法隧道開挖模型，并對3種工法的模擬開挖結(jié)果進(jìn)行對比分析，優(yōu)化超大跨度小凈距隧道施工方案；結(jié)合花崗巖殘積土小凈距隧道的偏壓特性，探討其合理間距，并與現(xiàn)場監(jiān)測成果對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證其合理性。

1 工程概況

1.1 隧址概況

該隧道位于珠江三角洲邊緣剝蝕低丘陵區(qū)，植被發(fā)育，相對高差約100 m。隧道洞口自地表往下分布依次有粉質(zhì)黏土()、花崗巖殘積土、全風(fēng)化花崗巖等地層。隧道洞口埋深20~35 m，地質(zhì)揭露洞口巖層為Ⅴ級圍巖，因該隧道跨度大，雙洞間距小，在開挖過程中極易造成圍巖失穩(wěn)甚至塌方。經(jīng)分析，該區(qū)域水質(zhì)對混凝土無腐蝕作用。

1.2 工法設(shè)計(jì)

受地形條件限制，該小凈距隧道雙洞凈間距設(shè)計(jì)為18~36 m，單洞跨度約21 m，開挖高度約11 m，斷面面積達(dá)240 m2。根據(jù)圍巖特性和地形條件，在隧道進(jìn)口段分別設(shè)計(jì)了三臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法3種工法進(jìn)行施工。圖1所示為3種工法施工工序示意圖。

(a) 三臺階開挖法，左洞；(b) 三臺階開挖法，右洞；(c) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，左洞；(d) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，右洞；(e) CRD法，左洞；(f) CRD法，右洞

2 不同施工工法模擬分析

2.1 模型的建立

根據(jù)圖1中3種工法的施工順序，采用有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值分析模型。模型水平方向?qū)挾扔伤淼劳膺吔缦騼蓚?cè)分別延伸50 m，拱頂以上到地表(埋深最淺者為20 m，最深者為35 m)，下部方向由仰拱底部向下延伸50 m，隧道單洞跨度21 m，兩隧道間距24 m，隧道縱向方向取20 m。

隧道洞口圍巖為花崗巖殘積土，基本屬于Ⅴ級圍巖。圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，圍巖超前支護(hù)按加固圍巖參數(shù)。噴射混凝土?鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量為15.0×109Pa，泊松比為0.30，厚度為20 cm；臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)彈性模量為1.0 GPa，泊松比為0.25；錨桿布置間距為1 m，錨桿長度為3 m，彈性模量為4.5×1010Pa，水泥漿加固外圏周長為2 m，水泥漿耦合黏聚力為1.0 MPa。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬計(jì)算結(jié)果分析

通過上述建模，模擬計(jì)算3種工法下圍巖主應(yīng)力場分布情況、隧道拱頂和地表沉降、圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況以及錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律，分析結(jié)果見表2。

表2 模擬計(jì)算結(jié)果

從表2可見：采用三臺階法雖然所得中間巖柱應(yīng)力集中較弱，但拱頂沉降、地表沉降最大，中間巖柱塑性區(qū)基本貫通，錨桿軸力也最大。采用CRD法時(shí)，雖然各項(xiàng)指標(biāo)大多比雙側(cè)壁法的小，但該工法工序繁多、復(fù)雜，工程進(jìn)度緩慢。綜合考慮多種因素，在加強(qiáng)支護(hù)的情況下，選擇雙側(cè)壁法作為偏壓淺埋、大跨花崗巖殘積土小凈距隧道施工工法。而此方法中塑性區(qū)主要集中在隧道的頂部、底部和中間巖柱左右兩側(cè)，因此，中間巖柱、拱頂和墻腳是小凈距隧道施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的部位[12]。以下研究不同偏壓情況下的最小合理間距。

3 偏壓小凈距隧道的最小合理間距

大跨度小凈距隧道的合理凈距應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、埋置深度等因素確定。隧道合理間距將有助于增強(qiáng)隧道周邊圍巖的穩(wěn)定性，保證隧道施工及運(yùn)營的安全以及經(jīng)濟(jì)上的合理性[13]。破壞范圍受偏壓角度影響，當(dāng)偏壓角度較小時(shí)，破裂范圍越小，破裂深度淺，塌落量??；反之，破裂范圍寬，深度深，塌落量大[14]。為了研究偏壓淺埋大跨隧道合理間距與隧道偏壓程度間的關(guān)系，引入偏壓率，=1+/0(式中：為地表坡度，為洞寬，0為埋深)，采用FLAC3D軟件研究分析不同偏壓率時(shí)的隧道最小合理間距。研究條件如下：

1) 要求隧道左洞埋深相同(埋深均為30 m)，分別建立1:7，1:5和1:3共3種坡度的隧道模型。

2) 模擬隧道圍巖級別為Ⅴ級(參數(shù)見表1)。

3) 噴錨支護(hù)條件下隧道中間巖柱塑性區(qū)貫通，視為隧道失穩(wěn)，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析。

4) 根據(jù)地表坡度與偏壓率的關(guān)系，分析偏壓率分別為1.09，1.13和1.22時(shí)能保證圍巖穩(wěn)定的中間巖柱寬度。

3.1 偏壓率為1.09時(shí)的隧道最小合理間距

當(dāng)偏壓率為1.09，間距分別為18，24，30和36 m時(shí)隧道噴錨支護(hù)開挖后的圍巖塑性區(qū)分布如圖2所示。其中：None表示無破壞單元；shear-n表示當(dāng)前剪切破壞單元；shear-p表示以前剪切破壞單元；tensin-p表示以前剪張拉破壞單元；tension-n表示當(dāng)前剪張拉破壞單元。由圖2可知：受偏壓影響，右洞圍巖塑性區(qū)范圍明顯比左洞的大，邊墻角和拱腰的塑性區(qū)發(fā)展嚴(yán)重。當(dāng)隧道間距為18 m時(shí)中間巖柱塑性區(qū)貫通，在其他3種情況下中間巖柱塑性區(qū)分離。根據(jù)貫通視為失穩(wěn)的準(zhǔn)則，可認(rèn)為當(dāng)偏壓率為1.09時(shí)，兩隧道最小合理間距為24 m。

間距/m：(a)18；(b)24；(c)30；(d) 36

3.2 偏壓率為1.13時(shí)的隧道最小合理間距

當(dāng)偏壓率為1.13時(shí)，4種情況下隧道噴錨支護(hù)開挖后圍巖塑性區(qū)分布如圖3所示。從圖3可見：兩洞的圍巖塑性區(qū)分布與偏壓率為1.09時(shí)的相似，但塑性區(qū)的范圍明顯增大，此時(shí)，兩隧道最小合理間距為24 m。

3.3 偏壓率為1.22時(shí)的隧道最小合理間距

當(dāng)偏壓率為1.22時(shí)，4 種間距情況下隧道噴錨支護(hù)開挖后圍巖塑性區(qū)分布如圖4所示。從圖4可見：與前2種偏壓情況相比，偏壓率為1.22時(shí)隧道右洞右側(cè)塑性區(qū)變形嚴(yán)重，可見偏壓越大，右側(cè)圍壓會隨之增大。當(dāng)隧道間距為18 m和24 m時(shí)，中間巖柱塑性區(qū)貫通(圖4(a)和4(b))；當(dāng)間距為30 m時(shí)，中間巖柱塑性區(qū)分離圖4(c)，可見兩隧道最小合理間距為30 m時(shí)才能確保圍巖穩(wěn)定。

間距/m：(a) 18；(b) 24；(c) 30；(d) 36

4 監(jiān)測結(jié)果分析與討論

該隧道的實(shí)際偏壓率為1.13，設(shè)計(jì)兩隧道的間距為24 m。為了確保該隧道洞口段的安全施工，除了噴錨支護(hù)外，還增設(shè)了I18鋼拱架，間距為0.5 m，中間巖柱采用加密錨桿和注漿進(jìn)行加固處置。隧道監(jiān)測為洞口Ⅴ級圍巖段，其他圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)與表1中的一致。

為了驗(yàn)證花崗巖殘積土小凈距隧道洞口段模擬計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)的合理性，在施工過程中對地表沉降、拱頂沉降、收斂位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測和分析。

4.1 位移監(jiān)測成果分析與討論

監(jiān)測點(diǎn)布置見圖5。淺埋偏壓小凈距隧道洞口K49+750斷面地表沉降監(jiān)測點(diǎn)為圖5中的點(diǎn)1，3，5，7和9，隧道拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)為點(diǎn)和。地表沉降觀測曲線見圖6。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)布置

1—測點(diǎn)1；2—測點(diǎn)3；3—測點(diǎn)5；4—測點(diǎn)7；5—測點(diǎn)9

從圖6可見：地表沉降發(fā)展過程比較緩慢，5個(gè)測點(diǎn)的沉降在2014?06?22后基本趨于穩(wěn)定，中間巖柱上方測點(diǎn)的沉降最大達(dá)到10 mm，這是左右動(dòng)開挖頻繁擾動(dòng)所致，建議在施工過程中加強(qiáng)對巖柱的保護(hù)和 加固。

拱頂沉降曲線見圖7。圖7中2個(gè)隧道拱頂沉降在2014?06?15左右趨于穩(wěn)定，最大值為12 mm左右，左洞拱頂沉降略大于右洞拱頂沉降。拱頂沉降主要發(fā)生在側(cè)壁上導(dǎo)坑開挖階段和拱頂開挖階段。

1—測點(diǎn)A；2—測點(diǎn)B

4.2 錨桿軸力監(jiān)測成果分析與討論

在淺埋偏壓小凈距隧道洞口K49+750斷面左右洞的拱腰均埋設(shè)3 m長的錨桿，每根測試錨桿分別設(shè)置3個(gè)錨桿應(yīng)變計(jì)。圖8所示為該斷面測試錨桿軸力分布圖。從圖8可見：該斷面錨桿軸力最大值發(fā)生在靠近中間巖柱一側(cè)，左洞錨桿軸力最大為14.32 kN,右洞最大為12.56 kN，比遠(yuǎn)離中間巖柱一側(cè)相應(yīng)位置的錨桿軸力大得多。這表明花崗巖殘積土小凈距隧道的中間巖柱為施工時(shí)受擾動(dòng)影響最大部位，需要重點(diǎn)加固上巖盤，同時(shí)兼顧加固中巖盤和下巖盤，確保中間巖柱穩(wěn)定。

圖中數(shù)據(jù)為軸力，單位為kN

(a) 左洞；(b) 右洞

圖8 錨桿軸力

Fig. 8 Axial forces of anchor

5 結(jié)論

1) 偏壓淺埋、大跨花崗巖殘積土小凈距隧道采用三臺階法施工，拱頂沉降和地表沉降最大，中間巖柱塑性區(qū)基本貫通，錨桿軸力也最大。采用CRD法所得各項(xiàng)指標(biāo)大多比雙側(cè)壁法的小，但工序繁多，復(fù)雜，擾動(dòng)大，在合理超前支護(hù)情況下采用雙側(cè)壁法施工較合適。

2) 引入偏壓率=1+/0，基于FLAC3D軟件模擬研究不同偏壓率時(shí)中間巖柱塑性分布規(guī)律，結(jié)果表明偏壓率=1.13時(shí)的隧道最小合理間距為24 m。

3) 隧道中間巖柱上方地表沉降最大，靠近巖柱兩側(cè)隧道支護(hù)錨桿軸力最大，在施工過程中塑性變形較嚴(yán)重。為確保巖柱穩(wěn)定和安全，需優(yōu)先加固巖柱的上巖盤，同時(shí)兼顧加固中巖盤和下巖盤。

[1] 龔建伍, 夏才初, 朱合華, 等. 鶴上大斷面小凈距隧道施工方案優(yōu)化分析[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(1): 236?240. GONG Jianwu, XIA Caichu, ZHU Hehua, et al. Optimal analysis of construction schemes for Heshang small-space tunnels with large section[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(1): 236?240.

[2] 陳秋南, 王勤榮, 謝小魚, 等. 扁坦超大斷面小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性狀[J]. 公路交通科技, 2012, 29(9): 89?94. CHEN Qiunan, WANG Qinrong, XIE Xiaoyu, et al. Mechanical characteristics of supporting structure for flat super-large section small spacing tunnels[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2012, 29(9): 89?94.

[3] 章慧健, 仇文革, 馮冀蒙. 小凈距隧道夾巖力學(xué)特征分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2010, 32(3): 434?439. ZHANG Huijian, QIU Wenge, FENG Jimeng. Mechanical performance of shared rock of neighborhood tunnels[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(3): 434?439.

[4] 安永林, 史勝利, 彭立敏, 等. 隧道淺埋軟弱圍巖段雙下側(cè)導(dǎo)坑施工性態(tài)[J]. 公路交通科技, 2009, 26(1): 114?119. AN Yonglin, SHI Shengli, PENG Limin, et al. Construction behavior of double down-side drifts in a weak tunnel with shallow cover[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2009, 26(1): 114?119.

[5] GB 50299—1999, 地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S]. GB 50299—1999, Code for construction and acceptance of metro engineering[S].

[6] JTG D70—2004, 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTG D70—2004, Code for design of road tunnel[S].

[7] 陳衛(wèi)軍, 朱忠隆. 近距離交疊隧道研究現(xiàn)狀及評析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2002, 39(1): 42?47.CHEN Weijun, ZHU Zhonglong. Current situation and analysis of short-distance overlap tunnel[J]. Modern Tunnelling Technique, 2002, 39(1): 42?47.

[8] Lo K W, Chong L K, Leung L F, et al. Field instrumentation of a multiple tunnels interaction problem[J]. Tunnels and Tunnelling, 1998, 18: 4?16.

[9] 日本土木工程師學(xué)會. 隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解說(2006年)[M]. 朱偉, 譯. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011: 209?214. Japan Society of Civil Engineers(JSCE). Japanese shield tunnel standard and comment[M]. ZHU Wei, transl. Beijing: China Architecture and Building Press, 2011: 209?214.

[10] Yamaguchi I, Yamazaki I, Kiritani Y. Study on ground-tunnel interactions of four shield tunnels driven in close proximity, in relation to design and construction of parallel shield tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1998, 13(3): 289?304.

[11] 王偉, 夏才初, 朱合華, 等.雙線盾構(gòu)越江隧道合理間距優(yōu)化與分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(增1): 3311?3316. WANG Wei, XIA Caichu, ZHU Hehua, et al. Optimization and analysis of reasonable distance of twin-tube river-crossing shield tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(Suppl 1): 3311?3316.

[12] 楊小禮, 眭志榮. 淺埋小凈距偏壓隧道施工工序的數(shù)值分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 38(4): 764?770. YANG Xiaoli, SUI Zhirong. Numerical simulation of construction sequence for shallow embedded bias tunnels with small clear distance[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2007, 38(4): 764?770.

[13] 王輝, 陳衛(wèi)忠, 陳培帥, 等. 淺埋大跨小凈距隧道斷面形態(tài)及合理間距的優(yōu)化研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(增2): 641?646. WANG Hui, CHEN Weizhong, CHEN Peishuai, et al. Study of section morphology and reasonable distance optimization of large-span twin tunnels with small clear spacing in shallow rock mass[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(Suppl 2): 641?646.

[14] 雷明鋒, 彭立敏, 施成華, 等. 淺埋偏壓隧道襯砌受力特征及破壞機(jī)制試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)), 2013, 44(8): 3316?3325. LEI Mingfeng, PENG Limin, SHI Chenghua, et al. Model research on failure mechanism and lining stress characteristics of shallow buried tunnel under unsymmetrical pressure[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(8): 3316?3325.

(編輯 陳燦華)

Reasonable distance for super-large section neighborhood tunnel of granite residual soil with shallow–buried bias

CHEN Qiunan1, ZHAO Leijun1, XIE Xiaoyu1, 2, HE Chengbin1, CAO Yunjiang1

(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. Hunan Road & Bridge Construction Group Corporation, Changsha 410004, China)

In order to discuss the relationship between reasonable spacing and degree of bias of granite residual soil shallow–buried bias tunnels with small spacing span, the bias ratio indexwas introduced. After the tunnel portal of bias neighborhood tunnel models were built for three kinds of slope gradient, i.e. 1:7, 1:5 and 1:3, the impact of granite residual soil surrounding rock tunnel construction methods optimization and different rates of biason the reasonable minimum spacing were discussed based on the software FLAC3D. The results show that the double side heading tunnel construction method is more suitable for bias of 1.13, and that the minimum reasonable distance of tunnel is 24 m, the middle pillar is the weakest part, the settlement of pillar above the group is the largest, the axial forces of the supporting bolt of both sides of the tunnel are the largest, and during the construction process the plasticdeformation of both sides near the pillar is also the biggest. The numerical simulation method is feasible and effective; therefore, the rock on the plate of rock pillar must be firstly consolidated during tunnel construction, and rock both in the middle and under the plate must be consolidated to ensure the stability of the middle rock pillars.

large-span tunnels with small clear spacing in shallow buried; reasonable spacing; granite residual soil; numerical simulation; optimization of construction method

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.042

U459.2

A

1672?7207(2015)09?3475?06

2014?10?25；

2014?12?19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41172275)；湖南交通科技創(chuàng)新項(xiàng)目(201229) (Project(41172275) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(201229) supported by Hunan Traffic Science and Technology Innovation Program)

陳秋南，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事巖土與隧道工程研究；E-mail: cqndoc@163.com