高速公路小凈距隧道施工技術研究

唐國軍，陳人豪，周　祥

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，廣西　南寧　530029)

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高速公路小凈距隧道施工技術研究

唐國軍，陳人豪，周祥

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，廣西南寧530029)

摘要：小凈距隧道左右洞間凈距小，施工中相互影響大，容易造成圍巖失穩(wěn)特別是中夾巖層的破壞。文章以桂林至三江高速公路第二合同段達海隧道為工程實例，通過二維數值模擬，分析了采用臺階法、環(huán)形開挖留核心土法、反CD法、CD法等四種施工方法進行小凈距隧道開挖時的圍巖位移、應力及塑性區(qū)特征，并結合現場監(jiān)控量測情況，提出了合理的設計和施工工藝。

關鍵詞：小凈距隧道；數值模擬；位移；應力；塑性區(qū)；監(jiān)控量測；施工

0引言

高速公路建設中頻繁遇到隧道工程，受特殊地質及地形條件、水文、橋隧銜接、路線線形等因素的限制，多采用小凈距隧道或連拱隧道等特殊結構型式。與連拱隧道造價高、工期長、養(yǎng)護費用高等缺點相比，小凈距隧道能較好地解決連拱隧道以上存在的問題，取得良好的技術經濟指標，具有顯著的經濟、社會、環(huán)境效益。劉艷青、鐘世航等[1]以寧波招寶山隧道為依托，對小凈距隧道進行

了數值模擬，分析了圍巖的應力和塑性區(qū)分布，并把計算結果與現場實際量測結果進行了對比；胡元芳[2]采用數值方法計算了不同圍巖級別、不同凈距下雙線隧道圍巖的破壞區(qū)、應力場分布情況，并對廈門仙岳山隧道進行了數值計算，并與現場量測結果進行了對比分析；張永興等[3]采用強度折減彈塑性有限元方法，計算了在不同凈距情況下隧道的安全系數，并將安全系數突變時的凈距作為合理凈距；晏啟群、何川等[4]采用三維快速有限差分法，對軟巖小凈距隧道進行開挖分析，提出合理的開挖方法及重點關注的薄弱環(huán)節(jié)、工程措施。目前國內對小凈距隧道的研究很多，取得了不少有益的結論，但由于我國小凈距隧道建設起步較晚，目前依然存在設計支護參數保守、缺乏施工工法等情況，因此有必要結合工程實際進行研究，以優(yōu)化設計和施工工法，提升我國小凈距隧道設計和施工水平。本文以桂林至三江高速第二合同段達海隧道為項目依托，通過有限元分析，對CD法、反CD法、環(huán)形開挖留核心土法、臺階法四種施工方法施工中隧道圍巖(特別是中夾巖層)的變形、應力、塑性區(qū)進行分析，結合現場施工情況，提出合理的設計和施工工藝。

1模型建立

本項目工程段以黏土、強風化砂巖為主，裂隙發(fā)育。根據現場實際情況，選取的計算模型尺寸為：120×82 m(寬×高)，隧道開挖洞徑B=13.6 m，洞高H=10.65 m，雙洞凈距7.49 m，隧道埋深20 m，屬于淺埋，如圖1所示。圍巖采用平面應變單元，噴射混凝土采用梁單元，錨桿采用植入式桁架。模型左右側面和底部約束，頂部為自由邊界。對比開挖方法的開挖順序見圖2，計算參數見表1。

表1　計算參數表

圖1　整體模型圖

圖2　開挖順序圖

2計算結果分析

通過數值模擬隧道開挖，可以得出CD法、反CD法、環(huán)形開挖留核心土法和臺階法四種施工方法進行開挖過程中引起圍巖應力、應變、位移的變化，從而可以得知哪種開挖方法對圍巖的擾動小，有利于圍巖穩(wěn)定。有了這樣的結論之后，就可以定性地判斷每一種開挖方法的優(yōu)劣性，并根據數值模擬的結果，找出應力、應變、位移大的地方，進行提前加固、及時支護，優(yōu)化設計。

2.1位移分析

從小凈距隧道單洞、雙洞開挖后的地表沉降曲線(如圖3、圖4所示)可以看出：左洞開挖造成地表沉降偏向于左側，且數值較?。浑S著開挖右洞后，地表沉降曲線逐步往右偏移，最終地表沉降最大值在中夾巖層中線位置出現，曲線與中夾巖層中線對稱分布。左洞開挖造成地表沉降較小，右洞開挖再次擾動圍巖，地表沉降就相應的增大很多。由地表沉降曲線可得，臺階法和環(huán)形開挖留核心土法開挖地表沉降最大，反CD法次之，CD法則能減少對圍巖擾動，更好地控制圍巖變形。由圖5小凈距隧道開挖各拱頂沉降曲線可知：左洞開挖對自身沉降影響大，對右洞圍巖也產生擾動，但擾動較小，故右洞拱頂這個階段沉降??；右洞開挖后自身沉降馬上增大，對左洞圍巖產生了再次擾動，左洞拱頂沉降隨著右洞開挖逐漸增大?？傮w上看四種施工方法開挖都是右洞拱頂沉降大于左洞的，這是由于左洞在右洞開挖前已經進行了及時支護，限制了圍巖變形；臺階法由于一次開挖跨度大，雖然對圍巖擾動次數少但其擾動強度大，所以臺階法開挖拱頂沉降大于其他三種開挖方法產生的沉降。圖6～9為四種施工方法左右洞開挖完成后，形成的豎向位移云圖，結合具體查詢數值可以從中得出以下結論：圍巖變形近似于對稱分布，右洞范圍圍巖變形數值稍微大一點；隧道拱頂沉降變形最大，底部隆起值最大；中夾巖層中上部變形比較大，需要進行加固處理。根據計算結果，得出中夾巖層在隧道左右洞開挖過程中橫向變形發(fā)生了左右移動，數值雖然不大，但應引起重視，由于篇幅有限，并未列出隧道的橫向位移云圖。綜上所述，可以得出在控制小凈距隧道開挖圍巖變形方面，CD法比反CD法、環(huán)形開挖留核心土法、臺階法更有優(yōu)勢，能夠控制圍巖變形。根據對小凈距隧道位移的計算結果，在進行小凈距隧道設計、施工時應做到：開挖進尺小，圍巖支護和仰拱施做要及時，封閉成環(huán)，限制圍巖變形；對中夾巖層中上部進行預加固。

圖3　左洞開挖后地表沉降曲線圖

圖4　雙洞開挖后地表沉降曲線圖

圖5　小凈距隧道開挖各拱頂沉降曲線圖

圖6　臺階法豎向位移云圖

圖7　環(huán)形開挖留核心土法法豎向位移云圖

圖8　反CD法豎向位移云圖

圖9　CD法豎向位移云圖

2.2應力分析

圖10～17分別是臺階法、環(huán)形開挖留核心土法、反CD法、CD法四種施工方法開挖下的最大、最小主應力，用來評價隧道施工開挖對圍巖的影響情況。從圖中可以看出，各施工方法開挖下的圍巖應力主要集中在拱頂和仰拱底部，左右洞拱頂、仰拱的主應力大致相同。臺階法、環(huán)形開挖留核心土法拱頂拉應力比較大，而反CD法、CD法拉應力主要集中在仰拱底部，總體上看是由于開挖模擬支護及時，各施工方法均未出現太大的應力集中區(qū)。從以往眾多小凈距隧道施工情況上看，會發(fā)現中夾巖層的穩(wěn)定至關重要，是整個施工過程中的重點，在此可重點關注一下中夾巖層的受力情況。從各施工方法的應力云圖中，中夾巖層位置顏色較深，再跟旁邊圖例對照可以發(fā)現中夾巖層中部壓應力比左右洞圍巖應力要大，其上部出現一定的拉應力。這是由于小凈距隧道左右洞開挖，兩次擾動中夾巖層，使其受力復雜。因此，在設計中應重點對中夾巖層進行加強支護設計；在施工中對Ⅴ級圍巖應以人工或機械開挖為主，輔以弱爆破開挖，并對中夾巖層進行預注漿、施做錨桿等措施進行加固，改善其受力狀態(tài)。CD法開挖擾動中夾巖層產生的應力比臺階法、環(huán)形開挖留核心土法、反CD法開挖產生的應力要小很多，體現了其在控制中夾巖層應力上的優(yōu)越性。

圖10　臺階法最大主應力云圖

圖11　環(huán)形開挖留核心土法最大主應力云圖

圖12　反CD法最大主應力云圖

圖13　CD法最大主應力云圖

圖14　臺階法最小主應力云圖

圖15　環(huán)形開挖留核心土法最小主應力云圖

圖16　反CD法最小主應力云圖

圖17　CD法最小主應力云圖

2.3塑性區(qū)分析

小凈距隧道開挖后，圍巖在空間上所受約束減少，這樣圍巖中某一斜截面上剪應力超過臨界值，就會在這個位置發(fā)生剪切破壞。根據隧道開挖后應力和塑性區(qū)的分布情況，可以定性判定圍巖的破壞機理[5]。對比臺階法單洞和雙洞開挖完塑性區(qū)(圖16、17)分布，可知單洞開挖完后塑性區(qū)已經有了一定的發(fā)展，主要集中在拱腰、拱腳位置，雙洞開挖完后左右洞塑性區(qū)分布位置大致相同，右洞范圍比左洞大一些。塑性區(qū)分布在拱腳、拱腰位置，主要是因為支護是分部進行的，開挖上臺階支護就跟到上臺階，圍巖應力就首先在拱腰位置集中；開挖下臺階支護施做以后，圍巖應力由初支傳遞到拱腳位置，形成應力集中。從圖18～21臺階法、環(huán)形開挖留核心土法、反CD法、CD法塑性區(qū)云圖中可知：臺階法開挖產生的塑性區(qū)范圍最大，塑性應變最大，中夾巖層塑性區(qū)范圍最大；環(huán)形開挖留核心土法與臺階法相比塑性區(qū)要小很多，這是由于核心土的存在，控制了塑性區(qū)的發(fā)展；CD法開挖產生的塑性區(qū)范圍最小，塑性應變最小，中夾巖層塑性區(qū)范圍最??；CD法開挖對圍巖擾動程度小，能保證圍巖穩(wěn)定。本次模擬的小凈距隧道中夾巖層厚度為7.49 m，四種施工方法開挖中夾巖層都沒有形成通透的塑性區(qū)，說明了必須保證有足夠的中夾巖層厚度，保證其穩(wěn)定，在厚度不足的情況時應加強預加固，防止中夾巖層發(fā)生破壞。因此，在設計中應在拱腰、拱腳位置對鋼拱架進行加強拱腳穩(wěn)定設計，對中夾巖層進行加固設計；施工中應嚴把施工質量，防止拱腳下沉和中夾巖層破壞。

圖18　臺階法塑性區(qū)云圖

圖19　環(huán)形開挖留核心土法塑性區(qū)云圖

圖20　反CD法塑性區(qū)云圖

圖21　CD法塑性區(qū)云圖

3工程應用

達海隧道為雙向四車道小凈距隧道，最小凈距為7.49 m，單洞跨度13.6 m，左右線長度為Z3K57+218～Z3K57+393，K57+217～K57+400，左洞長175 m，右洞長183 m。左右洞進出口各有一段長約50 m的Ⅴ級圍巖。按設計要求，采用CD法對洞口Ⅴ級圍巖段進行施工，施工中加強監(jiān)控量測，取進口左洞Z3K57+238、右洞K57+238附近斷面的地表及拱頂監(jiān)控量測數據見表2、表3，可知地表沉降、左洞拱頂沉降一開始發(fā)展很快，這是由于支護不及時，拱腳落腳不穩(wěn)，施工中根據監(jiān)控量測數據，及時增設鎖腳錨桿、拱腳注漿等加強拱腳措施，沉降很快得到控制；右洞開挖時支護及時，加強了拱腳措施，沉降變化不大。以往設計中采用預注漿和預應力對拉錨桿對中夾巖層進行加固，由于隧道空間不足，施工工藝要求高，施工設備不全等原因造成預應力對拉錨桿施工質量差，起不到應有的效果；本工程根據實際情況，優(yōu)化設計，采用中空注漿錨桿代替預應力對拉錨桿，施工中很好地保護了中夾巖層，安全、穩(wěn)定掘進。

表2　達海隧道進口端Z3K57+238～

表3　達海隧道進口端洞口Z3K57+238～K57+238

4結語

通過四種施工方法的計算分析表明：采用CD法進行小凈距隧道開挖有利于控制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定；建議在達海隧道Ⅴ級圍巖段施工中嚴格按CD法進行施工。根據數值模擬結果，小凈距隧道施工過程中要密切關注拱頂、拱腳位置的穩(wěn)定，加強拱腳；中夾巖層應力集中，塑性區(qū)范圍大，施工中應采用預注漿、施做中空注漿錨桿等方式進行加固，改善其受力狀態(tài)。對于洞口淺埋偏壓情況，施工中應控制進尺，及時支護，加強施工質量。在達海隧道Ⅴ級圍巖段施工中，以上建議及施工工藝均在施工中取得了良好的效果。

參考文獻

[1]劉艷青.小凈距并行隧道力學狀態(tài)的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2000(9)：590-594.

[2]胡元芳.小線間距城市雙線隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J].巖石力學與工程學報，2002，21(9)：1335-1338.

[3]張永興.基于強度折減法小凈距隧道合理凈距的研究[J].水文地質工程地質，2006(3)：64-67.

[4]晏啟祥.軟巖隧道施工特性及其動態(tài)力學行為研究.[J].巖石力學與工程學報，2006，25(3)：98-103.

[5]葛玉芹.六潛高速小凈距隧道施工方法及合理凈距的數值模擬研究[D].合肥工業(yè)大學，2008.

Study on Construction Technology of Expressway Small-interval Tunnel

TANG Guo-jun，CHEN Ren-hao，ZHOU Xiang

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：Small-interval tunnel has small spacing between left and right holes，with large mutual influence during the construction，which is likely to cause instability in the surrounding rocks especially the dam-age of middle rock-layer.Taking Dahai Tunnel in the second contract section of Guilin-Sanjiang Expre-ssway as engineering example，and through two-dimensional numerical simulation，this article analyzed the characteristics of surrounding rock displacement，stress and plastic zone during small-interval tunnel excavation by using four construction methods，i.e.step method，circular excavation method with reser-ving the center soil，anti-CD method，and CD method，and then combined with on-site monitoring measurement situation，it proposed the reasonable design and construction process.

Keywords：Small-interval tunnel；Numerical simulation；Displacement；Stress；Plastic zone；Monitoring measurement；Construction

收稿日期：2015-12-05

文章編號：1673-4874(2016)01-0041-07

中圖分類號：U455

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.010

作者簡介

唐國軍(1974—)，高級工程師，主要從事公路橋梁、隧道勘察設計科研工作；

陳人豪(1990—)，助理工程師，主要從事公路隧道勘察設計科研等相關工作；

周祥(1987—)，工程師，主要從事公路橋梁、隧道勘察設計研究工作。