陡坡偏壓小凈距隧道合理施工方法研究

李偉平, 鄧學(xué)斌，王薇，謝寶超，，鄒江海

(1. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006；2. 浙江金麗溫高速公路有限公司，浙江 杭州 310020；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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陡坡偏壓小凈距隧道合理施工方法研究

李偉平1, 鄧學(xué)斌2，王薇3，謝寶超1，3，鄒江海3

(1. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006；2. 浙江金麗溫高速公路有限公司，浙江 杭州 310020；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

摘要:為了確定陡坡偏壓條件下小凈距隧道的合理施工方法，結(jié)合工程實(shí)例，考慮單側(cè)壁導(dǎo)坑法與環(huán)形開挖留核心土法的3種不同組合下的施工方案，通過有限元軟件ABAQUS建立三維彈塑性分析模型，對V級(jí)圍巖陡坡偏壓條件下小凈距隧道的3種不同施工方案進(jìn)行施工全過程數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析隧道開挖對地表、圍巖等的擾動(dòng)效應(yīng)，包括地表位移、圍巖塑性區(qū)以及圍巖特征區(qū)域的位移，確定了單側(cè)壁導(dǎo)坑法為陡坡偏壓條件下小凈距隧道的合理施工方法，研究結(jié)果可為類似條件下陡坡偏壓小凈距隧道的設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：陡坡；偏壓；小凈距隧道；施工方法；ABAQUS

由于受地形、地質(zhì)條件限制以及隧道建設(shè)帶來的展線困難與占地多等因素的影響，工程上越來越多地選擇小凈距隧道的結(jié)構(gòu)形式[1]，目前，國內(nèi)外學(xué)者對小凈距公路隧道已進(jìn)行了相關(guān)的研究，Lo等[2-3]對于小凈距隧道施工過程中的受力模式及隧道之間的相互影響進(jìn)行了相應(yīng)的研究和探索；Mo[4]研究了爆破對小凈距隧道的影響；Tan[5]采用數(shù)值模擬的手段研究了小凈距隧道間距對地表位移和圍巖應(yīng)力的影響；何珺等[6]以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，分析了砂卵石地層小凈距隧道圍巖的應(yīng)力場特征和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布規(guī)律并揭示了其最終破壞形態(tài)；祁寒等[7]以數(shù)值模擬為手段，研究了在不同地層條件下淺埋偏壓小凈距隧道的施工力學(xué)效應(yīng)；近年來，國內(nèi)許多學(xué)者[8-17]也對小凈距隧道的施工方法與順序、施工力學(xué)狀態(tài)、施工相互影響等方面進(jìn)行了研究，逐步積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果，但研究對象基本集中在無地形偏壓或地形偏壓坡度不大于30°的情況，對大于30°陡坡偏壓情況下小凈距隧道的研究較少，研究成果也不多見，在如何選擇合理、最優(yōu)的施工方法來保證圍巖的穩(wěn)定性方面也存在很大的爭議，但實(shí)際工程應(yīng)用難以避免遇到陡坡偏壓的情形，特別是在建的杭新景高速、龍浦高速等由于地形復(fù)雜、選線難度大，出現(xiàn)了幾座陡坡偏壓的小凈距隧道，迫切需要通過相關(guān)研究降低其施工與運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。因此，本文擬通過數(shù)值模擬，并結(jié)合工程實(shí)例，對相同條件下陡坡偏壓小凈距隧道的3種不同施工方法進(jìn)行對比分析，研究陡坡偏壓條件下小凈距隧道的合理施工方法，為本工程施工提供指導(dǎo)，并為以后類似工程提供設(shè)計(jì)與施工方面的借鑒。

1工程概況

排頭隧道位于龍泉至浦城(浙閩界)高速公路工程LP04合同段，為雙洞單向行車雙車道小凈距隧道。左洞長280m，起迄樁號(hào)為ZK21+900～ZK22+180；右洞長267m，起迄樁號(hào)為：YK21+908～YK22+175。隧道建筑限界凈高5m，凈寬13.14m。龍泉端兩洞設(shè)計(jì)線最小間距22.40m，最小凈距9.86m；浦城端兩洞設(shè)計(jì)線最小間距18.68m，最小凈距6.14m，隧道按新奧法原理施工，采用復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，V級(jí)圍巖區(qū)段，先掘進(jìn)洞采用拱部留核心土弧形開挖，后掘進(jìn)洞采用側(cè)壁導(dǎo)坑開挖。隧道位于低山丘陵區(qū)，基巖主要為片麻巖，巖體破碎，構(gòu)造發(fā)育。隧道進(jìn)出洞口段均為V級(jí)圍巖進(jìn)出洞，隧道中部為IV級(jí)圍巖，偏壓較為嚴(yán)重，因此該隧道適合作為本研究的依托工程。

2數(shù)值模型與工況設(shè)計(jì)

2.1計(jì)算模型與參數(shù)

模型幾何尺寸的選取應(yīng)當(dāng)使邊界效應(yīng)的影響較小，通常情況下隧道以外的模型幾何尺寸為隧道直徑的4～5倍能滿足要求。該陡坡偏壓小凈距隧道數(shù)值模型為雙車道隧道，單洞開挖跨度13.14m，凈距8m，拱肩覆土厚度8m，地面坡度45°，模型縱向深度100m。在ABAQUS模型中，圍巖采用一階三維實(shí)體縮減積分六面體單元C3D8R，噴射混凝土板采用縮減積分四節(jié)點(diǎn)殼單元S4R，錨桿采用桿單元T3D2。噴射混凝土和圍巖黏結(jié)在一起，它們之間通過“Tie”約束建立相互作用，錨桿和圍巖之間建立“Embedded”約束。

邊界條件均取為位移約束,其中上部為自由邊界，左右為水平位移約束邊界,下部為豎直位移約束邊界[18]，整體及支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

(a)整體模型；(b)支護(hù)結(jié)構(gòu)圖1有限元計(jì)算模型Fig.1 Model of finite element calculation

數(shù)值模擬采用摩爾-庫倫強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則和相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，模型參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TD70—2010)給出的巖質(zhì)圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)選取，混凝土的材料模型采用混凝土塑性損傷模型，根據(jù)隧道中混凝土的工作狀態(tài)，本文只考慮塑性，不考慮損傷。初支混凝土材料彈性模型通過截面等效原則，將鋼拱架的彈性模量折算成混凝土的彈性模量計(jì)算：

(1)

其中：E為折算后初期支護(hù)的彈性模量；Ec為噴射混凝土彈性模量；Eg為鋼拱架彈性模量；Sc為噴射混凝土截面積；Sg為鋼拱架截面積；Lg為鋼拱架翼緣長；L為鋼拱架間距。

模型中錨桿的長度為3.5m，錨桿縱橫間距0.5m×1.0m，噴射混凝土厚度為0.25m。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料屬性見表1。

2.2工況設(shè)計(jì)

各施工工法橫斷面施工步流程圖以及開挖三維立體圖如表2。

表1　圍巖與結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

表2　施工方案

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1地表位移分析

對于陡坡淺埋偏壓小凈距隧道，地表位移是判斷圍巖與邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要標(biāo)志，地表位移控制往往是隧道建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，也是數(shù)值分析的重要指標(biāo)。

地表位移分析選取初始開挖斷面上方的地表測線D1，沿隧道開挖方向先行洞拱頂上方地表測線D2和沿隧道開挖方向后行洞拱頂上方地表測線D3，如圖2所示。

圖3為先行洞開挖80 m時(shí)不同施工方法D1沉降曲線。從圖4中可知，三種施工方法下的D1測線沉降規(guī)律基本一致，在沉降數(shù)值上三者的差異較為明顯，沉降值由大到小分別為環(huán)形開挖留核心土法(2.03 cm)、組合法(1.89 cm)、側(cè)壁導(dǎo)坑法(1.76 cm)，均發(fā)生在距淺埋側(cè)拱頂?shù)乇硗袏A巖柱中心線一側(cè)5 m處，即D2附近。

圖2地表測線示意圖Fig.2 Map of surface survey line

圖3先行洞開挖80 m時(shí)不同施工方法的D1沉降曲線Fig.3 D1 settlement curve of different construction methods in the first tunnel excavation of 80 m

從圖4～5可以看出，D3測線在距初始開挖斷面0～40m范圍內(nèi)，組合法與側(cè)壁導(dǎo)坑法曲線基本重合，沉降均遠(yuǎn)小于環(huán)形開挖留核心土法，在40～80m范圍內(nèi)，組合法沉降曲線開始偏離側(cè)壁導(dǎo)坑法沉降曲線并逐漸與環(huán)形開挖留核心土法曲線重合，兩者沉降值均大于側(cè)壁導(dǎo)坑法，D2測線的沉降規(guī)律與D3測線基本一致，不再贅述。同時(shí)從D2與D3的水平位移曲線圖可以看出，在洞口處D3測線的水平位移要遠(yuǎn)大于D2測線，隨著距洞口距離的加大，這種差距逐漸縮小，這也說明高邊坡處水平位移要大于低邊坡，高邊坡近洞口處的水平位移遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)洞口處，低邊坡處水平位移最大在距洞口40m處，即后行動(dòng)掌子面的位置，從同一測線的數(shù)值大小來講，依然是側(cè)壁導(dǎo)坑法小于其他2種方法，尤其是在遠(yuǎn)洞口處這種差異更加明顯。

圖4先行洞開挖80 m時(shí)D2與D3沉降曲線圖Fig.4 D2 and D3 settlement curve induced by the first tunnel excavation of 80m with differentconstruction methods

注：水平位移為正，表明水平位移方向向右。圖5先行洞開挖80 m時(shí)D2與D3水平位移曲線Fig.5 D2 and D3 horizontal displacement curve induced by the first tunnel excavation of 80m with differentconstruction methods

因此，從地表位移控制的角度來分析隧道開挖對地表的擾動(dòng)效應(yīng)，可知陡坡偏壓小凈距隧道施工采用側(cè)壁導(dǎo)坑法要優(yōu)于其它兩種方法，組合法次之。

3.2圍巖塑性區(qū)分析

在地下工程中，隧道的開挖勢必引起應(yīng)力的重分布，在應(yīng)力重分布過程中，局部區(qū)域由于發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，超過了其屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性屈服，通過不同開挖方法產(chǎn)生的圍巖塑性區(qū)能夠?qū)鷰r的受力性態(tài)和破壞機(jī)理進(jìn)行定性的比較和分析，3種施工方法開挖后圍巖的塑性區(qū)分布如圖6所示。

(a)環(huán)形開挖留核心土法；(b)組合法；(c)單側(cè)壁導(dǎo)坑法圖6不同施工方法下圍巖塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone of surrounding rock under different construction methods

由于山體的偏壓作用，無論采用哪種施工方案，圍巖塑性區(qū)均呈現(xiàn)不對稱分布，淺埋洞隧道外側(cè)受山體偏壓作用影響明顯。

在隧道開挖結(jié)束后，每一種開挖方法產(chǎn)生的塑性區(qū)的主要分布規(guī)律大體一致，主要集中在隧道深淺埋洞左、右墻腳，中夾巖柱底部以及淺埋洞外側(cè)區(qū)域。各工法產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)各自的特點(diǎn)，留核心土法與組合法均會(huì)在淺埋側(cè)隧道外側(cè)形成豎向和水平向延伸至地表的塑性區(qū)，而側(cè)壁導(dǎo)坑法只形成豎向延伸至地表的塑性區(qū)，分析原因?yàn)闇\埋側(cè)隧道埋深較淺，且內(nèi)側(cè)大于外側(cè)，由于留核心土法與組合法在淺埋側(cè)隧道開挖時(shí)的土體被大面積掏空，致使埋深較淺的上部圍巖具有整體下沉的趨勢，而出現(xiàn)貫穿地表的豎向塑性區(qū)，同時(shí)淺埋洞內(nèi)側(cè)由于埋深較深會(huì)約束其圍巖體的下沉趨勢，因此豎向塑性區(qū)只出現(xiàn)在淺埋側(cè)隧道的外側(cè)。在中夾巖柱底部區(qū)域，留核心土法與組合法也會(huì)形成比較明顯的塑性區(qū)相互貫通區(qū)域。從塑性區(qū)的產(chǎn)生范圍來看，在陡坡偏壓小凈距施工過程中，淺埋側(cè)隧道外側(cè)地表是施工監(jiān)控和圍巖穩(wěn)定性控制的重點(diǎn)。在施工中沒有嚴(yán)格監(jiān)控和按照規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工有可能使得該處的塑性區(qū)最終發(fā)展與地表貫通，導(dǎo)致發(fā)生地表較大沉降，甚至發(fā)生塌陷和滑坡，造成事故。從3種開挖方式產(chǎn)生的最大塑性應(yīng)變的數(shù)值來看，側(cè)壁導(dǎo)坑法為0.019 9，環(huán)形開挖留核心土法為0.024 1，組合法為0.019 6，環(huán)形開挖留核心土法要遠(yuǎn)大于其他2種方法。而組合法雖然在塑性區(qū)范圍上大于側(cè)壁導(dǎo)坑法，但塑性應(yīng)變最大值兩者差別不大。

采用側(cè)壁導(dǎo)坑法產(chǎn)生無論是塑性區(qū)范圍還是大小均小于另外2種，是因?yàn)閭?cè)壁導(dǎo)坑法施工先行開挖側(cè)導(dǎo)洞，減小隧道開挖跨度，同時(shí)采用中隔墻支護(hù)，且在初期支護(hù)成形之后才拆除，可以有效防止圍巖失穩(wěn)，圍巖相對不易屈服，而臺(tái)階法開挖時(shí)，由于開挖斷面較大，圍巖約束解除的比較快，不利于控制圍巖的變形，尤其是在軟弱圍巖地段，開挖上半部時(shí)，由于跨度大、矢跨比小，在上臺(tái)階的兩個(gè)下端會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，不利于承受外部荷載。在Ⅴ級(jí)圍巖條件下采用側(cè)壁導(dǎo)坑法和組合法可較好的控制圍巖變形和穩(wěn)定，而臺(tái)階法則相對最不利。

3.3圍巖特征點(diǎn)位移分析

特征點(diǎn)的位移是不同施工方法下圍巖變形中最直觀的表現(xiàn)，同時(shí)也是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。圍巖特征點(diǎn)的布置如圖7所示。

圖7圍巖特征點(diǎn)分布Fig.7 Distribution of surrounding rock feature points

提取初始開挖斷面各特征點(diǎn)在隧道開挖完成后的位移見圖8，水平位移負(fù)值表示水平位移向山體里側(cè)，正值表示水平位移向山體外側(cè)，豎向位移負(fù)值表示豎向位移向下即沉降，正直表示豎向位移向上。

由圖8可知，對于這幾種工法，各特征點(diǎn)的位移變化規(guī)律基本一致。在水平位移圖中，由于存在偏壓，使得水平位移有整體向外的趨勢，深埋隧道各計(jì)算點(diǎn)的水平位移中，側(cè)壁導(dǎo)坑法和組合法在深埋洞均為側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，所以水平位移基本一致，均小于留核心土法施工的情況。在淺埋側(cè)內(nèi)側(cè)各計(jì)算點(diǎn)(7，8和9)，組合法和留核心土法在此處均為環(huán)形開挖留核心土法施工，水平位移基本一致，均大于側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的情況。3種施工方法在中夾巖柱兩點(diǎn)(5和7)的水平位移接近一致，如圖中虛線所示，并沒有出現(xiàn)一般分離式隧道和小凈距隧道的圍巖向開挖隧道擠壓變形導(dǎo)致兩者水平位移方向相反的現(xiàn)象，這應(yīng)該是偏壓使中夾巖柱整體向外運(yùn)動(dòng)所致。3種施工方法在洞周產(chǎn)生的水平位移，側(cè)壁導(dǎo)坑法要明顯小于其他2種方法，說明在陡坡偏壓條件下，采用側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，能夠減小圍巖向外運(yùn)動(dòng)的趨勢。采用留核心土法施工產(chǎn)生的豎向位移明顯大于其他2種方法，為側(cè)壁導(dǎo)坑法的1.11～1.45倍，最大差距出現(xiàn)在點(diǎn)11，即淺埋側(cè)隧道外側(cè)拱腳處，為組合法的1.08～1.27倍，最大差距出現(xiàn)在點(diǎn)1即深埋側(cè)隧道內(nèi)側(cè)拱腳處，側(cè)壁導(dǎo)坑法與組合法施工在深埋側(cè)隧道接近一致，在淺埋側(cè)組合法稍大于側(cè)壁導(dǎo)坑法，這均說明采用側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，分多部開挖，使得每部開挖土體少，能顯著減小洞周圍巖的沉降。

(a)豎向位移；(b)水平位移圖8不同施工方法下各特征點(diǎn)的位移變化曲線Fig.8 Displacement variation curve of each feature point under different construction method

3.4拱頂上方位移分析

拱頂上方圍巖的位移能反映隧道開挖對周邊圍巖的擾動(dòng)特征，因此也可作為圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。拱頂上方測線布置及位移變化如圖9～11所示。

圖9拱頂上方測線布置Fig.9 Layout of the measuring line above the vault

(a)豎向位移；(b)水平位移圖10先行洞開挖80 m時(shí)S1測線位移曲線Fig.10 Displacement curve of S1 survery line induced by the first tunnel excavation of 80 m

(a)豎向位移；(b)水平位移圖11先行洞開挖80 m時(shí)S2測線位移曲線Fig.11 Displacement curve of S2 survery line induced by the first tunnel excavation of 80 m

從S1測線的位移曲線圖可知，無論采用何種施工方法，其位移的最終分布規(guī)律是一致的。對于豎向位移，在先行洞開挖到40m時(shí)，各施工方法的豎向位移曲線基本與水平軸平行，即各點(diǎn)的豎向位移接近一致，大概為4mm左右，此原因可分析為，S1測線的豎向位移是因?yàn)闇\埋洞的開挖，導(dǎo)致淺埋洞上部土體整體下沉并帶動(dòng)深埋側(cè)土體做向下的移動(dòng)，此時(shí)S1處由于下側(cè)隧道還沒有開挖所以土體整體性好，因此各點(diǎn)位移保持一致，當(dāng)先行洞開挖到80m時(shí)，S1測線在距離拱頂0～4m的范圍內(nèi)，豎向位移保持與水平軸平行，說明0～4m可能為拱頂處圍巖松動(dòng)圈的范圍，4m以后位移成近似直線變化，在地表處位移最小。3種施工方法中，留核心土法產(chǎn)生的豎向位移最大，接近18mm，另外兩種差別不大，約為16mm。對于水平位移，在先行洞開挖到40m時(shí)，3種施工方法在S1處產(chǎn)生的水平位移近似呈拋物線增長，拱頂處最小，地表處最大，3種施工方法中，側(cè)壁導(dǎo)坑法產(chǎn)生的水平位移最小，說明側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖淺埋側(cè)對深埋側(cè)土體的擾動(dòng)小于其他2種工法。

從S2測線的位移曲線圖可知，豎向位移的分布規(guī)律與S1基本一致，在此不再贅述。對于水平位移，在距離拱頂位置4m左右有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，向上位移越來越大，在地表處達(dá)到最大，向下也越來越大，在拱頂處達(dá)到最大，因此也進(jìn)一步支持，拱頂上方0～4m為拱頂上方松動(dòng)圈的范圍。在數(shù)值上，依然是側(cè)壁導(dǎo)坑法產(chǎn)生的水平位移小于其它兩種方法。

4結(jié)論

對于陡坡偏壓小凈距隧道，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，分部開挖，各部開挖土體較少，有效減輕了施工對圍巖的擾動(dòng)，表現(xiàn)在地表位移、洞周位移、圍巖內(nèi)部位移以及拱頂上方位移的控制方面，單側(cè)壁導(dǎo)坑法均優(yōu)于環(huán)型開挖留核心土法和組合法，同時(shí)單側(cè)壁導(dǎo)坑法與組合法相比較，這些指標(biāo)在深埋隧道一側(cè)接近一致，在淺埋側(cè)組合法稍大于側(cè)壁導(dǎo)坑法，但均能夠較好地保證陡坡偏壓小凈距隧道的圍巖。

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* 收稿日期：2015-11-16

基金項(xiàng)目：浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2013H04)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208525)

通訊作者：王薇(1969-)，女，湖南醴陵人，副教授，博士，從事隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析及長大隧道災(zāi)害防治研究； E-mail：wangweicsu@csu.edu.cn

中圖分類號(hào)：U452

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)06-1135-08

Research on reasonable construction method ofbias tunnels with small interval and steep slope

LI Weiping1, DENG Xuebing2, WANG Wei3, XIE Baochao1，3, ZOU Jianghai3

(1.ZhejiangProvinceInstituteofCommunicationsPlanning,DesignandResearch,Hangzhou310006,China;2.ZhejiangJinLiwenExpresswayCo.,Ltd,Hangzhou310020,China;3.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

Abstract:In order to determine the reasonable construction method of bias tunnels with small interval and steep slope, a engineering example is analysed, with the consideration of three different combination of the construction scheme of slide drift method, ABAQUS is used to establish the model of 3D elasto plastic analysis. Three construction methods of interval tunnel is simulated under the condition of V-grade rock and biased slope. The effect of tunnel excavation disturbance on the surface and the surrounding rock is analysed, including surrounding rock surface displacement, plastic zone and displacement of surrounding rock characteristic region. The single side drift method is a reasonable construction method of steep slope bias conditions of small interval tunnel. The results can provide the reference for the design and construction under similar conditions of bias tunnels with small interval and steep slope.

Key words:steep slope；bias；small interval tunnel；construction method；ABAQUS