非對稱結(jié)構(gòu)偏壓小凈距隧道施工工法數(shù)值分析

苗 天

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計院，河南 鄭州 450001)

非對稱結(jié)構(gòu)偏壓小凈距隧道施工工法數(shù)值分析

苗 天

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計院，河南 鄭州 450001)

對非對稱結(jié)構(gòu)偏壓小凈距隧道采用三臺階法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，分左洞先行和右洞先行兩種情況共6種工法進(jìn)行數(shù)值模擬。對比6種工法下洞周位移、中間巖柱水平位移和應(yīng)力、地表位移及初襯軸力的變化。

小凈距；非對稱結(jié)構(gòu)；偏壓隧道；數(shù)值模擬；中間巖柱

1 有限元模型的建立

本文研究的隧道為某在建小凈距隧道，圍巖級別分布為Ⅲ～Ⅴ級，以Ⅴ級為主。隧道左洞為三車道，最大開挖寬度17.7 m，最大開挖高度11.65 m；右洞為兩車道，最大開挖寬度13.2 m，最大開挖高度10.55 m。隧道埋深20 m，偏壓角度30°。

為減小邊界效應(yīng)的影響，模型上邊界至地表自由面，左右邊界距開挖面距離約4～5倍隧道跨度，下邊界至洞底距離約4～5倍洞高。左右邊界為x方向水平約束，下邊界為y方向豎向約束。圍巖為Ⅴ級圍巖，采用彈塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，單元為PE4平面應(yīng)變單元；初襯采用B21單元，錨桿采用T2D2單元，均為線彈性模型；注漿加固采用提高加固區(qū)圍巖材料力學(xué)參數(shù)的方式模擬。隧道計算模型如圖1，有限元模型基本材料參數(shù)見表1。

表1 有限元模型基本材料參數(shù)

2 隧道開挖計算方案

本文主要研究三種開挖方法：三臺階法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，分左洞先行和右洞先行兩種情況，對6種不同工法進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析。各工法施工工序和編號如圖2所示。

圖1 隧道計算模型

圖2 各工法施工步序和編號示意圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 洞周位移分析

根據(jù)分析結(jié)果，將隧道洞周各關(guān)鍵點(diǎn)(如圖3)最終位移值列于表2中，其中關(guān)鍵點(diǎn)3、6、9、12取y方向位移，其余各點(diǎn)取x方向位移。

圖3 模型關(guān)鍵點(diǎn)位置示意圖

工法位移/mm123456789101112工法1-A-2.7-7.1-17.0-9.6-10.55.44.9-7.6-19.2-6.2-9.56.7工法1-B-0.3-6.0-18.8-7.8-7.75.23.8-4.0-16.8-5.7-7.45.7工法2-A-4.5-5.8-12.6-9.3-8.34.91.0-5.9-15.1-7.0-3.65.8工法2-B-3.4-5.0-12.8-8.5-4.24.90.5-2.0-13.5-6.4-3.55.5工法3-A-3.8-4.7-10.5-8.6-5.54.81.2-2.2-13.4-8.7-6.25.7工法3-B-3.2-4.2-10.1-8.2-3.34.71.5-1.6-12.3-7.6-5.25.4

(1)開挖方法分析

由表2可知，無論是左洞先行還是右洞先行，工法1的左洞拱頂(點(diǎn)3)和右洞拱頂(點(diǎn)9)最終沉降值均為最大，工法2次之，工法3最小。其中左洞先行時，工法1的左、右洞拱頂最終沉降分別比工法3大61.0%和43.1%，比工法2大34.7%和27.9%；右洞先行時，工法1的左、右洞拱頂最終沉降分別比工法3大85.6%和37.2%，比工法2大45.9%和24.6%。對比其他關(guān)鍵點(diǎn)的位移可知，大部分關(guān)鍵點(diǎn)的位移也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。其中采用不同工法時，底板均為向上隆起，左洞隆起位移值稍大于右洞，但差別不大。結(jié)果表明：采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對控制圍巖變形最為有利，CRD法次之，三臺階法最為不利。另外，關(guān)鍵點(diǎn)1、2、8的位移均為向洞外位移，而與一般地表水平的隧道不同，且關(guān)鍵點(diǎn)4、5、10、11(左、右洞埋深較大的一側(cè))均有向淺埋側(cè)較大的位移，這都應(yīng)是偏壓所致。

(2)開挖順序分析

從表2還可看出，除工法1-B外，各工法的拱頂最終沉降均為右洞大于左洞。這應(yīng)與埋深有關(guān)：右洞位于深埋側(cè)，左洞位于淺埋側(cè)，故深埋一側(cè)的拱頂沉降稍大于淺埋一側(cè)。也應(yīng)看出，對工法1-B，左洞拱頂最終沉降大于右洞，這是由于左洞斷面比右洞大，且為扁平斷面。因此當(dāng)右洞先行時，左洞扁平大斷面的影響大于埋深的影響。而工法2和工法3由于有中間臨時支撐的“分割作用”，削弱了扁平大斷面的影響，仍是埋深起主導(dǎo)作用。由此可知，在大斷面隧道開挖時，尤其在軟弱圍巖條件下，合理的分部開挖對控制圍巖變形是至關(guān)重要的，應(yīng)特別注意防止拱部一次開挖較大跨度，并應(yīng)加強(qiáng)對扁平大斷面隧道的支護(hù)。

3.2 中間巖柱水平位移分析

圖3為各工法在先行洞開挖完成后和雙洞開挖完成后，中間巖柱豎直中心線的水平位移變化曲線。首先易看出，由于偏壓作用，隧道底部以上的巖柱位移均指向淺埋側(cè)，底部以下一定距離內(nèi)的巖柱位移指向深埋側(cè)，呈以隧道底部位置為軸心的“轉(zhuǎn)動”趨勢。因此，中間巖柱的位移是整體性的，一旦發(fā)生破壞也將是整體性的，必須加強(qiáng)防范。

從中間巖柱最終位移最大值來看，采用工法3時最小，工法2次之，工法1最大。對同一開挖方法，無論左洞先行還是右洞先行，巖柱的最終位移均比較接近。但先開挖右洞時，中間巖柱的水平位移最終值相較于其中間值(先行洞開挖后)的變化要比先開挖左洞大的多。這表明先開挖右洞時，后行洞的開挖對中間巖柱的擾動較大。這也符合偏壓的規(guī)律：在偏壓的作用下，當(dāng)右洞(深埋側(cè))開挖后，再開挖左洞時，由于卸載作用，就會造成中間巖柱向淺埋側(cè)較大位移；而先開挖左洞(淺埋側(cè))時，中間巖柱已完成了一部分變形，處于暫時平衡狀態(tài)，故再開挖右洞時，雖仍有偏壓作用，但右洞本身的卸載會抵消一部分，加之左洞較強(qiáng)的支護(hù)，就能大大減小對巖柱二次擾動。因此，對于偏壓小凈距隧道，先開挖淺埋側(cè)可減小對巖柱的二次擾動，但應(yīng)注意保證扁平大斷面的左洞支護(hù)質(zhì)量。

圖4 中間巖柱豎直中心線水平位移變化曲線

3.3 地表位移分析

地表關(guān)鍵點(diǎn)A、B、C三點(diǎn)的最終位移值見表3。由表3可知，各工法A、B、C三點(diǎn)的水平位移呈遞增的趨勢，而B點(diǎn)的豎向位移最大，呈“凹槽”狀，這應(yīng)與左右洞及時施作了初期支護(hù)限制了圍巖變形有關(guān)。對同一開挖方法，先開挖左洞和先開挖右洞時的地表位移相差不大。總的來看，采用工法3時，地表各點(diǎn)的位移均為最小，工法2次之，工法1最大。另外，A、B、C三點(diǎn)的水平位移均為負(fù)，即有向淺埋側(cè)滑動的趨勢。這在研究中得到驗證，即當(dāng)偏壓角度較大時，隧道上方地表會出現(xiàn)整體向淺埋側(cè)滑動的趨勢。因此，針對本文研究的隧道，應(yīng)注意保護(hù)好地表植被，地表植被稀疏時，應(yīng)采用注漿、錨噴等方式加強(qiáng)防護(hù)，防止滑坡發(fā)生。

表3 地表關(guān)鍵點(diǎn)最終位移值

3.4 中間巖柱應(yīng)力分析

表4為中間巖柱左側(cè)5點(diǎn)、中心M點(diǎn)和右側(cè)7點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)力值。對于工法1和工法2，無論左洞先行還是右洞先行，中間巖柱最大和最小主應(yīng)力均為中心M點(diǎn)最大，而巖柱兩側(cè)點(diǎn)5和點(diǎn)7的最大和最小主應(yīng)力均為先行洞側(cè)最大；但從數(shù)值上看，采用工法2時，點(diǎn)5和點(diǎn)7的主應(yīng)力差值相對較小。而對于工法3，無論左洞先行還是右洞先行，中間巖柱最大和最小主應(yīng)力均為右側(cè)最大，中心次之，左側(cè)最小，且三點(diǎn)的數(shù)值差別不大。這說明采用工法3有效地抑制了偏壓的作用。對于巖柱中心M點(diǎn)，其最大和最小主應(yīng)力均為工法1最大，工法2次之，工法3最小。對同一開挖方法，先開挖左洞時M點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)力均大于右洞，但差別不大。

表4 中間巖柱關(guān)鍵點(diǎn)主應(yīng)力

注：上表中應(yīng)力以受壓為負(fù)

3.5 初襯內(nèi)力分析

(1)對不同的開挖方法，先行洞大多數(shù)關(guān)鍵點(diǎn)處的初襯軸力大于后行洞對應(yīng)點(diǎn)，但左洞先行時左右洞初襯軸力的最大差值較右洞先行時大；(2)左洞先行時，各工法左洞的初襯軸力從左拱腳到右拱腳分布比較均勻，而右洞的初襯軸力，工法1集中在拱頂附近，工法2集中在拱頂偏右和右側(cè)邊墻，工法3集中在左右側(cè)邊墻；(3)右洞先行時，各工法的右洞初襯各點(diǎn)軸力均為中間巖柱側(cè)最大，而左洞的初襯軸力，各工法的數(shù)值均較小，但工法1集中于拱頂，工法2和工法3分布比較均勻；(4)無論左洞先行還是右洞先行時，采工法3時，左右洞初襯左右邊墻處的軸力最大，工法2次之，工法1最小，而拱頂處的軸力呈相反的規(guī)律。這與工法1拱部最先成型，拱部初襯最先施作，而工法3邊墻最先成型，邊墻初襯最先施作有關(guān)。

總的來看，采用工法3時，初襯拱頂處軸力最小，利于保證拱部的穩(wěn)定；先開挖左洞時兩洞初襯軸力分布要比先開挖右洞均勻，有利于使初襯更好地整體受力。

4 結(jié) 論

(1)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對控制圍巖變形、巖柱應(yīng)力和初襯軸力，減小對中間巖柱的擾動和偏壓作用的影響最為有利，CRD法次之，三臺階法最為不利；

(2)先開挖深埋側(cè)隧道對中間巖柱的擾動較大，在施工中應(yīng)先開挖淺埋側(cè)；

(3)對扁平大斷面隧道應(yīng)采用分部開挖方法施工，避免拱部一次開挖過大跨度；

(4)對偏壓角度較大的小凈距隧道，地表有較明顯的下滑趨勢，應(yīng)注意加強(qiáng)坡面防護(hù)；

(5)非對稱結(jié)構(gòu)偏壓小凈距隧道安全施工的關(guān)鍵是保證中間巖柱和大斷面隧道的穩(wěn)定，在施工中應(yīng)盡量較小對中間巖柱的擾動，加強(qiáng)對中間巖柱和扁平大斷面隧道的支護(hù)。

[1] 肖明清.小間距淺埋隧道圍巖壓力的探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，41(3)：7-10.

[2] 舒志樂，劉保縣，李月.偏壓小凈距隧道圍巖壓力分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2007，3(3)：430-433.

[3] 龔建伍，夏才初，雷學(xué)文.淺埋小凈距隧道圍巖壓力計算與監(jiān)測分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(增2)：4139-4145.

Numerical Simulation of Construction Method for Bias Tunnels with Asymmetric Structure and Small Clear Distance

MIAO Tian

(Zhengzhou Design Institute , China Railway Engineering Consultanting Group Co.,Ltd, Zhengzhou 450001,China)

According to the excavation sequence of right and left tunnels， the numerical simulation of six construction methods is conducted for bias tunnels with asymmetric structural and small clear distance，including the method of three bench method，CRD method and double side excavation approach. The change law of displacement， stress and axial force of the middle rock pillar and first lining is analyzed through mutual comparison with six different construction methods.

small clear distance；asymmetric structure；bias tunnel；numerical simulation；middle rock pillar

2016-11-08

U455

C

1008-3383(2017)03-0161-02