小凈距隧道三維動(dòng)態(tài)施工分析

王春玲(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

?

小凈距隧道三維動(dòng)態(tài)施工分析

王春玲
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

結(jié)合湖北宜巴高速公路峽口隧道的施工，利用FLAC-3D軟件對(duì)小凈距隧道施工過程進(jìn)行三維彈塑性模擬計(jì)算，重點(diǎn)分析采用臺(tái)階法和中導(dǎo)洞超前法施工時(shí)左右洞掌子面的距離對(duì)隧道圍巖和支護(hù)的力學(xué)影響；得到了在掌子面掘進(jìn)過程中，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形隨縱向開挖進(jìn)尺的變化規(guī)律，對(duì)小凈距隧道在縱向影響因素作用下的施工力學(xué)特征有了初步認(rèn)識(shí)，可為類似工程提供有益參考。

小凈距隧道；數(shù)值模擬；力學(xué)特征；掌子面

0 引 言

小凈距隧道的相互作用屬于空間行為，縱向上的分部開挖順序、支護(hù)等因素對(duì)其施工特性有較大影響[1-5]。本文對(duì)峽口隧道進(jìn)口段小凈距隧道原型進(jìn)行三維彈塑性施工模擬，探求縱向影響因素作用下的施工力學(xué)特征；針對(duì)左右洞掌子面距離和開挖施工方法，分析掌子面掘進(jìn)過程中圍巖和支護(hù)體系的受力及變形反應(yīng)。

1 工程概況

宜昌至巴東高速公路峽口隧道是一座上行、下行分離的四車道高速公路，圍巖以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主，隧道左右線間距在進(jìn)口外約16 m，到洞身逐漸過渡51 m。隧道進(jìn)口段洞身圍巖為寒武系中風(fēng)化白云巖，呈薄層至中厚狀，巖體較破碎，雨季洞室潮濕，多呈點(diǎn)滴狀滲水，局部有線狀滲水現(xiàn)象。施工方法為二臺(tái)階開挖法，上下臺(tái)階間距約30 m，距出口10 m處采用小導(dǎo)洞超前出洞的開挖方法。

2 計(jì)算模型和計(jì)算工況的確定

三維數(shù)值模擬采用FLAC-3D的有限差分程序以及理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其屈服準(zhǔn)則為D-P 準(zhǔn)則，初始應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng)[6-8]。以峽口隧道樁號(hào)ZK104+234作為分析原型斷面：隧道開挖洞徑B=12.48 m，洞高H=10.28 m，兩洞凈距為16 m，左右洞拱頂至地表均為20 m。模型兩側(cè)及隧道下方圍巖選取3倍洞[9-10]，其中X方向長103.36 m，Y方向高67.72 m，縱向計(jì)算長度取80 m。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 三維網(wǎng)格劃分

定義隧道橫斷面水平方向?yàn)閄軸，隧道橫斷面豎向?yàn)閆軸，隧道縱向?yàn)閅軸。前后左右限制水平位移，底面設(shè)置固定約束，頂面邊界為自由邊界[11-12]。開挖模擬以2 m為一循環(huán)進(jìn)尺，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)滯后一個(gè)施工步施作，二襯作為安全儲(chǔ)備不考慮受力。超前支護(hù)及錨桿采用等效原則進(jìn)行模擬[13-14]。圍巖、加固區(qū)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬材料物理力學(xué)參數(shù)

本文選取上下臺(tái)階法和小導(dǎo)洞超前法進(jìn)行研究，施工工序見圖2、3，分別取掌子面之間的距離為0、40 m(3.2B)、80 m(6.4B)，共6種工況，其中左洞先行開挖，右洞后行，2種施工方法臺(tái)階長度均取20 m。

3 左右洞掌子面距離的影響

小凈距隧道施工中，兩洞掌子面之間距離的大小對(duì)隧道支護(hù)及圍巖的穩(wěn)定性有較大影響。為保證施工安全及施工進(jìn)度，在不同的地質(zhì)及圍巖條件下進(jìn)行隧道開挖掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)合理確定兩洞掌子面之間的距離。

通過對(duì)臺(tái)階法開挖時(shí)(左洞先行開挖)掌子面左右錯(cuò)開0、40、80 m三種工況下的各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，得到掌子面距離對(duì)施工力學(xué)所產(chǎn)生的影響。

3.1 地表沉降

為減少邊界效應(yīng)，取40 m橫斷面處的地表為研究對(duì)象，圖4為采用臺(tái)階法且掌子面錯(cuò)開40 m開挖時(shí)地表沉降的具體分布，曲線呈W形，右洞拱頂處地表沉降為2.632 mm，左洞拱頂處地表沉降為2.606 mm，右洞沉降值較左洞大。

圖4 臺(tái)階法40 m處斷面橫向地表沉降曲線

分析以上沉降規(guī)律得出：在左洞先行開挖階段，左洞周圍圍巖產(chǎn)生相應(yīng)變形，右洞未開挖處受左洞開挖影響也產(chǎn)生變形及圍巖松動(dòng)，惡化了圍巖條件；待右洞開挖至此時(shí)，產(chǎn)生的圍巖變形較左洞大，同時(shí)由于左洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)施做完畢，可以較好地抵御由右洞開挖帶來的次帶變形，所以右洞所產(chǎn)生的沉降值較左洞大。

圖5 左洞開挖至40 m處左洞縱向地表沉降曲線

圖5為左洞開挖40 m后頂部縱向地表沉降曲線。從圖5可以看出，在掌子面后方30～40 m之外地段的地表沉降值已基本達(dá)到穩(wěn)定，前方隧道開挖對(duì)其不再產(chǎn)生影響，開挖對(duì)掌子面前方圍巖的影響范圍也限定在20 m之內(nèi)，20 m之外的位置幾乎不產(chǎn)生地表沉降。

從表2及圖6可以看出，左洞拱頂左側(cè)位置處地表沉降隨著左右洞掌子面距離的增大而減小。

表2 地表沉降值對(duì)比 mm

圖6 40 m斷面處地表沉降對(duì)比

3.2 拱頂下沉

圖7為40 m斷面處左洞拱頂在掌子面錯(cuò)開0、40、80 m三個(gè)工況下的拱頂下沉值隨開挖步的變化曲線。由圖7可知，拱頂沉降的最大變化值發(fā)生在斷面上臺(tái)階開挖時(shí)，此階段產(chǎn)生的位移值占最大位移值的71%左右，下臺(tái)階對(duì)其產(chǎn)生的作用相對(duì)較小。不同掌子面距離下，其最大位移值相差不大，僅同步開挖時(shí)略大，可見左右洞掌子面距離的變化對(duì)隧道拱頂?shù)某两涤绊懖淮蟆?/p>

3.3 仰拱隆起

圖8為40 m斷面處左洞在掌子面錯(cuò)開0、40、80 m三個(gè)工況下的仰拱隆起值隨開挖步的變化曲線。由圖8可知，仰拱位移在上下臺(tái)階開挖階段均有較大隆起產(chǎn)生，上臺(tái)階開挖使其產(chǎn)生的隆起值占最大位移值的69%，下臺(tái)階開挖完成后隆起值基本穩(wěn)定，后期無明顯位移。對(duì)比3條曲線可見，不同掌子面間距下，其最大位移值相差不大。

3.4 水平收斂

圖9為40 m斷面處左洞拱頂在掌子面錯(cuò)開0、40、80 m三個(gè)工況下的拱腰收斂值隨開挖步的變化曲線。由圖9可知，拱腰收斂的最大變化值發(fā)生在開挖20～30 步之間，上臺(tái)階收斂值約占最大收斂值的26%左右，其余是由下臺(tái)階開挖引起。

圖9 40 m斷面處左洞水平收斂對(duì)比

表3是左右洞掌子面錯(cuò)開不同距離時(shí)左右洞拱腰的水平收斂情況?？梢钥闯?，左右洞的總體橫向收斂值均隨左右洞掌子面距離的增大而減小。

3.5 初次支護(hù)內(nèi)力

圖10、11為模擬施工結(jié)束時(shí)左右洞初次支護(hù)結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布云圖，可見左右隧道在拱頂及仰拱位置承受較大的拉應(yīng)力，其他部位以受壓為主，其中兩側(cè)拱腰位置所受壓應(yīng)力最大。

表3 水平收斂值對(duì)比

為減小邊界效應(yīng)，取模型縱向中部38～40 m范圍的支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)比臺(tái)階法3種工況下的主應(yīng)力分布情況。圖12～15為臺(tái)階法掌子面錯(cuò)開40 m時(shí)隧道的應(yīng)力云圖，其余見表4、5。

圖12 左隧道第一主應(yīng)力云圖

由表4、5可知：支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值隨著左右洞掌子面錯(cuò)開距離的增大而減??；距離為0、40 m兩種情況時(shí)最大拉應(yīng)力差值為0.233 MPa，距離為40、80 m兩種情況時(shí)最大拉應(yīng)力差值為0.004 MPa；距離為0、40 m兩種情況時(shí)最大壓應(yīng)力差值為0.226 MPa，距離為40、80 m兩種情況時(shí)最大壓應(yīng)力差值為0.007 MPa。比較支護(hù)應(yīng)力變化情況，0～40 m之間的左右洞掌子面距離所引起的應(yīng)力值變化較為明顯，40～80 m之間則應(yīng)力變化較小，可見本工程選用左右掌子面距離為40 m較合理。

表4 38～40 m支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力對(duì)比 MPa

表5 38～40 m支護(hù)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力對(duì)比 MPa

4 臺(tái)階法與導(dǎo)洞法的對(duì)比分析

研究上下臺(tái)階法和小導(dǎo)洞超前法2種施工方法，分別取掌子面之間距離為0、40(3.2B)、80 m(6.4B)，共6種工況。2種施工方法臺(tái)階長度均取20 m。為減少邊界效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果選取40 m斷面為參考斷面。

4.1 地表沉降

圖16～18為掌子面錯(cuò)開40 m時(shí)40 m斷面處2種開挖方法下的橫向斷面地表沉降對(duì)比曲線?？芍?，采用臺(tái)階法施工的地表沉降值大于中導(dǎo)洞法施工的沉降值，所以對(duì)于地表沉降有要求的地段不宜采用中導(dǎo)洞法施工。

4.2 洞周收斂變形

表6為40 m斷面右洞洞周收斂各主要位移對(duì)比。由表6可見，在拱頂下沉、水平收斂和仰拱隆起方面，導(dǎo)洞法產(chǎn)生的位移均比臺(tái)階法大。

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

以模型縱向中部38～40 m的支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)比臺(tái)階法和中導(dǎo)洞法6種工況下的主應(yīng)力分布情況，見表7、8。

由表7、8可見，采用導(dǎo)洞法施工的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值均小于臺(tái)階法，因此采用導(dǎo)洞法施工對(duì)于改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力有利。由于中導(dǎo)洞超前對(duì)前方圍巖的應(yīng)力和位移均產(chǎn)生了一定的釋放作用，因此中導(dǎo)洞工法圍巖和支護(hù)的各項(xiàng)位移指標(biāo)均大于臺(tái)階工法，這對(duì)于較差的圍巖或有沉降要求的隧道不利，應(yīng)優(yōu)先考慮臺(tái)階法或CD、CRD法；反之對(duì)于圍巖情況較好或沒有特殊要求的山嶺隧道而言，小導(dǎo)洞法能夠超前釋放一部分應(yīng)力，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，尤其對(duì)采用爆破施工的隧道，可以起到掏槽增加臨空面的作用，增加光面爆破效果，減少裝藥量，減小爆破振動(dòng)。本文依托的工程洞外山體陡峭，危石較多，洞口下方有橋梁挖孔樁施工和水電站辦公樓等干擾，因此適宜采用中導(dǎo)洞超前的施工方法。

表6 右洞洞周收斂對(duì)比 mm

表7 38～40 m支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力對(duì)比 MPa

表8 38～40 m支護(hù)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力對(duì)比 MPa

5 結(jié) 語

(1)掌子面距離是決定小凈距隧道相互影響的重要因素，掌子面距離不同則隧道圍巖壓力的分布不同，增大掌子面距離可以減小兩洞室對(duì)彼此周邊圍巖擾動(dòng)效應(yīng)的疊加。

(2)掌子面距離變化引起的隧洞受力變化為：右洞的沉降大于左洞的沉降；隨著掌子面距離的增大，地表沉降減小；掌子面距離對(duì)洞周的拱頂下沉和仰拱隆起影響不大，主要影響橫向收斂位移，即隨著距離的增大，橫向收斂值減小。

(3)超前中導(dǎo)洞法對(duì)前方圍巖的應(yīng)力和位移均產(chǎn)生了一定的釋放作用，因此其支護(hù)的各項(xiàng)位移指標(biāo)均大于臺(tái)階工法，這對(duì)于較差的圍巖或有沉降要求的隧道不利，因此這種情況下應(yīng)優(yōu)先考慮臺(tái)階法或CD、CRD法；反之對(duì)于圍巖情況較好或沒有特殊要求的山嶺隧道，小導(dǎo)洞法能夠超前釋放一部分應(yīng)力，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，尤其對(duì)采用爆破施工的隧道可起到掏槽增加臨空面的作用，增加光面爆破效果，減少裝藥量，減小爆破振動(dòng)。

[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] 晏啟祥,何 川,姚 勇.軟巖隧道施工特性及其動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(3):572-577.

[3] 陳先國,王顯軍.近距離重疊隧道的二維和三維有限元分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,38(6):643-646.

[4] 賈 蓬.近距離平行隧道開挖的三維有限元數(shù)值分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2006,43(1):7-11.

[5] 王明年,李志業(yè),劉智成,等.軟弱圍巖3孔小間距平行淺埋隧道施工力學(xué)研究[J].鐵道建設(shè)技術(shù),2002(4):11-14.

[6] 姚 勇,何 川,田志宇,等.并設(shè)雙洞小凈距隧道爆破振動(dòng)行為特征研究[C]∥2005年全國公路隧道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:人民交通出版社,2005:51-56.

[7] 張永興,胡居義,何青云,等.基于強(qiáng)度折減法小凈距隧道合理凈距的研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006,33(3):64-67.

[8] 龔建伍,夏才初,鄭志東,等.鶴上三車道小凈距隧道爆破振動(dòng)測(cè)試與分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(9):1882-1887.

[9] 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.

[10] 唐明明,王芝銀,李云鵬.穿越公路偏壓小凈距隧道施工方法探討[J].巖土力學(xué),2011,32(4):1163-1168.

[11] 宋天宇,王述紅,萬明富,等.爆破施工下小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2013,9(2):398-404.

[12] 張運(yùn)良,王昌勝,路 平,等.小凈距隧道施工監(jiān)控量測(cè)與數(shù)值分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,8(6):50-53.

[13] 李偉平,鄧學(xué)斌,王 薇,等.陡坡偏壓小凈距隧道合理施工方法研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,13(6):1135-1142.

[14] 王繼槐.小凈距隧道開挖數(shù)值模擬及動(dòng)力特性研究[D].長沙：長沙理工大學(xué),2012.

[責(zé)任編輯:王玉玲]

Three-dimensional Dynamic Analysis of Construction of Tunnel with Small Clear Distance

WANG Chun-ling
(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, Shaanxi, China)

Combined with the construction of Xiakou tunnel of Yiba Expressway in Hubei Province, FLAC-3D software was used to simulate the construction process of tunnel with small clear distance. The mechanical effects of the distance between the left and right face of the tunnel on the surrounding rock and the support of the tunnel during the construction by bench method and pilot tunnel method were analyzed emphatically. The variation law of the force and deformation of the surrounding rock and the supporting structure during the excavation process with the longitudinal excavation was obtained. A preliminary understanding of the mechanical characteristics of the tunnel with small clearance impacted by the longitudinal influencing factors was achieved, which can provide a useful reference for similar projects.

tunnel with small clearance; numerical simulation; mechanical characteristic; tunnel face

1000-033X(2017)06-0071-06

2017-01-23

王春玲(1983-)，女，山東荷澤人，工程師，碩士，研究方向?yàn)榈缆吩O(shè)計(jì)。

U455.4

B