淺埋小凈距隧道群開挖進(jìn)尺優(yōu)選研究

劉彥軍

（中冶交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 三河 065201）

0 引言

隨著高速鐵路隧道工程項(xiàng)目的不斷涌現(xiàn)，在其施工過程中會(huì)遇到各種各樣的技術(shù)問題[1-2]。其中，淺埋小凈距隧道群是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)問題之一。淺埋小凈距隧道群是指埋置深度較小，開挖隧道洞室在三個(gè)或三個(gè)以上，且在施工過程中彼此相互影響的隧道[3-5]。

淺埋小凈距隧道群的安全性主要受地形地質(zhì)條件、施工方法等因素的影響，目前我國對淺埋小凈距隧道群的實(shí)際開挖過程還缺乏經(jīng)驗(yàn)，無法對此類高速鐵路隧道工程項(xiàng)目的開挖安全性給予保障[6-9]。因此為了解決此類工程的開挖難題，依托韓府山淺埋小凈距隧道群，利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬技術(shù)對高速鐵路淺埋小凈距大跨度隧道群的合理開挖進(jìn)尺進(jìn)行研究，這對于加快我國高速鐵路發(fā)展以及解決淺埋小凈距隧道的施工安全性問題具有重要的實(shí)際意義。

1 研究情況

1.1 某隧道工程概況

隧道位于南京市雨花臺區(qū)秦淮新河南岸，其進(jìn)出口段屬于剝蝕低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)多，隧道均為Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖。隧道最大埋深約60m，淺埋地段較長，一、二、三號隧道彼此之間凈距在6～10m的范圍內(nèi)，屬于超小凈距隧道。

1.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型埋深18m，各隧道之間凈距為8m，模型計(jì)算范圍在水平左右方向取隧道洞徑的5倍，下邊界取洞高的3倍，縱向取40m，即整個(gè)模型范圍為140m×58m×40m。模型底面施加豎向約束保證在豎直方向沒有位移，左右兩邊界施加水平約束，沿縱向起始面上施加縱向約束。初支采用25cm厚的C25噴射混凝土，二襯采用45cm厚的C25模注混凝土。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

1.3 計(jì)算工況

選取地質(zhì)段為Ⅴ級圍巖，故采用臺階法施工，依次選取開挖進(jìn)尺為4m、6m、8m和10m進(jìn)行施工過程的數(shù)值模擬，進(jìn)而相比較得出合理的開挖進(jìn)尺。施工按照上下臺階保持間距兩個(gè)步長，同時(shí)下臺階開挖兩個(gè)步長后開始施加二襯。開挖順序按照施工先開挖左邊一號洞，然后是右邊三號洞，最后開挖中間二號洞，掌子面之間相距20m。計(jì)算工況見表1。

表1 計(jì)算工況

1.4 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的具體圍巖參數(shù)和支護(hù)參數(shù)見表2[10]。

表2 計(jì)算參數(shù)

1.5 測點(diǎn)布置

這里分析時(shí)選取了目標(biāo)斷面中間巖體水平方向六個(gè)測點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，各個(gè)測點(diǎn)的布置情況如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)布置

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析

提取各監(jiān)測點(diǎn)的圍巖應(yīng)力值，并繪制于表3和圖3。

表3 中間巖柱應(yīng)力

圖3 應(yīng)力變化曲線

由表3和圖3記錄的不同開挖進(jìn)尺下中間巖柱應(yīng)力值可以看出，隨著開挖進(jìn)尺的增加，中間巖柱應(yīng)力值增加；從工況1到工況2的不同開挖進(jìn)尺下的應(yīng)力變化較為明顯，而從工況2到工況3、工況4的應(yīng)力值增加幅度逐漸減??；同時(shí)受到小凈距隧道之間的相互影響和開挖順序的影響，一號隧道和二號隧道之間的巖柱應(yīng)力略大于二號隧道和三號隧道中間巖柱應(yīng)力。

2.2 位移分析

提取不同的開挖進(jìn)尺下開挖支護(hù)完成后的隧道周圍圍巖豎向位移分布圖。圖4和圖5為圍巖在施工完成后的位移分布圖。

圖4 豎向位移云圖

圖5 水平位移云圖

從圖4和圖5中可以看出，圍巖豎向位移主要發(fā)生在拱頂上部圍巖和拱底下部圍巖，洞身豎向位移同樣集中在拱頂和拱底，其中拱頂沉降，拱底向上隆起。從圖中可以較為明顯地看出一號隧道跟二號隧道拱頂位移要大于三號隧道拱頂。洞周水平位移三個(gè)隧道大致上一致，主要分布在拱腰處，具體集中在一號隧道右拱腰和二號隧道右拱腰處；圍巖產(chǎn)生的水平位移主要集中在一號隧道拱頂接近地表處圍巖和三號隧道接近地表處圍巖，同時(shí)還有一號和三號隧道拱腳向下發(fā)散方向的圍巖。

比較不同開挖進(jìn)尺施工下洞周、圍巖產(chǎn)生的位移變化，發(fā)現(xiàn)大致上發(fā)展規(guī)律一致，從圖4和圖5中數(shù)值上可以看出，隨著開挖進(jìn)尺的增加，洞周豎向位移逐漸增大。由于支護(hù)的閉合距離開挖面有一定的距離，所以臺階長度的增加勢必會(huì)影響支護(hù)閉合時(shí)間，支護(hù)閉合時(shí)間越長，圍巖在開挖后處于自身承受應(yīng)力的時(shí)間越長，變形就越大；縮短開挖進(jìn)尺，對保證圍巖穩(wěn)定有較好的作用，但會(huì)造成施工過程中機(jī)械效率降低。

2.3 塑性區(qū)分析

在不同開挖進(jìn)尺下，通過隧道開挖支護(hù)完成后圍巖塑性區(qū)分布情況示意圖來分析臺階長度對圍巖擾動(dòng)性的影響，如圖6所示。

圖6 塑性區(qū)分布圖

從圖6可以看出，圍巖塑性區(qū)主要集中在模型兩個(gè)角點(diǎn)處，隨著開挖進(jìn)尺的增加，塑性區(qū)范圍有增大的趨勢；中間巖柱處有很小塊塑性區(qū)，但不明顯。

3 結(jié)語

通過數(shù)值模擬比較不同開挖進(jìn)尺的施工條件下應(yīng)力、位移、塑性區(qū)的幾個(gè)方面，可以得出以下結(jié)論：

（1）在開挖過程中，應(yīng)力、位移、塑性區(qū)均隨著臺階長度的增加而增加，為保證施工中圍巖的穩(wěn)定，可以考慮縮短開挖進(jìn)尺，但臺階過短會(huì)影響施工進(jìn)度，同時(shí)不利于提高施工機(jī)械的效率。故實(shí)際施工過程中應(yīng)根據(jù)情況具體確定開挖進(jìn)尺。

（2）綜合考慮各方面因素，隧道開挖進(jìn)尺可以取6～8m，既可以保證施工安全、圍巖穩(wěn)定，同時(shí)可以保證施工進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)：

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