小凈距隧道合理滯后距離的確定

趙亞龍，任 剛，孔 君，修占國，李志軍，鄭曉萍，董慶偉

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819； 2.中交隧道工程局有限公司， 北京 100000)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國交通路線網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)建、改造，以高速鐵路和城際鐵路以及為推進(jìn)城市化進(jìn)程而大量持續(xù)建設(shè)的以地鐵為主的地下交通得到了飛速的發(fā)展，而公路隧道作為其重要的組成部分也得到了飛速的發(fā)展[1]。根據(jù)2004年的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](JTG D70—2004)，首次正式提出了小凈距隧道的概念:隧道間的中間巖柱厚度小于獨(dú)立雙洞最小凈距值的特殊隧道布置形式，規(guī)定了分離式獨(dú)立雙洞間的最小間距，一般小于1.5倍隧道開挖寬度。作為一種新的隧道結(jié)構(gòu)形式，小凈距隧道很好的克服了分離式隧道在展線及與洞外接線困難的問題，同時(shí)也克服了聯(lián)拱隧道在造價(jià)高、施工工藝復(fù)雜、質(zhì)量控制難度大的問題[3-4]。小凈距隧道不僅能夠很好的適應(yīng)地形、地質(zhì)條件以及橋隧銜接方式，并且有利于線路的整體規(guī)劃及線型優(yōu)化，同時(shí)具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，因此在公路和鐵路隧道中到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在山區(qū)隧道中[5]。

由于小凈距隧道兩平行雙洞間距離較小，先行洞與后行洞的開挖勢必會對中巖柱造成多次擾動，而中夾巖作為小凈距隧道穩(wěn)定性最重要的部位勢必會對整個(gè)隧道的安全性產(chǎn)生重要的影響[6]。如果先行洞與后行洞掌子面的滯后距離較近，中巖柱會同時(shí)受到左右隧洞施工的疊加影響，對整個(gè)隧道的安全性會產(chǎn)生嚴(yán)重的隱患；如果距離過長，則不利于施工進(jìn)度的控制，會無形之中延長工期，造成成本的浪費(fèi)[7]。

然而我國對于小間距隧道滯后距離的研究很少，田國賓[8]利用ANSYS對小凈距隧道的滯后距離進(jìn)行了研究，但其只對豎向位移和承受荷載進(jìn)行了分析，并沒有考慮中夾巖處的水平位移。何巍[9]以九嶺隧道某小間距段為工程背景用ANSYS對對滯后距離進(jìn)行了研究，但是其只選取了6 m、15 m、30 m三個(gè)滯后距離進(jìn)行了研究，結(jié)果存在偶然性。高一杰等[10]對淺埋暗挖的隧道滯后距離進(jìn)行了研究，雖然其對應(yīng)力、位移、支護(hù)都進(jìn)行了數(shù)值模擬，但是其選取的滯后距離同樣只有三種間距，其結(jié)果存在偶然性。綜上可知他們在研究的深度和系統(tǒng)性方面存在不足。同時(shí)在設(shè)計(jì)和實(shí)際工程施工中為了保證安全，都設(shè)有很大的滯后距離，故對小凈距隧道的合理滯后距離有很重要的研究價(jià)值[11-13]。本文以重慶興隆隧道小凈距段為背景，研究在小凈距平行雙洞隧道的合理滯后距離。

1 工程概況

興隆隧道為重慶三環(huán)高速公路合川至長壽某標(biāo)段，位于重慶市渝中區(qū)木耳鎮(zhèn)金剛村。為雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，隧道寬11 m，高6 m，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級。本文研究的小凈距段位置為K35+495—KZ38+034段。區(qū)段屬構(gòu)造侵蝕丘陵地貌區(qū)，隧道大體沿垂直構(gòu)造線方向布置，與巖層走向呈大角度相交。分布地層主要為第四系全新殘坡積粉質(zhì)黏土、素填土、坡積塊石土，分布不均勻，部分地段基巖出露，出露地層巖性為侏羅紀(jì)中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖、砂巖組成。依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](JTG D70—2004)第3.6.3-3.6.5條規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)BQ值判斷法，計(jì)算此區(qū)段圍巖等級為Ⅳ。

2 模型的建立

數(shù)值模擬軟件采用適用于巖土工程分析的FLAC3D5.0軟件，其采用顯示三維快速拉格朗日分析程序，該程序能夠很好的模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動以及軟化至大變形的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形和施工過程[14]。

根據(jù)設(shè)計(jì)，小凈距段凈距為6 m，埋深30 m。為研究滯后距離，數(shù)值模擬設(shè)置兩開挖掌子面間的滯后距離分別為6 m、12 m、18 m、24 m、36 m五工況進(jìn)行開挖，其開挖方法為臺階法。圍巖參數(shù)采用現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)并結(jié)合公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范選?。簭椥阅Ａ?.37×1010Pa，泊松比0.33，密度為2 150 kg/m3，黏聚力為0.45×106Pa，內(nèi)摩擦角為44.5°。本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。模型中隧道邊界高度為11 m(B為隧道開挖寬度，B=11 m)，高度為7.8 m，隧道凈距為6 m。以兩隧道中間為中心的模型的邊界條件為：x=-60、x=60，x方向固定；z=-35，z=35，z方向固定；上面邊界自由，y=0，y=72，y方向固定。其網(wǎng)格單元見圖1，其監(jiān)測點(diǎn)見圖2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖豎向位移分析

(1) 拱頂沉降分析。圖3—圖6為監(jiān)測點(diǎn)左洞監(jiān)測點(diǎn)1拱頂豎向位移和右洞監(jiān)測點(diǎn)5拱頂豎向位移曲線圖。在隧道圍巖的位移分析中，拱頂?shù)某两凳且粋€(gè)判斷圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，為了研究滯后距離對隧道穩(wěn)定性的影響，非常有必要分析拱頂位移隨滯后距離變化的規(guī)律。

注：B：隧道開挖寬度。步數(shù)指的是數(shù)值模擬計(jì)算步數(shù)。

圖5 拱頂豎向位移

從拱頂豎向位移曲線圖可以看出：在不同滯后距離之下，左洞(先行洞)和右洞(后行洞)拱頂?shù)淖罱K沉降值基本一致，最終都穩(wěn)定在一個(gè)定值。從計(jì)算結(jié)果可知不同掌子面的滯后距離對于最終沉降值影響不大，但是在施工掌子面接近監(jiān)測斷面時(shí)沉降值變化很大。

從左洞拱頂豎向位移曲線可以看出，隨著開挖的進(jìn)行，在不同滯后距離下，監(jiān)測點(diǎn)沉降變化最大的位置為開挖到監(jiān)測斷面的位置，而距離監(jiān)測斷面前后變化率不斷減小，在五個(gè)循環(huán)范圍之內(nèi)有較大變化(每個(gè)開挖循環(huán)為3 m)，在≥15 m(五個(gè)循環(huán))之后變化率很小。右洞拱頂監(jiān)測點(diǎn)的沉降情況與左洞大致相同，即在距離開挖到監(jiān)測斷面15 m時(shí)對監(jiān)測點(diǎn)的沉降值變化率很小。我們還可以看出左、右洞拱頂沉降位移曲線變化基本一致，且時(shí)空效應(yīng)很明顯。

每種滯后距離之下峰值位移占總沉降位移值的變化情況見表1。

表1 左、右洞開挖一循環(huán)最大沉降值占總豎向位移沉降值 單位：%

從不同滯后距離之下開挖一循環(huán)最大沉降值占總豎向位移沉降值可知，隨著開挖掌子面間滯后距離的增大，最大沉降值占總沉降位移值比例有減小的趨勢，其中左洞(先行洞)在D=0.5B時(shí)約占42%左右，但是在間距D≥2.0B時(shí)基本穩(wěn)定在39%左右。右洞在D=0.5B時(shí)約占44%左右，但是在間距D≥2.0B時(shí)基本穩(wěn)定在41%左右。還可以看出右洞測點(diǎn)的沉降峰值占比大于左洞。

綜上分析并結(jié)合開挖的空間效應(yīng)，距離開挖目標(biāo)斷面約1.3B時(shí)，開始出現(xiàn)沉降峰值有明顯增大趨勢，而在距離目標(biāo)約1.5B時(shí),監(jiān)測點(diǎn)的沉降趨于緩和，表明開挖工作面對洞室圍巖的影響范圍約為1.3B～1.5B左右，也就是說開挖掌子面最小滯后距離要保持在2.5B～3.0B。在這個(gè)范圍之外，開挖面對圍巖擾動就不是那么明顯了。

(2) 中夾巖核心處豎向位移。中夾巖核心區(qū)豎向位移見圖7。中夾巖處拱腰水平位移見圖8。從圖7可以看出在距離監(jiān)測斷面D=1.2B時(shí)開始出現(xiàn)較大的沉降，在D≥1.2B時(shí)，沉降變化平緩。從圖8中可以看出，中夾巖核心區(qū)的豎向位移終值變化不大，但隨滯后距離的增大而減小。由中夾巖核心區(qū)沉降位移可知，開挖工作面對洞室圍巖的影響范圍約在1.2B～1.5B左右，也就是說在開挖面前后1.2B～1.5B的范圍有較大的影響,可知兩隧道掌子面的滯后距離要在2.4B～3.0B之外。在這個(gè)范圍之外，開挖面對圍巖擾動就不是那么明顯了。

3.2 左、右洞拱腰收斂及中夾巖水平位移分析

中夾巖處拱腰和核心區(qū)監(jiān)測點(diǎn)分別為2、3、4。從圖8和圖9可以看出，在不同滯后距離之下拱腰處水平位移隨滯后距離變化的趨勢基本一致。在距離開挖面約五個(gè)開挖循環(huán)(15 m)內(nèi)能看到明顯的位移變化，在D>15 m后水平位移變化趨勢很小，說明在距離開挖面15 m之后，開挖對圍巖水平位移的影響非常小。

從圖9和圖10可以看出中夾巖核心區(qū)水平位移波動的范圍隨開挖滯后距離的增大而增大。其水平位移值出現(xiàn)了左右波動的情況,先向左洞之后返回右洞，最終位移基本沒有變化。其目標(biāo)斷面的波動值在0.5B～1.5B時(shí)變化最大。其水平位移也是在距離開挖面約D=15 m時(shí)開始出現(xiàn)較大的水平位移，在D≥15 m時(shí)水平位移變化趨勢很小。綜上可知小間隧道的滯后距離在2.5B～3.0B較為合適。

3.3 中夾巖應(yīng)力分析

(1) 左、右洞拱腰及中夾巖分析監(jiān)測點(diǎn)為2、3、4監(jiān)測點(diǎn)的豎向應(yīng)力分析。從圖11拱腰處的豎向應(yīng)力可以看出，隨著兩隧道滯后距離的增大，無論是左洞拱腰還是右洞拱腰其最終豎向應(yīng)力基本沒有變化，右洞豎向應(yīng)力大于左洞豎向應(yīng)力。左洞和右洞拱腰豎向應(yīng)力隨開挖步變化的曲線在不同的滯后距離之下很相似，基本都是在距離開挖面前后D=6 m(兩個(gè)開挖步)范圍內(nèi)其應(yīng)力開始有大的變化值，在D=6 m～15 m時(shí)，其變化趨勢開始減小，在D≥15 m之后其趨于平緩，說明在其之后受滯后距離影響非常小。從上圖中我們還可以看出隨著滯后距離的減小，其應(yīng)力減小相同值需要的開挖步越小，也就是說在很短的時(shí)間內(nèi)其豎向應(yīng)力就會急劇增大，左洞與右洞施工的疊加效應(yīng)更加明顯。隨著滯后距離的增大，這種現(xiàn)象開始明顯減弱，出現(xiàn)了明顯的分離現(xiàn)象。

從中夾巖核心區(qū)豎向應(yīng)力云圖12、圖13可知，隨著滯后距離的增大中夾巖核心區(qū)豎向應(yīng)力逐漸減小，但減小不大。在不同滯后距離之下豎向應(yīng)力隨開挖步的進(jìn)行其變化趨勢基本相似，不同之處在于隨著滯后距離的減小，在很短的時(shí)間內(nèi)其豎向應(yīng)力就會急劇增大。在D=3.0B之后增長非常緩慢。同樣也從中可以看出在D=6 m(兩個(gè)開挖步)范圍內(nèi)其應(yīng)力開始有大的變化，在開挖到監(jiān)測斷面時(shí)有急劇增大的應(yīng)力變化值，在D=6 m～15 m時(shí)，其變化趨勢開始減小，在D≥15 m之后其變化值很小。

綜上可知，在監(jiān)測斷面前后兩個(gè)循環(huán)步(6 m)時(shí)對隧道穩(wěn)定性影響最大，在D=6 m～15 m有較大影響，在D≥15 m之后影響變小，豎向應(yīng)力開始趨于平穩(wěn)。故滯后距離最好保持在23 m～30 m之間，也就是2.2B～3.0B之間。

(2) 左、右洞拱腰及中夾巖分析監(jiān)測點(diǎn)為2、3、4監(jiān)測點(diǎn)的水平應(yīng)力分析。中夾巖上的水平荷載對中夾巖的穩(wěn)定性具有重要的意義，一般對于圍巖體材料而言其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗剪前度，由于小間距隧道后行洞的開挖會大幅削減隧道的邊墻的抗剪強(qiáng)度，對中隔壁在形成后的受力十分不利[15]。通過對中夾巖部分水平應(yīng)力分析可知：隨著滯后距離的增大，無論是中夾巖的拱腰部分還是核心區(qū)部分最終水平應(yīng)力變化不大，只有少許的增大?？梢钥闯龉把綉?yīng)力最小，其次是右洞，與左洞相比差別不太大。最大的是中夾巖核心區(qū)水平應(yīng)力，較左右洞大很多。

從圖14—圖16可知，在不同滯后距離之下其水平應(yīng)力的變化趨勢大致相同，左洞和右洞拱腰豎向應(yīng)力隨開挖步變化的曲線在不同的滯后距離之下基本非常相似基本都是在距離開挖面前后D=6 m時(shí)(兩個(gè)開挖步)其應(yīng)力開始有大的變化值，在開挖到監(jiān)測斷面時(shí)有急劇增大的應(yīng)力變化值，在D=6 m～15 m時(shí)，其變化趨勢開始減小，在D≥15 m之后其變化值很小，說明其受滯后距離影響非常小。從圖中我們還可以看出隨著滯后距離的減小，其應(yīng)力減小相同值需要的開挖步越小，也就是說在很短的時(shí)間內(nèi)其豎向應(yīng)力就會急劇增大，左洞與右洞施工的疊加效應(yīng)更加明顯。隨著滯后距離的增大，這種現(xiàn)象開始明顯減弱，出現(xiàn)了明顯的分離現(xiàn)象。

從圖中還可以看出，在不同滯后距離之下的中夾巖處核心區(qū)水平應(yīng)力變化趨勢基本相同，不同的是隨著滯后距離的減小其應(yīng)力疊加效果越明顯。當(dāng)D=0.5B時(shí)可以明顯的看到出現(xiàn)了連續(xù)的應(yīng)力波動和疊加現(xiàn)象。在短時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力連續(xù)波動和急劇增加對圍巖穩(wěn)定性是很不利的。隨著滯后距離的增大，連續(xù)波動逐漸分開，且疊加作用明顯減小。同樣也可以從中看出在D=6 m時(shí)(兩個(gè)開挖步)其應(yīng)力開始有大的變化值，在開挖到監(jiān)測斷面時(shí)有急劇增大的應(yīng)力變化值，在D=6 m～15 m時(shí)，其變化趨勢開始減小，在D≥15 m之后其變化值很小。通過分析中夾巖部分水平應(yīng)力，兩隧道的滯后距離最好在2.0B～3.0B之間。

4 結(jié) 論

(1) 在不同滯后距離下兩洞的拱頂最終沉降值幾乎一致。在開挖掌子面前后約15 m以內(nèi)其拱頂沉降變化值較大，之外變化趨于平穩(wěn)。中夾巖核心處豎向位移同樣在距離開挖掌子面15 m范圍內(nèi)豎向位移變化率大。

(2) 在不同滯后距離下拱腰水平位移最終值變化基本相同，在距離開挖面15 m范圍內(nèi)變化較大,隨著滯后距離的增大變化趨勢逐漸減小。

(3) 從豎向應(yīng)力可以看出隨著滯后距離的增大，左、右洞最終豎向應(yīng)力基本一致，右洞略大于左洞。無論是中夾巖部分的拱腰還是核心區(qū)，在D=15 m時(shí)(兩個(gè)開挖步)其應(yīng)力有大的變化值，在D≥15 m之后其變化趨于平穩(wěn)。水平應(yīng)力規(guī)律與豎向應(yīng)力規(guī)律基本相似，最終值幾乎沒有變化，變化較大范圍均出現(xiàn)在距離開挖掌子面15 m內(nèi)。

(4) 通過對應(yīng)力、位移的分析兩隧道的滯后距離最好保持在2.2B～3.0B之內(nèi)。