超小凈距隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工穩(wěn)定性分析

周鴻翔

文章依托某城市地下互通式隧道工程中一處超小凈距隧道工程，對超小凈距隧道的三種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比選，研究確定了無中隔墻的超小凈距隧道結(jié)構(gòu)方案，采用錨桿注漿加固中夾巖柱并加強一次襯砌和微震預(yù)裂爆破技術(shù)的分步挖掘施工方案;利用有限元數(shù)值模擬超小凈距隧道支護(hù)施工過程，得到其各個施工步序下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，分析其穩(wěn)定性，優(yōu)化并驗證設(shè)計參數(shù)，有效指導(dǎo)設(shè)計與施工。

超小凈距隧道;結(jié)構(gòu)設(shè)計;中夾巖柱;數(shù)值模擬;穩(wěn)定性分析

0?引言

隨著城市地下空間的開發(fā)利用，建設(shè)地下互通式隧道成為道路互聯(lián)互通，提高通行效率的有效手段之一。然而，匝道隧道逐漸與主線隧道分離，隧道由特大斷面過渡為兩個一般斷面隧道，面臨超小凈距隧道的設(shè)計與施工難題，過渡段隧道結(jié)構(gòu)及中夾巖柱的穩(wěn)定性至關(guān)重要。在有限的地下空間內(nèi)，超小凈距段若按傳統(tǒng)的單導(dǎo)洞或三導(dǎo)洞工法設(shè)計、施工中隔墻連拱隧道，雖然可以保證隧道襯砌及中隔墻的穩(wěn)定性，但其施工工序繁雜、造價高、進(jìn)度慢。針對中隔墻連拱隧道的缺點，有學(xué)者提出了無中隔墻連拱隧道及中夾巖柱超小凈距隧道結(jié)構(gòu)方案，較中隔墻連拱隧道優(yōu)勢明顯，并在一些工程實踐中得到成功應(yīng)用：如西部大通道黃陵至延安段羊泉溝隧道、云南平文高速公路土基沖隧道在超小凈距段采用無中隔墻連拱隧道結(jié)構(gòu)方案;福州煙臺山隧道工程的超小凈距段（凈距為5.5 m）采用加固中夾巖柱的超小凈距隧道結(jié)構(gòu)方案等。已建成的類似工程案例多為雙線平行的小凈距隧道，凈距為定值或凈距是連拱隧道中隔墻厚度的數(shù)倍。

本文依托工程為地下互通式隧道工程，由單洞過渡到超小凈距段雙洞隧道，因地下作業(yè)空間局限，超小凈距段隧道凈距受隧道特大斷面制約，最小凈距僅1.04 m且為漸變段，與前述工程案例有所不同，設(shè)計、施工面臨更大的挑戰(zhàn)。超小凈距隧道（中夾巖柱僅1.04 m）開挖引起圍巖發(fā)生松弛、變形的程度與中夾巖柱的穩(wěn)定性及承載力，直接關(guān)系到隧道圍巖能否形成承載拱，決定了超小凈距隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性及施工的安全性。文章對超小凈隧道三種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較，提出對中夾巖柱進(jìn)行注漿加固，采用微震爆破技術(shù)、分步開挖的方案，通過有限單元法數(shù)值計算分析，獲得超小凈距隧道結(jié)構(gòu)及圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變特征，分析隧道設(shè)計結(jié)構(gòu)施工過程中的穩(wěn)定性，優(yōu)化驗證設(shè)計參數(shù)并指導(dǎo)施工，實現(xiàn)超小凈距隧道工程的快速、安全施工。

1?工程概況

依托工程為城市地下互通立交式隧道，主線隧道為雙車道，建筑限界凈寬為10.0 m，高為5.0 m;匝道為單車道，限界凈寬為7.0 m，高為5.0 m。匝道隧道從主線隧道分流形成分岔式隧道，在分流鼻前端為23.5 m寬的特大斷面隧道，在分流鼻后端為超小凈距段隧道，隧道凈距由1.04 m漸變分開至雙洞分離式隧道。該段縱向長約60 m，其中超小凈距段長10 m，分岔特大斷面段長17 m，分岔大斷面段長36 m。本文主要以超小凈距段為研究對象。超小凈距段隧道平面及橫斷面設(shè)計如圖1所示。

超小凈距段隧道穿越地層主要為：散體狀強風(fēng)化凝灰?guī)r、碎裂狀強風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r等。地下水滲流主要受地形、地貌及地質(zhì)構(gòu)造控制。地下水類型主要為孔隙潛水、裂隙潛水，賦存和運移于風(fēng)化基巖及破碎帶裂隙之中。隧道圍巖級別以Ⅳ級為主。隧址區(qū)地震加速度值為0.15 g，設(shè)計抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

2?超小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計參數(shù)及施工步序

2.1?超小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式

超小凈距隧道結(jié)構(gòu)根據(jù)其施工工法、中隔墻（中夾巖柱）設(shè)置情況可分為中隔墻連拱隧道、無中隔墻連拱隧道、中夾巖柱超小凈距隧道等三種結(jié)構(gòu)形式（如圖2所示）。

中隔墻連拱隧道可分為復(fù)合式中隔墻和整體式中隔墻兩種類型。無論采用何種中隔墻形式，均需中導(dǎo)洞施工澆筑中隔墻后，才能進(jìn)行左右主洞施工。相較于獨立的雙洞隧道設(shè)計與施工，其工序繁雜，左右洞前后錯開施工，中隔墻反復(fù)受力擾動，工期長，造價高，運營期病害較多，在地下互通式非對稱連拱隧道中尤為突出。地下互通施工空間狹窄，且隧道之間凈距逐漸變化，由分流鼻前端特大斷面隧道過渡到中導(dǎo)洞或三導(dǎo)洞工法的連拱隧道，施工較為困難。

無中隔墻連拱隧道與中夾巖柱超小凈距隧道的區(qū)別在于雙洞之間是否保留并利用中夾巖柱。無中隔墻連拱隧道施工過程將中夾巖柱爆破挖除，而后采用高強度噴射混凝土或澆筑混凝土替換中夾巖柱，并加強雙洞之間的側(cè)墻及拱腳結(jié)構(gòu)，兩隧道間噴射混凝土結(jié)構(gòu)的強度及鋼架連接的可靠程度，決定了施工期間的安全性、穩(wěn)定性。超小凈距隧道施工過程需保留中夾巖柱，采用微震爆破技術(shù)，減小擾動破壞，并設(shè)置注漿加固、對拉錨桿等加固措施。這兩種結(jié)構(gòu)方案均較中隔墻連拱隧道施工簡單、工期短、造價低，根據(jù)地質(zhì)條件不同，各有其適用性。當(dāng)圍巖強度不高，屬松散土體或軟弱圍巖，巖體中夾巖柱無法自穩(wěn)，即使通過注漿加固等措施也無法滿足強度及穩(wěn)定性要求時，可考慮用混凝土替換中夾巖柱，采用無中隔墻連拱隧道;當(dāng)中夾巖柱圍巖強度較高，屬較硬巖，具備一定的自穩(wěn)能力，通過注漿、錨桿加固后，整體性較好時，則可考慮采用中夾巖柱超小凈距隧道。

2.2?超小凈距隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

文章依托工程屬地下互通式立交，分岔式超小凈距段隧道位于Ⅳ級圍巖段，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體具備一定的強度，隧道由超小凈距漸變至分離式隧道，不具備貫通中導(dǎo)洞及施工中隔墻條件，因此采用中夾巖柱超小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式。超小凈距隧道段兩主洞凈距由1.04 m至5 m漸變。設(shè)計采取對中間巖柱錨桿注漿加固、加強初期支護(hù)等措施加固中夾巖柱，采用微震控制爆破技術(shù)，爆破振動速度標(biāo)準(zhǔn)按V≤2.5 cm/s控制，在兩主洞隧道靠近中夾巖柱一側(cè)設(shè)置預(yù)裂爆破減震孔，減小對中夾巖柱、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的損傷。超小凈距段隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面如圖3所示。

隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)為：主線隧道模筑襯砌采用50 cm厚模筑C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用25 cm厚C25噴射混凝土，間距為75 cmⅠ18型鋼，掛網(wǎng)噴錨防護(hù);匝道隧道模筑襯砌采用45 cm厚模筑C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用23 cm厚C25噴射混凝土，間距為75 cmⅠ16型鋼，掛網(wǎng)噴錨防護(hù)。中夾巖柱厚度1.04 ～5 m，采用32 mm自進(jìn)式錨桿，注漿加固。

2.3?超小凈距隧道施工步序

超小凈距段施工前，先對特大斷面隧道堵頭墻進(jìn)行噴錨封閉加固，將匝道隧道作為先行洞，采用全斷面法先期開挖，待先行洞初期支護(hù)閉合，仰拱回填后，再進(jìn)行后行洞（主洞）施工，采用臺階法施工。前后保持施工安全步距，施工全程進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，實時掌控爆破振速≤2.5 cm/s，嚴(yán)格控制單次起爆藥量，在中夾巖柱開挖邊沿設(shè)置預(yù)裂爆破減震孔。超小凈距段隧道施工步序如圖4所示。

3?數(shù)值模擬分析

3.1?計算分析理論及荷載釋放系數(shù)

現(xiàn)有的研究成果認(rèn)為對于地下工程的結(jié)構(gòu)分析，在3～5倍洞徑范圍以外開挖引起的應(yīng)力重分布影響較小。取開挖斷面在3～5倍洞徑范圍地層，建立隧道施工過程有限元模型，對施工過程中圍巖和結(jié)構(gòu)的變形和受力進(jìn)行計算分析，可滿足工程需求。在半無限地層中，隧道結(jié)構(gòu)屬于縱向軸對稱結(jié)構(gòu)，不考慮縱向變形位移，其屬于平面應(yīng)變問題。

圍巖采用平面應(yīng)變單元，圍巖材料的本構(gòu)關(guān)系采用Drucker-Prager模型。Drucker-Prager模型的屈服準(zhǔn)則是對Mohor-Colomb屈服準(zhǔn)則的近似值，屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而變化，屈服準(zhǔn)則的表達(dá)式如式（1）：

F=3σm+12{S}T[M]{S}12-σy=0??（1）

對于Drucker-Prager模型材料，當(dāng)材料參數(shù)β和σy為定值時，屈服面為錐形表面，其是正六邊形Mohor-Colomb準(zhǔn)則屈服面的外切錐面，如圖5所示。

當(dāng)根據(jù)彈塑性問題建立平面應(yīng)變模型來模擬隧道施工過程時，為反映圍巖的時空效應(yīng)以及施工過程的步序，根據(jù)工作條件逐漸釋放地應(yīng)力。在ANSYS軟件中，可實現(xiàn)連續(xù)工作條件的計算，應(yīng)用“施加虛擬支撐力逐步釋放法”，依次在開挖邊界施加一定比例的支撐荷載，模擬洞周位移的釋放效應(yīng)。利用單元的“生死”功能，“殺死”開挖的圍巖單元，“激活”支護(hù)結(jié)構(gòu)單元，簡便有效地模擬隧道的開挖和支護(hù)過程。

計算方案按照施工過程，分為以下步序及相應(yīng)荷載釋放系數(shù)：（1）計算初始應(yīng)力場;（2）匝道隧道開挖，該部分荷載釋放25%;（3）匝道隧道施工初期支護(hù)，荷載釋放至70%;（4）主洞開挖，該部分荷載釋放25%;（5）主洞隧道施工初期支護(hù)，并加固中夾巖柱，荷載釋放至70%;（6）匝道隧道施工二次襯砌，荷載釋放至100%;（7）主洞隧道施工二次襯砌，荷載釋放至100%。

3.2?計算模型及相關(guān)參數(shù)

超小凈距段匝道隧道先行洞開挖后，引起應(yīng)力重分布;后行隧道在擾動過的地層內(nèi)掘進(jìn)及后行隧道的爆破開挖震動也會對先行隧道產(chǎn)生影響，引起地應(yīng)力的再次重分布。兩者相互影響，加劇了設(shè)計與施工的難度。本次計算通過有限元數(shù)值分析方法，選取超小凈距段兩隧道斷面建立模型，隧道間凈距為1.04 m，重點研究各施工步序下，周邊圍巖、中夾巖柱及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)以及塑性區(qū)分布范圍，分析判斷中夾巖柱及支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力及穩(wěn)定性?？紤]計算精度及速度，計算模型寬度取3倍洞室開挖寬度，底部取3倍洞室高度，上部取至地表，模型總寬度為250 m，高為200 m。計算模型的邊界條件為：底部約束垂直位移，兩側(cè)約束水平位移。計算中圍巖、噴射混凝土、二次襯砌均采用平面單元模擬，系統(tǒng)錨桿采用桿單元模擬。模型共有11 006個節(jié)點、272個桿單元、14 619個平面單元，采用彈塑性模型進(jìn)行分析，初始地應(yīng)力主要考慮自重應(yīng)力，未考慮地層構(gòu)造應(yīng)力。有限元計算模型如圖6所示。圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值如表1所示。

3.3?計算分析結(jié)果

分析最終荷載步計算結(jié)果，后行隧道開挖后，中夾巖柱σ3應(yīng)力極值為-1.8 MPa，σ1應(yīng)力極值為-0.19 MPa。開挖側(cè)墻壁出現(xiàn)小范圍塑性區(qū)，數(shù)值很小，深度較淺，對中心巖柱的穩(wěn)定性影響有限。地層豎向方向位移最大值出現(xiàn)在后行隧道拱頂及仰拱處，拱頂下沉仰拱隆起，最大值為3 mm，周邊地層未出現(xiàn)塑性區(qū)，地層水平方向收斂變形較小。系統(tǒng)錨桿軸力最大值為15 kN，中墻錨桿軸力最大值為6.7 kN，錨桿軸力以受拉為主，均小于錨桿抗拔力。在拱頂部位30°～45°范圍錨桿加固效果明顯，該區(qū)域設(shè)計施工過程可采用長錨桿。兩側(cè)邊墻以下錨桿受力較小，該區(qū)域可適當(dāng)優(yōu)化錨桿長度及數(shù)量。二次襯砌結(jié)構(gòu)σ3應(yīng)力極值為-3.67 MPa，主要分布于先行隧道拱腳內(nèi)側(cè);σ1應(yīng)力極值為0.26 MPa，主要分布于后行隧道仰拱內(nèi)側(cè)。襯砌結(jié)構(gòu)在拱腳，即仰拱與邊墻過渡的地方，出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中，但應(yīng)力極值小于C30鋼筋混凝土強度設(shè)計值，襯砌結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)，襯砌結(jié)構(gòu)滿足承載力及穩(wěn)定性要求。在拱腳附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，該區(qū)域應(yīng)適當(dāng)加大襯砌結(jié)構(gòu)厚度，初期支護(hù)注意鎖腳錨桿注漿加固。最終計算結(jié)果如圖7～16和表2所示。

由圖7～16和表2可知，隨著開挖和支護(hù)的推進(jìn)，地層應(yīng)力逐步釋放，中夾巖柱第一主應(yīng)力極值變化不顯著，第三主應(yīng)力極值由-1.07 MPa逐步增大至-1.8 MPa，塑性區(qū)由匝道拱腳轉(zhuǎn)移至主洞側(cè)墻及拱腳，塑性區(qū)分布范圍很小，未出現(xiàn)急劇擴(kuò)展。中夾巖柱位移由小逐步變大，匝道開挖后，隧道兩側(cè)收斂變形，主洞開挖后，中夾巖柱受力逐漸平衡。隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，最終水平位移為0.65 mm，說明中夾巖柱能夠基本保持穩(wěn)定，滿足施工安全要求，采取的加固措施有效。施工過程應(yīng)注意確保拱腳及側(cè)墻的施工質(zhì)量，塑性區(qū)的發(fā)展應(yīng)通過中夾巖柱注漿加固加以控制。

4?結(jié)語

通過對超小凈距隧道三種結(jié)構(gòu)形式的比較，結(jié)合依托工程的特點，確定了采用中夾巖柱超小凈距隧道方案，采取錨桿注漿加固、加強初期支護(hù)等措施，利用微震爆破技術(shù)分步開挖。在地下互通式隧道由單洞過渡漸變到雙洞隧道，避免連拱隧道工序轉(zhuǎn)換繁瑣、進(jìn)度慢、造價高的不足，成功實現(xiàn)超小凈距隧道（凈距僅1.04 m）的快速、安全施工，節(jié)省工程投資，保證了工程建設(shè)的進(jìn)度。

針對超小凈距隧道中夾巖柱復(fù)雜的內(nèi)力狀態(tài)，采用有限元數(shù)值模擬分析超小凈距隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)的合理性及施工穩(wěn)定性，得到各施工步驟下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，從而指導(dǎo)設(shè)計與施工。結(jié)果表明：隧道拱腳處應(yīng)力集中，需加強拱腳處支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高鎖腳錨桿數(shù)量并保證其施工質(zhì)量;拱頂及中夾巖柱邊墻以上范圍系統(tǒng)錨桿加固效果明顯;采用中夾巖柱注漿加固措施，控制爆破技術(shù)，使中夾巖柱具備較好的穩(wěn)定性、安全性;結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行，施工過程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，為以后巖質(zhì)地層類似工程施工提供了經(jīng)驗。

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