超大跨度小凈距隧洞群影響分區(qū)與工序研究

隨著交通量增大和公路等級(jí)提高，超大斷面的小凈距隧道也不斷出現(xiàn)。文章依托成都天府機(jī)場(chǎng)高速公路龍泉山1號(hào)隧道工程，建立了平面有限元模型，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算了雙洞平行小凈距隧道的強(qiáng)度儲(chǔ)備并得到了近接影響分區(qū);其次，利用三維數(shù)值計(jì)算有限元研究分析了超大斷面四線并行隧道的施工順序，得到了以下結(jié)論：（1）圍巖越軟弱，產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍越大;而當(dāng)先開(kāi)挖的隧道埋深增大時(shí)，單隧道圍巖穩(wěn)定性安全系數(shù)降低，整體強(qiáng)影響區(qū)域的范圍也會(huì)變大。那么，埋深更大工況時(shí)大跨度小凈距隧道時(shí)的安全距離更大。（2）超大跨度小凈距隧道需要控制最小凈距保持中夾巖的穩(wěn)定，避免后行隧道開(kāi)挖影響先行隧道的穩(wěn)定。（3）三車(chē)道小凈距隧道影響分區(qū)也主要為梯形，三車(chē)道小凈距隧道近接影響區(qū)變化基本規(guī)律與雙車(chē)道工況基本一致，由于三車(chē)道隧道跨度更大，塑性區(qū)更大，所以小凈距隧道的影響范圍較雙車(chē)道小凈距隧道的影響范圍更大。（4）龍泉山1號(hào)四線小凈距超大斷面隧道應(yīng)先開(kāi)挖D3線，再一次開(kāi)挖D1線、K線與D2線。

超大斷面隧道; 公路; 小凈距; 數(shù)值模擬

U452.2+6?? A

[定稿日期]2021-08-02

[作者簡(jiǎn)介]王紅喜（1972～），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事工程單位路基、橋梁、隧道等建設(shè)工作。

近年來(lái)，公路基礎(chǔ)設(shè)施修建標(biāo)準(zhǔn)逐步提高，涌現(xiàn)出諸多超大斷面、小凈距公路隧道，對(duì)設(shè)計(jì)與施工提出了新的挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者就小凈距隧道的施工力學(xué)行為已經(jīng)有較為完善地研究。日本在地下工程近接施工領(lǐng)域有較為詳盡地研究，日本《既有鐵路隧道近接施工指南》中根據(jù)不同近接類(lèi)型對(duì)既有隧道近接建筑物的施工提出了相應(yīng)對(duì)策[1]。日本盾構(gòu)隧道施工指南中提出土壓力可以用于判定近接施工的影響程度與影響范圍[2]。在上海越江隧道技術(shù)指南[3]的編制中中則充分參考了以上兩個(gè)指南。小凈距隧道中凈距的大小與中夾巖的圍巖強(qiáng)度指標(biāo)是影響其近接分區(qū)的重要指標(biāo)[4-5]?？壮琜6]基于強(qiáng)度折減法利用圍巖強(qiáng)度儲(chǔ)備指標(biāo)得出了隧道平行近接施工影響分區(qū)。章慧健與郭蕾[7]研究分析了城市隧道近接既有建筑物的對(duì)策。

此外，設(shè)計(jì)與施工中還要同時(shí)考慮超大斷面與小凈距的共同作用。由于塑性區(qū)的大小與斷面大小有直接關(guān)系，因此，超大斷面隧道小凈距隧道的塑性區(qū)也變大，直接影響其修建難度。目前，大斷面公路隧道的修建仍主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比的方法。張俊儒等[8]全面調(diào)查綜述了中國(guó)四車(chē)道及以上超大斷面公路隧道當(dāng)前的修建技術(shù)水平，并在此基礎(chǔ)上闡述了超大斷面隧道施工工法與設(shè)計(jì)理論方面的不足，提出目前深埋圍巖壓力的計(jì)算沒(méi)有說(shuō)服力的計(jì)算理論。張業(yè)民[9]提出“夾巖薄弱面”的概念指導(dǎo)小凈距隧道施工。

根據(jù)文獻(xiàn)綜述可知，目前已存在較多近接隧道工程與超大斷面隧道工程，然而針對(duì)小凈距超大斷面隧道群的研究卻有限。本文依托成都天府機(jī)場(chǎng)高速公路龍泉山1號(hào)隧道工程，利用有限元數(shù)值計(jì)算首先研究了雙洞平行小凈距隧道的強(qiáng)度儲(chǔ)備并得到了近接影響分區(qū);其次，研究了超大斷面四線并行隧道的施工順序。

1 工程概況

1.1 工程背景

成都天府機(jī)場(chǎng)高速龍泉山1號(hào)隧道位于在天府新區(qū)太平鎮(zhèn)穿越龍泉山，至簡(jiǎn)陽(yáng)市五指鄉(xiāng)。設(shè)計(jì)為4洞隧道，分別為D1、K、D2、D3隧道。隧道斷面布置從左向右依次為2車(chē)道+3車(chē)道+3車(chē)道+2車(chē)道，各隧道位置關(guān)系如圖1所示。龍泉山1號(hào)隧道進(jìn)口洞口段四洞相鄰兩隧道凈間距（開(kāi)挖輪廓）分別為：D1線與K線10.5 m，K線與D2線12.75 m，D2線與D3線9.5 m;各洞之間凈間距均小于1倍隧道開(kāi)挖寬度。

1.2 工程地質(zhì)

隧址區(qū)屬侵蝕剝蝕構(gòu)造低山地貌，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，山巒起伏，地形切割較強(qiáng)烈，受巖性和構(gòu)造控制，為典型的背斜成山，龍泉山1號(hào)隧道出口為順向坡，坡度與巖層傾角基本一致。隧址區(qū)內(nèi)出露出地層主要有第四系全新統(tǒng)坡殘積層、崩坡積層、沖洪積層、滑坡堆積層，中生界中統(tǒng)遂寧組、中統(tǒng)沙溪廟組粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖。

場(chǎng)地水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，第四系松散層孔隙水埋藏淺，分部零星，水量貧乏，基巖孔隙裂隙水，含水層與隔水層相間，層間水力聯(lián)系差，局部地下水具承壓性，富水性也不強(qiáng)的特點(diǎn)。

2 小凈距隧道近接影響分區(qū)

小凈距隧道的施工通常利用隧道施工的時(shí)間與空間效應(yīng)，先行隧道與后行隧道拉開(kāi)施工距離。因此，本節(jié)利用強(qiáng)度折減法計(jì)算隧道的強(qiáng)度儲(chǔ)備時(shí)僅計(jì)算雙洞平行小凈距隧道工況，并據(jù)此研究得到小凈距隧道近接影響分區(qū)。強(qiáng)度折減法在有限元中的應(yīng)用可參考文獻(xiàn)[10-15]，這里不再贅述。

2.1 數(shù)值模型

數(shù)值模型利用FLAC3D進(jìn)行建模，利用極限狀態(tài)分析法計(jì)算隧道開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性安全系數(shù)，基于安全系數(shù)得到近接影響穩(wěn)定性分區(qū)，數(shù)值模型如圖2所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)與工況

龍泉山1號(hào)隧道小凈距段主要為V級(jí)圍巖，因此，本節(jié)計(jì)算中考慮圍巖的上限與下限參數(shù)，圍巖物理力學(xué)參數(shù)同如表1所示。計(jì)算工況如表2所示。計(jì)算工況示意圖如圖3所示。需要說(shuō)明的是，龍泉山1號(hào)隧道四隧道并非在同一水平線上，存在一定高差，因此這里計(jì)算研究影響分區(qū)規(guī)律時(shí)，同時(shí)計(jì)算了不同角度近接的工況。

2.3 計(jì)算結(jié)果

首先，需要說(shuō)明影響分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)：

（1）計(jì)算單個(gè)隧道無(wú)支護(hù)安全系數(shù)F1;

（2）計(jì)算后行隧道無(wú)支護(hù)安全系數(shù)F2;

（3）計(jì)算兩隧道整體安全系數(shù)F3;

（4）若F3=min（F1，F(xiàn)2），則視為隧道近接無(wú)影響;若F3<min（F1，F(xiàn)2），則視為有影響;得到小凈距隧道不同位置時(shí)F3=min（F1，F(xiàn)2）坐標(biāo)點(diǎn)，作出安全系數(shù)等值線，如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，兩雙車(chē)道隧道小凈距平行近接時(shí)，中夾巖越弱，近接施工影響的區(qū)域越大，這是由于圍巖越軟弱，產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍越大;而當(dāng)先開(kāi)挖的隧道埋深增大時(shí)，單隧道圍巖穩(wěn)定性安全系數(shù)降低，整體強(qiáng)影響區(qū)域的范圍也會(huì)變大。那么，埋深更大工況時(shí)大跨度小凈距隧道時(shí)的安全距離更大。

圖5為三車(chē)道小凈距隧道影響分區(qū)圖。根據(jù)圖5可知，三車(chē)道小凈距隧道影響分區(qū)也主要為梯形，三車(chē)道小凈距隧道近接影響區(qū)變化基本規(guī)律與雙車(chē)道工況基本一致，由于三車(chē)道隧道跨度更大，塑性區(qū)更大，所以小凈距隧道的影響范圍較雙車(chē)道小凈距隧道的影響范圍更大。

3 四線隧道施工順序研究

前文研究基于二維平面計(jì)算，雖然二維數(shù)值計(jì)算能夠在平面應(yīng)變假定下分析隧道開(kāi)挖后的強(qiáng)度儲(chǔ)備問(wèn)題，然而在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，小凈距大跨度隧道的穩(wěn)定性不可忽略施工時(shí)空效應(yīng)的影響。本章擬利用三維數(shù)值計(jì)算模擬施工過(guò)程中夾巖塑性區(qū)變化，用于確定適當(dāng)?shù)氖┕ろ樞?。龍泉山一?hào)隧道小凈距段雙車(chē)道隧道埋深為18～28 m，三車(chē)道隧道埋深為29～33 m。這里計(jì)算兩種工況，分別為工況1先施工兩側(cè)雙車(chē)道隧道（D3與D1）;工況2先施工中間三車(chē)道隧道（D2與K）。

3.1 計(jì)算模型

隧道圍巖與初期支護(hù)均采用實(shí)體單元，二次襯砌采用殼單元。隧道圍巖服從摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，初期支護(hù)與二次襯砌服從彈性本構(gòu)。該模型共有84 105個(gè)單元，51 342個(gè)節(jié)點(diǎn)。三維數(shù)值模型如圖6所示。計(jì)算時(shí)雙車(chē)道隧道采用三臺(tái)階七步法，三車(chē)道隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

3.2 計(jì)算參數(shù)

隧道圍巖參數(shù)采用表1中V級(jí)圍巖參數(shù)，結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)如表3所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果

本節(jié)計(jì)算結(jié)果僅呈現(xiàn)夾巖塑性區(qū)情況。工況1與工況2的塑性區(qū)如圖7所示。D3線隧道初支最小主應(yīng)力云圖如圖8所示。

根據(jù)圖7可知，工況1先開(kāi)挖兩側(cè)的雙車(chē)道隧道，兩隧道的凈距較大，遠(yuǎn)大于2.5倍洞徑，兩隧道開(kāi)挖不會(huì)相互影響，中夾巖未出現(xiàn)塑性區(qū)。工況2先開(kāi)挖中間的兩個(gè)三車(chē)道隧道，施工完后再依次開(kāi)挖兩側(cè)的雙車(chē)道隧道，后行隧道與先行隧道中夾巖已出現(xiàn)塑性區(qū)，需要對(duì)中夾巖加固，保證夾巖的穩(wěn)定。圖8以D3隧道初支為對(duì)象，考察其最小主應(yīng)力，工況2施工過(guò)后，D3隧道初支最小主應(yīng)力絕對(duì)值也稍大于工況1。因此，筆者認(rèn)為選擇工況1的施工工序更為合適，即先開(kāi)挖D3線，再一次開(kāi)挖D1線、K線與D2線。

4 結(jié)論

本文依托成都天府機(jī)場(chǎng)高速公路龍泉山1號(hào)隧道工程，建立了平面有限元模型，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算了雙洞平行小凈距隧道的強(qiáng)度儲(chǔ)備并得到了近接影響分區(qū);其次，利用三維數(shù)值計(jì)算有限元研究分析了超大斷面四線并行隧道的施工順序，得到了以下結(jié)論：

（1）圍巖越軟弱，產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍越大;而當(dāng)先開(kāi)挖的隧道埋深增大時(shí)，單隧道圍巖穩(wěn)定性安全系數(shù)降低，整體強(qiáng)影響區(qū)域的范圍也會(huì)變大。那么，埋深更大工況時(shí)大跨度小凈距隧道時(shí)的安全距離更大。

（2）超大跨度小凈距隧道需要控制最小凈距保持中夾巖的穩(wěn)定，避免后行隧道開(kāi)挖影響先行隧道的穩(wěn)定。

（3）三車(chē)道小凈距隧道影響分區(qū)也主要為梯形，三車(chē)道小凈距隧道近接影響區(qū)變化基本規(guī)律與雙車(chē)道工況基本一致，由于三車(chē)道隧道跨度更大，塑性區(qū)更大，所以小凈距隧道的影響范圍較雙車(chē)道小凈距隧道的影響范圍更大。

（4）龍泉山1號(hào)四線小凈距超大斷面隧道應(yīng)先開(kāi)挖D3線，再一次開(kāi)挖D1線、K線與D2線。

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