小凈距隧道抗震安全性分析及支護(hù)方法研究

李 杰

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，天津 300000)

1 概 述

由于兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的相互影響，小凈距隧道相關(guān)的問題一直是常見的研究熱點(diǎn)。小凈距隧道大多為雙線平行隧道，洞徑相同，開挖方式相近，兩條隧道之間沒有明顯差別，因此相互之間的影響更加明顯。通常對(duì)于雙線隧道，其內(nèi)部應(yīng)力分布及位移分布的復(fù)雜程度要大于單線隧道，尤其是在隧道凈距較小時(shí)，易引起某處應(yīng)力或位移較大的情況，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻。

如今對(duì)雙線隧道的相關(guān)問題已經(jīng)有很多深入的研究。牟天光[1]以南寧地鐵3號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間工程為背景，采用數(shù)值分析的方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了雙線盾構(gòu)隧道施工橫向地表沉降規(guī)律。楊傳亮[2]以有限元方法分析了合肥某排水管道上穿地鐵隧道的情況，研究了給排水管道在施工開挖過程中對(duì)既有下層雙線隧道的影響，通過Midas GTS NX數(shù)據(jù)分析，并通過有限元數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)了隧道的安全穩(wěn)定性。程廣酬[3]研究了三臺(tái)階法在鐵路雙線軟巖隧道施工中的應(yīng)用，提高了鐵路雙線軟巖隧道施工人員對(duì)三臺(tái)階法的掌握力度，增加了隧道的安全性。張建國[4]研究了下穿高壓電塔的地鐵雙線小凈距盾構(gòu)隧道，以巖石地層小凈距盾構(gòu)區(qū)間下穿南吳線66kV高壓電塔為背景進(jìn)行數(shù)值模擬，在雙線凈距僅2.8m的情況下安全順利通過了高壓電塔。張心悅[5]以廣州市軌道交通十八號(hào)線隴枕出入場(chǎng)線為例，通過施工參數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的變形控制措施，分析了地表變形的五個(gè)階段。馮慧君[6]依托天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道掘進(jìn)工程，基于FLAC3D軟件建立隧道掘進(jìn)過程的有限元模型，從隧道開挖變形、地表沉降的角度分析先挖線路對(duì)后挖線路變形特征的影響，驗(yàn)證雙線隧道盾構(gòu)施工的疊加效應(yīng)。鞠鑫[7]利用公式計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)三種方式研究了雙線隧道盾構(gòu)施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)規(guī)律及控制措施，結(jié)果表明使用的計(jì)算公式對(duì)雙線隧道具有良好的適用性，施工完成后地表形成非對(duì)稱“W”形沉降槽。李科[8]以某區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場(chǎng)高速公路為研究對(duì)象，利用混合離散法對(duì)高速公路及隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，所得結(jié)果對(duì)該區(qū)間盾構(gòu)隧道施工提供了指導(dǎo)。

雙線隧道的隱患要高于單線隧道，尤其是在遇到自然災(zāi)害時(shí)，由于兩條隧道的相互影響，雙線隧道的穩(wěn)定性要小于單線隧道。本文對(duì)雙線隧道的抗震穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究，利用有限元軟件Abaqus分析在地震條件下雙線隧道各個(gè)方面的變化，對(duì)比兩條隧道在受到地震影響下的位移、應(yīng)力變化的區(qū)別，并以此對(duì)隧道的建造提出相應(yīng)建議，確保隧道的安全。

2 工程概況

楚雄至大理高速公路改擴(kuò)建工程勘察試驗(yàn)段第四標(biāo)段(九頂山隧道進(jìn)口段)工程，為一座分離式隧道，右幅隧道全長7560m，最大埋深731m，左幅隧道全長7597m，最大埋深730m。左右幅隧道累計(jì)總長15157m，隧道左右幅凈距約為20.3～40.0m。

隧道海拔介于2180.00～3085.00mm之間，相對(duì)高差905m，屬構(gòu)造溶蝕、構(gòu)造剝蝕中山地形地貌區(qū)，地形起伏較大，交通不便。區(qū)域地質(zhì)及相關(guān)地調(diào)成果顯示，九頂山隧道區(qū)段位于川滇南北向構(gòu)造帶和青藏滇緬歹字形構(gòu)造帶之間的構(gòu)造斜交與復(fù)合地帶，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜；巖性以碎屑巖及碳酸鹽巖等沉積巖、巖漿巖和基性火山巖為主，間有硅質(zhì)巖覆以中生界紅色碎屑巖，中生代末期燕山運(yùn)動(dòng)促使褶皺發(fā)育，復(fù)經(jīng)喜山運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步復(fù)雜化，再經(jīng)近期外力地質(zhì)作用的塑造而顯露當(dāng)今外貌(見圖1)。九頂山隧道處巖漿巖的不規(guī)則頻繁侵入對(duì)隧道圍巖完整性及穩(wěn)定性影響較大，形成多個(gè)性質(zhì)復(fù)雜的斷層構(gòu)造帶、巖性接觸帶、蝕變帶等圍巖破碎帶，對(duì)圍巖穩(wěn)定及隧洞開挖影響較大。

3 三維數(shù)值模型

根據(jù)基坑圖紙和當(dāng)?shù)貓D紙勘測(cè)報(bào)告，建立整體模型(見圖2)。其中兩條隧道開挖跨度為18m，厚度為1.5m，間距為20m。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)及《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F60—2009)的規(guī)定，結(jié)合隧道設(shè)計(jì)斷面，工程地質(zhì)條件及類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于九頂山隧道小凈距一般影響段，由于其左右幅凈距為20.3m～27.0m，屬于凈距大于13.5m(0.75B)且小于1.5B(B為隧道開挖寬度，B=18m)的V級(jí)圍巖段。為了最大程度減小邊界效應(yīng)的影響，將土體尺寸設(shè)為高度120m、長度120m。上覆巖石荷載折算成等值均布?jí)毫κ┘佑谀Ｐ晚敳?。相關(guān)的巖體和隧道材料參數(shù)見表1和表2。

圖1 九頂山隧道地理位置

圖2 模型整體示意圖

表1 巖體主要參數(shù)

表2 基坑擋土墻及隧道襯砌材料參數(shù)

在模型邊界上施加地震荷載的邊界條件，分析兩條隧道的位移和應(yīng)力時(shí)程曲線，判斷地震對(duì)其造成的影響。地震荷載根據(jù)相關(guān)工程資料確定。

4 地震對(duì)雙線隧道影響結(jié)果分析

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果

由模型整體位移云圖(見圖3)可知，圍巖的最大位移主要產(chǎn)生于地表處震源的方向，由于地表沒有約束，表層土體可以向上隆起，導(dǎo)致總位移偏大。由云圖可知左側(cè)隧道率先受到影響。由模型的水平位移云圖可知，地震波由左側(cè)傳遞到右側(cè)，位移逐漸減小，到右側(cè)邊界處時(shí)位移向左?？v向位移則與總位移相近，最大位移產(chǎn)生于地表處。從雙線隧道拱頂位移曲線(見圖4)可以看出，左線隧道位移最大值為0.35m，右線隧道位移最大值則為0.25m，兩條隧道增長幅度相近，位移變化趨勢(shì)類似，但明顯左線隧道受地震影響較大，是右線隧道的1.4倍。

圖3 模型整體位移云圖

圖4 隧道拱頂位移時(shí)程曲線

由模型整體Mises應(yīng)力云圖(見圖5)可知，隧道上下兩端所受的應(yīng)力較大，且左側(cè)隧道應(yīng)力要大于右側(cè)隧道。左側(cè)隧道應(yīng)力最終值為354kPa，右側(cè)隧道應(yīng)力最終值為232kPa。因此當(dāng)?shù)卣鸩◤淖髠?cè)傳遞時(shí)，

圖5 模型整體應(yīng)力云圖

左側(cè)隧道首當(dāng)其沖受到擾動(dòng)，其后地震波的影響繼續(xù)傳遞到右側(cè)隧道，造成較小影響。而由應(yīng)力時(shí)程曲線(見圖6)亦可知，左線隧道的整體應(yīng)力變化幅度要高于右側(cè)，但兩組數(shù)據(jù)在峰值上相差不大。

由以上分析結(jié)果判斷，遭受地震的雙線隧道左洞會(huì)產(chǎn)生較大的位移，右洞則受影響較小。這一現(xiàn)象將導(dǎo)致隧道線路發(fā)生偏移，造成不良影響。為了減少對(duì)施工的影響，本次研究通過增加基坑與隧道間距、在開挖過程中施加支撐等方式來控制隧道的位移。

4.2 隧道支護(hù)加固結(jié)構(gòu)分析

本節(jié)研究了對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù)加固時(shí)的情況。在前文計(jì)算中，可發(fā)現(xiàn)地震從左側(cè)傳遞時(shí)左側(cè)隧道所受的影響較大，但當(dāng)?shù)卣饘?shí)際來臨時(shí)，其傳遞的具體方位并不明確，因此只能在假設(shè)其固定方位的情況下計(jì)算兩條隧道的受力及支護(hù)起到的效果，并采用支護(hù)效果較好的措施對(duì)兩條隧道分別加固。

圖6 隧道拱頂應(yīng)力時(shí)程曲線

首先考慮對(duì)隧道周圍巖體進(jìn)行注漿加固。由于洞段巖體有一定破碎度，注漿能夠改善圍巖的完整性，加強(qiáng)巖石的強(qiáng)度，保障隧道的安全性。本次研究中，以增大圍巖模量等相關(guān)參數(shù)來模擬注漿的過程，圍巖強(qiáng)度提升1倍左右(見圖7)。由圖7可知，在對(duì)圍巖注漿后，左右洞的位移明顯減小，其中左洞位移減為原來的1/3，右洞位移減為原來的1/4。因此當(dāng)對(duì)兩條隧道都進(jìn)行加固時(shí)，距離震源較遠(yuǎn)的隧道加固效果更加明顯。而兩條隧道的應(yīng)力最大值都為260kPa，減小幅度在50%以上，應(yīng)是由于隧道變形的減少所致。

圖7 注漿加固時(shí)隧道拱頂位移時(shí)程曲線

其次模型將使用錨桿加固手段。模型中的錨桿用桿單元建立，按鋼截面模擬，圍繞隧道周邊布置(見圖8)?？梢院苊黠@看出，在設(shè)置錨桿后左側(cè)隧道與注漿時(shí)的位移相差較小，右側(cè)隧道的位移則相差了近1倍。由此可見，圍巖的破碎程度對(duì)隧道的位移影響明顯，在設(shè)置錨桿時(shí)也會(huì)影響其效果。相比于位移，兩條隧道的應(yīng)力在最大值上的變化與注漿時(shí)相同，為250kPa，因此錨桿和注漿的主要差別在于對(duì)隧道位移的影響。

綜上所述，相比于錨桿，小導(dǎo)管注漿能夠更好地防止地震擾動(dòng)對(duì)隧道造成影響，但依舊無法完全抵抗隧道的位移變化，因此，在前文的基礎(chǔ)上，本次研究對(duì)隧道采取了注漿錨桿的支護(hù)方式，即將注漿和錨桿兩種方法結(jié)合起來，計(jì)算其對(duì)隧道的保護(hù)作用。由于水泥漿由錨桿注入圍巖，因此，錨桿的長度也決定了注漿的影響范圍，本文將錨桿的長度列入考慮，限于雙線隧道的凈距，計(jì)算了錨桿長度從3m到8m的情況，由圖9可知，在錨桿和注漿的共同作用下，隧道位移相比之前有小幅減少，同時(shí)隨著錨桿長度的增加，穩(wěn)定效果逐漸提升。當(dāng)錨桿長度達(dá)到5.5m時(shí)，位移不再繼續(xù)減小，說明此時(shí)隧道周邊圍巖強(qiáng)度已趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加長度意義不大。因此，當(dāng)錨桿長度為5.5m時(shí)，對(duì)隧道的加固效果及性價(jià)比最好。

圖8 錨桿加固時(shí)隧道拱頂位移時(shí)程曲線

圖9 隧道最大位移隨錨桿長度變化曲線

5 施工重點(diǎn)控制

注漿錨桿是根據(jù)我國隧道工程、邊坡治理工程、煤礦巷道工程等實(shí)際需要而開發(fā)的新產(chǎn)品，將注漿和錨桿的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，達(dá)到提高隧道安全性的效果。

由于本工程中雙線隧道的小凈距特性，施工過程中將遇到很多重難點(diǎn)，中巖柱可能因?yàn)橐蛉雽?dǎo)管而在前期呈現(xiàn)強(qiáng)度薄弱的情況，因此需要對(duì)關(guān)鍵地段采取相關(guān)措施。

a.設(shè)置超前管棚。為保證洞口穩(wěn)定性和減少洞口開挖，隧道巖體結(jié)構(gòu)類型呈散體狀或碎裂狀結(jié)構(gòu)的V級(jí)圍巖段均設(shè)置超前管棚作為輔助進(jìn)洞措施。

b.支護(hù)方案設(shè)計(jì)。初期支護(hù)：對(duì)于Ⅴ1、Ⅴ2、Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3、Ⅲ級(jí)圍巖，由噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)及工字鋼鋼架組成。鋼架之間用縱向鋼筋連接，并與徑向錨桿及鋼筋網(wǎng)焊為一踢，與圍巖密貼，形成承載結(jié)構(gòu)。二次襯砌：當(dāng)設(shè)計(jì)荷載較大時(shí)，特別是在淺埋/軟弱圍巖地段，后期變形荷載較大，須采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。在初期支護(hù)和二次襯砌之間鋪設(shè)各類透水排水管、土工布及防水卷材。

c.注重洞口抗震措施。嚴(yán)格控制邊仰坡開挖高度和面積，洞口邊仰坡防護(hù)不采用素混凝土及石砌體結(jié)構(gòu)型式。為防止邊、仰坡失穩(wěn)后塌落土石落入隧道，堵塞洞口，加長明洞結(jié)構(gòu)。采用端墻式洞門時(shí)，端墻采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，洞門墻與洞口段襯砌間采用鋼筋連接，同時(shí)洞門端臨空面高度控制在15m以內(nèi)。明洞襯砌采用70cm厚全封閉C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墻兩側(cè)采用漿砌片石回填，提高約束剛度。明洞地基承載力不足地段采取換填、注漿加固等措施處理，確保明洞置于穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上。

d.注重洞身抗震措施。對(duì)于淺埋段、斷層破碎帶及巖性接觸帶段，抗震設(shè)防段應(yīng)向兩端圍巖質(zhì)量較好的地段延伸10m，設(shè)防長度范圍內(nèi)采用超前支護(hù)加固圍巖。二次襯砌在淺埋段、斷層破碎帶段及巖性接觸帶段應(yīng)提高分布鋼筋及箍筋的配筋率。

e.變形縫設(shè)置。設(shè)防長度范圍內(nèi)沿縱向每20～25m設(shè)一道環(huán)向減震縫，具體減震縫間距根據(jù)臺(tái)車長度而定。

6 結(jié) 論

本文以楚雄至大理高速公路改擴(kuò)建工程勘察試驗(yàn)段第四標(biāo)段(九頂山隧道進(jìn)口段)為背景，根據(jù)勘測(cè)數(shù)據(jù)，利用有限元軟件Abaqus建立了數(shù)值模型，分析了地震作用對(duì)雙線隧道造成的影響。通過對(duì)比兩條隧道的應(yīng)力和位移狀態(tài)，以及對(duì)隧道進(jìn)行不同的加固措施，計(jì)算其加固效果，得出如下結(jié)論：

a.雙線隧道在遭受地震荷載時(shí)，距離震源較近的那一條隧道會(huì)承受更大的影響，從而引發(fā)更大的效應(yīng)，最終位移和應(yīng)力約為另一側(cè)隧道的1.3倍，地震過程中的最大應(yīng)力則相差無幾。

b.對(duì)隧道施加錨桿支護(hù)和小導(dǎo)管注漿都能有效減少地震對(duì)隧道位移和應(yīng)力的影響，但注漿效果要好于錨桿。在對(duì)位移的影響上，注漿后的近震源隧道最大位移為原來的34%，遠(yuǎn)震源隧道最大位移為原來的25%；施加錨桿后的近震源隧道最大位移為原來的42%，遠(yuǎn)震源隧道最大位移為原來的48%。

c.當(dāng)使用注漿導(dǎo)管對(duì)隧道進(jìn)行加固時(shí)，將能同時(shí)發(fā)揮兩者的效果，但相比單個(gè)防護(hù)措施來說提升效果不大。當(dāng)錨桿長度為5.5m時(shí)，支護(hù)的效果及性價(jià)比最高。

d.對(duì)隧道及其施工工藝的難點(diǎn)提出了相應(yīng)要求和設(shè)計(jì)措施。