淺埋偏壓小凈距隧道CD法施工合理凈距

畢 玉

(黃茅?？绾Ｍǖ拦芾碇行?，廣東 珠海 519055 )

0 引言

我國隧道建設迅猛發(fā)展，復雜地質(zhì)工況下的隧道結(jié)構日益增多，而小凈距隧道較之分離隧道與連拱隧道具有自身獨特的優(yōu)點，既解決交通擁堵問題又降低了施工難度。許多隧道進出口為淺埋，容易存在偏壓現(xiàn)象[1-2]。隧道如處于淺埋偏壓條件下，圍巖性質(zhì)又較差(IV、V級)，施工的安全穩(wěn)定性將面臨較大挑戰(zhàn)。小凈距隧道先后行洞施工互相影響，中夾巖柱易出現(xiàn)塑性區(qū)貫穿的現(xiàn)象，因此首先需確保小凈距隧道中夾巖柱的穩(wěn)定性，才能夠進一步地確保隧道在施工過程中的整體安全性[3]。

目前關于淺埋偏壓小凈距隧道的相關研究主要涉及施工方法、支護設計、圍巖穩(wěn)定性、合理的錯距與凈距等。侯福金[4]等依托實際工程，采用數(shù)值模擬、分析實測數(shù)據(jù)對半步CD法、CD法與雙側(cè)壁導洞法等三種施工工法進行適用性比選；邵珠山[5]等為避免地鐵工程左、右線擾動過大，模擬不同開挖方案并對結(jié)果進行分析，確定了合理的掌子面錯開距離。薛大全[6]以實際隧道施工為背景，利用有限差分法對CD與CRD法施工與支護進行模擬分析。程高峰[7]結(jié)合實際的隧道工程，分析小凈距隧道合理凈距的影響因素，綜合確定小凈距隧道的合理凈距。

本文探討V級圍巖條件下某淺埋偏壓小凈距隧道采取CD法施工的合理凈距。利用FLAC3D軟件建立不同凈距的隧道模型(凈距D=0.25B、0.50B、0.75B、1.00B、1.25B、1.50B，B為隧道寬度)，綜合分析不同小凈距隧道中夾巖柱周邊圍巖塑性區(qū)范圍、相應位移與最大應力變化規(guī)律，從多個角度分析得出小凈距隧道合理凈距，評價中夾巖柱的穩(wěn)定性，進一步確保隧道施工期間的安全，為相關工程施工與設計提供參考。

1 工程概況

本文依托某淺埋偏壓小凈距隧道，選取小凈距隧道平均埋深13m的斷面進行模擬。隧道位于平均坡度13°的斜坡正下方，先行洞和后行洞斷面寬度為11.5m，高度為9.4m，施工期間初支為23cm厚的C25噴射混凝土。淺埋偏壓地段圍巖類型通常表現(xiàn)為軟弱破碎，多為V級圍巖，圍巖自我保持穩(wěn)定的能力較差，在無加固與支護等措施的條件下易發(fā)生坍塌滲水等工程病害。為了保證小凈距隧道施工的安全，通常采用CD法進行開挖。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

結(jié)合圣維南原理利用FLAC3D軟件建立平面應變模型。圍巖選取實體單元并采用M-C模型，初支選取殼單元并采用彈性模型。左、右邊界設置X位移約束，前后邊界設置Y位移約束，下部設置Z位移約束。通過提高加固圈圍巖參數(shù)，實現(xiàn)超前支護與錨桿等加固措施的作用。先行洞(右洞)與后行洞(左洞)采取CD法，分8部分進行挖掘。淺埋偏壓小凈距隧道圍巖與初支力學參數(shù)見表1，模型尺寸及監(jiān)測點布置如圖1所示。

圖1 模型尺寸與測點布置(單位：m)

表1 淺埋偏壓小凈距隧道圍巖與初支力學參數(shù)

2.2開挖工序與監(jiān)測布置

初始狀態(tài)僅進行自重應力平衡，模擬施工工序按圖1所示區(qū)域進行編號，按照第1至第8部分順序進行開挖作業(yè)，每施工開挖完成一階段后及時分步施加隧道初支，達到平衡狀態(tài)后再進行下一步的開挖工序。數(shù)值模擬施工開挖過程中，對中夾巖柱塑性區(qū)、變形與應力進行觀測，監(jiān)測點為中夾巖柱對應部位(左洞拱頂、左洞右拱腰、左洞拱底、右洞拱頂、右洞左拱腰、右洞拱底)，如圖1所示。不同凈距工況為D=0.25B、0.50B、0.75B、1.00B、1.25B、1.50B。

3 模擬計算結(jié)果分析

3.1 中夾巖柱塑性區(qū)

中夾巖柱在小凈距隧道掘進過程中存在應力集中的現(xiàn)象，周邊圍巖易發(fā)生塑性變形。由于塑性變形將導致圍巖承載能力大幅降低，因此中夾巖柱的穩(wěn)定狀態(tài)也反映小凈距隧道施工的安全穩(wěn)定性。通過分析小凈距隧道整體圍巖與中夾巖柱塑性區(qū)范圍分布規(guī)律，以不同凈距工況下隧道開挖完成后的中夾巖柱塑性區(qū)是否貫通或具有貫通的趨勢來評價穩(wěn)定性。圖2為不同凈距工況下隧道塑性區(qū)云圖。

圖2 不同凈距下隧道塑性區(qū)云圖

分析不同凈距工況下小凈距隧道整體塑性區(qū)與中夾巖柱塑性區(qū)的分布規(guī)律，可知：

(1)由于受到淺埋偏壓的影響，先行洞(右洞)周邊圍巖塑性區(qū)明顯大于后行洞(左洞口)，塑性區(qū)表現(xiàn)為拉伸、剪切與拉伸剪切復合；先行洞和后行洞挖掘過程中相互影響，影響效應隨凈距的增大而減小，塑性區(qū)范圍也隨凈距增大而減小；淺埋偏壓小凈距隧道塑性區(qū)主要出現(xiàn)于拱腳與拱底，以拱腳為甚；中夾巖柱下側(cè)塑性區(qū)表現(xiàn)突出，由于偏壓導致中夾巖柱塑性區(qū)并非對稱分布。

(2)中夾巖柱塑性區(qū)分布隨凈距的改變發(fā)生較為明顯的變化，當D=0.25B～0.50B時，中夾巖柱塑性區(qū)呈貫通或即將貫通的趨勢。以中夾巖柱塑性區(qū)不貫通作為圍巖穩(wěn)定性評判依據(jù)，得出D=0.25B～0.50B的小凈距隧道處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當D=0.75B時中夾巖柱塑性區(qū)未發(fā)生貫通，雙洞塑性區(qū)分離，表明中夾巖柱處于穩(wěn)定狀態(tài)；當D≥0.75B，中夾巖柱塑性區(qū)持續(xù)減小，隧道越發(fā)變得穩(wěn)定。根據(jù)塑性區(qū)數(shù)值結(jié)果分析，合理的凈距取值D=0.75B較為合適。

3.2 中夾巖柱位移

小凈距隧道雙洞凈距變化，加上淺埋偏壓的影響，隧道中夾巖柱測點位移發(fā)生變化。圖3與圖4為不同凈距下隧道中夾巖柱圍巖位移變化情況。

圖3 不同凈距下隧道中夾巖柱水平位移

圖4 不同凈距下隧道中夾巖柱豎向位移

隧道中夾巖柱的穩(wěn)定性除塑性區(qū)貫通外，還可通過位移變化速率來評價。由于淺埋隧道上部巖體覆蓋范圍減小，所以隧道中夾巖柱監(jiān)測點位移變化均較小。

(1)對中夾巖柱位移進行分析。隨著隧道凈距的增大，右洞左拱腰水平位移幾乎呈直線上升，右洞拱頂與拱底水平位移均呈緩慢增加的趨勢，左洞相應部位水平位移均呈緩慢下降的狀態(tài)；右洞相應部位豎向位移緩慢增加，左洞相應部位豎向位移緩慢減小。淺埋偏壓條件下，由于雙洞凈距增加，導致左洞上覆巖體厚度減小，左洞上覆巖體厚度增大，雙洞影響相互削弱，所以左洞相應位置的位移呈減小趨勢，右洞相應位置的位移呈上升趨勢。

(2)結(jié)合中夾巖柱水平位移與豎向位移角度進行分析。無論是水平位移或豎向位移，位移變化速率轉(zhuǎn)折點在D=0.75B處，在0.75B處位移變化速度較快，D≥0.75B后曲線接近于直線。為確保隧道的穩(wěn)定性并結(jié)合工程施工，本文建議選取0.75B凈距較為合理。

3.3 中夾巖柱應力

在隧道中夾巖柱相應監(jiān)測點進行圍巖應力監(jiān)測，主要監(jiān)測內(nèi)容為主應力。對中夾巖柱最大主應力進行分析，不同凈距下隧道中夾巖柱最大主應力變化情況如圖5所示。

圖5 不同凈距下隧道中夾巖柱最大主應力

分析不同凈距下隧道中夾巖柱的最大主應力，可得出以下規(guī)律：最大主應力表現(xiàn)為壓應力。隧道中夾巖柱整體最大主應力隨凈距的增加而呈現(xiàn)減小趨勢，表明中夾巖柱應力集中的大小與凈距緊密相關，凈距越小，中夾巖柱應力集中的現(xiàn)象越明顯。應力集中最為顯著地出現(xiàn)在中夾巖柱對應的雙洞拱腰處，而雙洞拱頂與拱底應力集中不明顯和不突出，因此中夾巖柱應及時進行加固，防止中夾巖柱對應的拱腰處發(fā)生受壓破壞。

由圖5分析得出凈距0.25B變化為1.50B的過程中，隧道中夾巖柱各部位最大主應力曲線下凹速率逐漸減緩。當凈距D≥0.75B時，應力曲線幾乎呈現(xiàn)為直線，應力變化不明顯，說明0.75B凈距時的中夾巖柱最大應力可作為主應力臨界值。如凈距持續(xù)增大，小凈距隧道中夾巖柱應力集中的現(xiàn)象減弱，相互之間的應力影響程度也持續(xù)衰弱。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

某淺埋偏壓小凈距隧道洞口凈距為17m(約為1.5B)，在隧道開挖過程中對后行洞(左洞)初期支護進行布點監(jiān)測。監(jiān)測項目為左洞初期支護相應部位的壓力(經(jīng)過處理為水平壓力與豎向壓力)，將對應部位的數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)控數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖6所示。

圖6 淺埋偏壓小凈距隧道左洞初支壓力值

結(jié)合模擬數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：

初支壓力不論是水平壓力還是豎向壓力，監(jiān)測數(shù)據(jù)壓力值均大于數(shù)值模擬值，差距范圍在5%～15%之間。造成誤差的原因在于數(shù)值模擬中洞口未設置超前加固等措施，淺埋條件下偏壓隧道存在節(jié)理與裂隙較多，使淺埋偏壓隧道初支受力受地質(zhì)條件影響較大，而模擬當中又進行了簡化，因此實測數(shù)據(jù)較模擬愈大，誤差范圍在合理范圍中，從初支壓力角度分析論證了數(shù)值模擬的可靠性。

豎向壓力較大值均處于初支拱腰處，而水平壓力較大值位于拱頂與拱底處，主要是因為初支與巖土體共同受力，圍巖的拱頂沉降、拱底隆起與拱腰收斂較大，圍巖分擔了較多荷載，初支荷載分擔比例降低。左洞洞口利用CD法進行施工時，應對隧道初支參數(shù)進行動態(tài)優(yōu)化，確保淺埋偏壓小凈距隧道施工期間的安全性。此實踐經(jīng)驗也可為相關工程施工提供參考。

4 結(jié)語

本文以某淺埋偏壓小凈距隧道為工程背景，設置不同凈距隧道數(shù)值模型，分析隧道中夾巖柱圍巖塑性區(qū)范圍、相應位移與最大應力的變化規(guī)律。根據(jù)數(shù)值模型提取的相關模擬結(jié)果，綜合分析并確定淺埋偏壓小凈距隧道CD法施工的合理凈距。通過與實測數(shù)據(jù)對比分析，誤差范圍在5%～15%之間，論證了數(shù)值模型的可靠性。

(1)隨著淺埋偏壓隧道凈距的增大，整體塑性區(qū)范圍逐漸減小，其中夾巖柱下側(cè)塑性區(qū)表現(xiàn)突出；凈距0.25B～0.50B工況下中夾巖柱塑性區(qū)的貫通將導致隧道失穩(wěn)；鑒于中夾巖柱塑性區(qū)完全分離，分析得出合理的凈距為0.75B。

(2)隨著淺埋偏壓隧道凈距的增大，中夾巖柱右側(cè)部位水平與豎向位移均呈增長趨勢，而左側(cè)部位卻與之相反。分析位移變化速率的轉(zhuǎn)折點，認為凈距為0.75B可確保隧道施工的穩(wěn)定性。

(3)隨著淺埋偏壓隧道凈距的增大，中夾巖柱最大主應力逐漸減小，對應的拱腰處應力集中較為明顯。凈距0.75B作為主應力臨界控制值，明顯改善了應力集中的現(xiàn)象。