偏壓小凈距隧道初期支護施工力學研究

趙德源 邢增波 楊瀚鵬 王崢 徐杰

1.北京首發(fā)道路橋梁工程有限公司 100000

2.北京政平建設集團有限公司 101100

3.北京公聯(lián)潔達公路養(yǎng)護工程有限公司 100071

4.北京市昌平區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設委員會 102200

5.北京市房山城建集團有限公司 102400

引言

近年來，隨著我國公共交通的蓬勃發(fā)展加之多山的地理環(huán)境，各類隧道的建設發(fā)展水平也在不斷提高。受地質、地勢等條件影響，雙洞隧道間的凈距往往難以達到分離隧道的要求。采用連拱隧道存在施工工藝復雜、精度要求高、工期長、防水性能難以保障等缺點，因此，提出介于分離隧道與連拱隧道之間的小凈距隧道形式［1］。受地形、線路等條件制約，小凈距隧道往往出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象，即一側隧道靠近山體邊坡覆土較淺，另一側隧道上方覆土較深，實際施工中易發(fā)生圍巖變形超限現(xiàn)象。

國內外學者對偏壓小凈距隧道開展了一些研究，如周惠等對大斷面小凈距隧道的施工力學行為進行研究［2］；劉伯剛等針對大跨度小凈距隧道，研究了不同施工方法對圍巖及支護結構的影響［3］；葛玉芹等對小凈距隧道施工方法及合理凈距進行了數(shù)值模擬研究［4］。但偏壓小凈距隧道的受力變形規(guī)律復雜，隧道開挖的初期支護參數(shù)、施工方法、施工順序等應做針對性研究。

本文通過有限元模擬偏壓小凈距隧道初期支護的施工狀態(tài)，并對其開展力學分析，從而進行深入討論。

1 計算模型

1.1 隧道及土體模型

隧道初期支護洞徑11.2m，左、右洞凈距9.8m，邊坡坡度31°，該區(qū)域隧道段上方由上至下依次覆蓋沉積土、軟巖及硬巖，其中，左右隧道均位于硬巖層中，左側隧道最近距離邊坡28m，根據(jù)圣維南原理，模型范圍水平向取至4 倍洞徑，豎直向取至3 倍洞徑，有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element mode

1.2 模型計算參數(shù)

隧道圍巖計算參數(shù)見表1，隧道初期支護計算參數(shù)見表2。

表1 隧道圍巖計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of tunnel surrounding rock

表2 初期支護計算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters of initial support

1.3 隧道開挖順序方案

隧道的開挖順序不同對初期支護受力及周邊土體沉降有著不同影響，由開挖引起的空間圍巖塑性破壞和位移更是會在偏壓作用下產(chǎn)生規(guī)律性變化［5］，因此設計兩種不同的開挖施工順序并分別建模，通過比較從而優(yōu)化設計。

方案A及方案B均采用臺階法施工。

方案A施工順序：1.初始狀態(tài)；2. 開挖左側隧道上半斷面土體；3. 架設鋼拱架、安裝錨桿、初噴混凝土；4. 噴錨混凝土硬化；5. 開挖左側隧道下半斷面土體；6.架設鋼拱架、安裝錨桿、初噴混凝土；7. 噴錨混凝土硬化；8. 開挖右側隧道上半斷面土體；9.架設鋼拱架、安裝錨桿、初噴混凝土；10. 噴錨混凝土硬化；11. 開挖右側隧道下半斷面土體；12.架設鋼拱架、安裝錨桿、初噴混凝土；13.噴錨混凝土硬化。

方案B先開挖右側隧道，再開挖左側隧道，每側隧道的施工順序同方案A。

2 計算結果分析

2.1 位移分析

圖2 為最終位移云圖，由圖可知，無論采用何種方案開挖，兩隧道拱頂變形均以沉降為主，仰拱變形以抬升為主，兩方案拱頂沉降最大值均位于右側隧道，仰拱抬升最大值均位于左側隧道，豎直位移計算結果見表3。

表3 豎直位移計算結果Tab.3 Calculation results of vertical displacement

圖2 最終位移（單位： m）Fig.2 Final displacement（unit：m）

由圖2 可知，除豎直位移外，兩隧道外圍巖水平位移變化亦較為明顯，兩隧道間圍巖水平位移變化較小，造成該現(xiàn)象的原因為兩側圍巖向隧道間圍巖擠壓。其中，方案A最大水平位移達到5.64mm，方案B最大水平位移達到5.60mm，均位于左側隧道右側墻外圍巖，由此表明在偏壓作用下，隧道周邊圍巖會向邊坡側移動。

2.2 初期支護內力分析

初期支護彎矩云圖見圖3，由圖可知，無論何種開挖方案，隧道初期支護拱肩處所受彎矩均較大，兩方案最大彎矩均位于右側隧道拱肩，最大彎矩及應力計算結果見表4。

表4 彎矩及應力計算結果Tab.4 Calculation results of bending moment and stress

圖3 初期支護彎矩（單位： kN·m）Fig.3 Initial support bending moment（unit：kN·m）

通過對比左右兩側隧道初期支護所受彎矩及應力可知，先開挖左側隧道，可減小后開挖隧道所受彎矩，先開挖右側隧道，對左側隧道所受彎矩影響甚微。

初期支護軸力見圖4，由圖可知，無論采用何種方案開挖，兩隧道初期支護上部拱肩與拱頂處軸力均較大，軸力結算結果見表5。

表5 軸力計算結果Tab.5 Calculation results of axial force

圖4 初期支護軸力（單位： kN）Fig.4 Initial support axial force（unit：kN）

由表5 可知，采用方案A開挖時，左右兩側隧道初期支護軸力分布較為均勻，采用方案B開挖時，兩者軸力分布不均。

3 施工方案選擇

3.1 圍巖位移分析

將方案A及方案B中每一施工步驟計算得出的拱頂外圍巖最大沉降進行匯總得到圖5a，由圖可知，方案A右側隧道的初始沉降與施工步驟2時左側隧道拱頂外圍巖沉降接近，自施工步驟7開始右側隧道拱頂外圍巖沉降速率明顯大于左側隧道，沉降數(shù)值自施工步驟9 開始超過左側隧道，這表明先開挖左側隧道，會對右側隧道拱頂外圍巖沉降產(chǎn)生較大影響。但在開挖右側隧道時，左側隧道的拱頂外圍巖沉降變化趨于穩(wěn)定，說明后開挖右側隧道，對先開挖的左側隧道影響較小。

圖5 各施工步驟圍巖位移Fig.5 Surrounding rock displacement in each construction step

方案B左側隧道拱頂外圍巖沉降全程小于右側隧道，但在左側隧道開挖時，其拱頂外圍巖沉降速率較快，沉降值也接近方案A 中左側隧道。但左側隧道開挖時，右側隧道的拱頂外圍巖沉降速率未有明顯減緩，說明后開挖左側隧道，對右側隧道拱頂外圍巖沉降仍有較大影響。

將方案A及方案B中每一施工步驟計算得出的兩側隧道側墻外圍巖最大水平位移進行匯總得到圖5b。其中，方案A 左側隧道側墻外圍巖水平位移全程大于右側隧道，右側隧道側墻外圍巖水平位移主要發(fā)生自施工步驟10 以后，說明先開挖左側隧道，對右側隧道側墻外圍巖的水平位移影響較小，但在開挖右側隧道時，左側隧道側墻外圍巖的水平位移并未趨于穩(wěn)定，因此，在實施方案A 時，應持續(xù)關注左側隧道側墻的水平位移。

方案B左側隧道初始水平位移與施工步驟6時右側隧道側墻最大水平位移接近，左側隧道側墻外圍巖自第10 施工步驟開始，其水平位移變化率明顯大于右側隧道，同期右側隧道側墻外圍巖的水平位移變化速率雖有明顯變緩但并未趨于穩(wěn)定，左側隧道完成時，側墻水平位移大于右側隧道，說明先開挖右側隧道對之后兩隧道側墻外圍巖水平位移均有影響。

3.2 塑性區(qū)分析

當圍巖應力超過土體強度時，隧道周邊圍巖會發(fā)生破壞，從而形成一個塑性區(qū)。由圖6可以得出，方案A 中塑性區(qū)域（圖中紅色區(qū)域）范圍較方案B小，其中，方案A圍巖最大應變?yōu)?.6 ×10-3，方案B 圍巖最大應變?yōu)?.5 ×10-3，說明先施工右側隧道對左側隧道施工影響較大。究其原因，采用方案A，后開挖右側隧道時，隧道上方覆土會向左側隧道產(chǎn)生斜壓向下的位移，形成偏壓作用，擠壓隧道間土體，在隧道拱肩及側墻形成較大應力。采用方案B，先開挖右側隧道會削弱兩隧道間土體的側向支撐能力，除拱肩、側墻外，拱腳處所受應力亦會增大。

圖6 塑性區(qū)范圍Fig.6 Plastic zone

通過對圍巖塑性區(qū)的描述可較為直觀地進行初判，如塑性區(qū)相對集中于某一隧道，則該隧道應作為優(yōu)先施工隧道。如塑性區(qū)范圍均勻包含兩個隧道，則應重點研究兩隧道間土體的受力狀態(tài)，優(yōu)先選擇受擾動較少或有利于后開挖隧道圍巖穩(wěn)定的方案。

綜上所述，應采用方案A進行施工。

4 結論

偏壓小凈距隧道受邊坡坡度、覆土深度、地質情況等諸多因素影響，其初期支護的施工方案無法得出固定結果，通過對偏壓小凈距隧道初期支護施工進行力學分析，得到結論如下：

1.無論采用何種方案，均會對后開挖隧道產(chǎn)生影響，這是因為先開挖隧道會改變后開挖隧道土體的應力場，不利于后開挖隧道施工。

2.兩隧道間土體的受力情況是判定偏壓小凈距隧道初期支護施工的重要因素，應選擇對中間土體擾動較少或有利于后開挖隧道的方案進行施工。

3.隧道開挖順序的選擇應結合圍巖變形、初期支護內力等指標綜合評定，實際工程可根據(jù)具體情況參考本文進行針對性研究。