非對稱小凈距隧道合理施工方法和工序分析

李偉聰

(廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東珠海 519030)

小凈距隧道是空間近距離雙線隧道在同一參考平面的布置形式之一，其結構介于雙洞分離式隧道和連拱隧道之間，并行雙洞斷面大小不一即是非對稱小凈距隧道。小凈距隧道的界定至今沒有統一明確的標準，日本鐵道技術學會于20世紀70年代初發表了《關于平行隧道研究的報告》，認為平行隧道的中心距在可以把地層看作完全彈性體時，約為開挖寬度的2倍，而在粘土等軟地層中，則為開挖寬度的5倍，并且規定平行公路隧道的中心距為30m(約為開挖寬度的3倍)，國鐵單線隧道的標準凈距是20m。對于非對稱小凈距隧道，即并行雙洞斷面大小不一的小凈距隧道是近年來基于城市地下立交工程設計理念下產生的一種新型隧道設計結構，隨著中國城市化建設進程的加快，作為解決城市交通問題的重要手段，地下立交必將逐漸興起，非對稱小凈距隧道的數量也會逐漸增加，但目前對其的相關研究較少，工程界對非對稱小凈距隧道施工過程力學形態、規律等認識尚有不足，對非對稱小凈距隧道還缺乏系統深入的研究，因此進行這方面的研究，對于提高非對稱小凈距隧道建設的合理性與工程經濟顯得很有必要。本文利用有限元數值模擬的方法，建立了二維彈塑性模型，重點研究分析了采用不同施工方法及工序時非對稱小凈距隧道的力學特性、圍巖穩定性等問題。

1 模型建立及計算工況

為了使模擬結果更具有普遍性，本次計算選取Ⅳ級圍巖，考慮噴射混凝土及錨桿作用，不考慮二次襯砌，參考現行的JIGD70-2004公路隧道設計規范。計算參數選取結果如表1所示。由于互通立交隧道中非小凈距隧道的凈距是漸變的，且漸變較快，一般從1.5m變到12m至20m到30m范圍就變化完畢。計算中選取隧道凈距為1.5m，3m，4.5m，6m，8m，12m，16m，20m 共8種不同凈距。埋深選擇深埋條件，并考慮利于計算結果分析的因素，最后選取埋深為65m。施工方法考慮全斷面法、上下臺階法、正側壁導坑法、反側壁導坑法4種，分左洞(小洞)先行和右洞(大洞)先行兩種施工順序，計算分析所采用的工法按表2進行。計算圍巖使用標準ANSYS提供的理想彈塑性本構關系，其屈服準則為D-P(Drucker-Prager)準則，其他如錨桿、噴混凝土等均使用彈性本構關系。邊界條件按照隧道力學理論分析結果確定。考慮邊界效應，隧道的左右邊界選取5倍洞徑，隧道橫斷面方向為175m，底部選取3倍洞徑，考慮實際埋深，隧道垂直方向為123m，左右邊界約束水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界。計算包括以下工況:圍巖級別選取Ⅳ級，隧道凈距選取1.5m，3m，4.5m，6m，8m，12m，16m，20m 共8種不同凈距，隧道埋深選取65m，選取4種施工方法，選取2種施工工序(左洞先行和右洞先行)，經過相互組合成多種不同的工況。隧道分析模型網格圖如圖1所示。

表1 材料計算物理力學指標

表2 施工方法及工序表

2 計算結果分析

2.1 拱頂位移分析

從圖2可以看出，不管是何種工序和何種工法，隨著隧道凈距的增大，先行洞和后行洞的拱頂位移都將減小，其減小趨勢呈現非線性的特征。隧道分部開挖對拱頂位移的影響要小于全斷面開挖。全斷面法施工時，左右洞的拱頂位移最大，其次為臺階法，而右洞采用側壁導坑時最小，只是在右洞(大洞)先行時，左洞拱頂位移在臺階法時最小。無論左洞右洞，其作為先行洞時的拱頂位移均比作為后行洞時要小，右洞(大洞)先行時，其對后行洞的影響也較左洞(小洞)先行時要大，同樣，右洞(大洞)后行時，其施工對先行洞影響也較大，隧道凈距越小，這種影響效果越明顯。當只有單洞時，左洞(小洞)拱頂位移為9.63mm，右洞(大洞)拱頂位移為14.26mm。而左洞洞跨10.33m，右洞洞跨14.66m。單洞時拱頂位移之比為0.675，洞跨比為0.705，兩者非常接近，這也側面說明對于非對稱小凈距隧道拱頂位移同洞跨成一定的正比關系。

圖2 拱頂位移變化曲線

由圖2可知，采用側壁導坑法時拱頂位移最小，左洞選取臺階法，右洞選取兩種側壁導坑法施工，對后行洞開挖引起先行洞拱頂位移進行分析。如圖3所示，從中可以看出，凈距較小時，隨著后行洞開挖，先行洞的拱頂位移有著較大增長。左洞先行時，右洞采用反側壁導坑工法的情況下，1.5m凈距時右洞開挖引起的位移占最終沉降30.38%，20m凈距時占最終沉降的10.91%;右洞先行時，左洞開挖引起的位移占最終沉降14.93%;20m凈距時占最終沉降的4.45%。采用正側壁導坑工法的情況下，左洞先行時，1.5m凈距時右洞開挖引起的位移占最終沉降29.22%，20m凈距時占最終沉降的4.44%。后行洞洞跨不同對先行洞的影響明顯不同，洞跨大的影響大于洞跨小的影響。采用側壁導坑工法，隨著凈距增大兩種工法之間差別變小，但總的來說正側壁導坑法較反側壁導坑法對先行洞的影響時間較長。

2.2 支護內力分析

選取左洞(小洞)先行，3m凈距時采用各種施工方法進行分析，由圖4可知，由于后行洞施工的影響，先行洞靠近后行洞一側的支護內力增長明顯，其最大軸力和最大彎矩均出現在先行洞靠近后行洞一側，后行洞靠近先行洞一側的支護內力也明顯大于背離先行洞一側。施工方法對支護內力的分布以及應力集中部位有明顯影響，不同工法其最大軸力及彎矩部位不同，在分部施工的結合部出現應力集中現象，此處出現較大彎矩值。

圖3 后行洞開挖引起拱頂位移變化曲線

3 結語

通過對非對稱小凈距隧道拱頂位移、初期支護內力的相關分析，可以得出如下結論:

1)對于施工工序的選擇上，先施工左洞(小洞)對安全較為有利。先施工左洞時雖然后行洞(大洞)的施工對圍巖穩定性及支護內力的影響程度要比左洞施工的影響大，但由于先行洞施工時，圍巖穩定性相對要好些，支護內力也相對小些，最終雙洞施工完畢后，其安全性反而要好些。

2)當圍巖條件較好時應盡量采用全斷面開挖，盡量減少對圍巖的擾動，以減弱施工對中墻穩定性的影響。

圖4 支護內力

3)對于圍巖條件較差時，從中墻穩定性、支護內力以及應力集中程度等考慮，右洞采用上下臺階法由于對中墻圍巖的多次擾動而對圍巖穩定性不利，不宜采用;而采用右洞反側壁導坑法對中墻處的圍巖也很不利，但較臺階法略優;相比而言，右洞采用正側壁導坑法時，對中墻圍巖穩定性及支護受力較好，宜優先考慮。

4)隧道分部開挖時，由于初期支護未閉合，在交接處存在應力集中現象，施工時應注意交接處的支護安全。

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