極小凈距隧道單向出洞施工力學特性分析

(1.貴州省公路工程集團有限公司 貴州 貴陽 550008；2.中南大學土木工程學院 湖南 長沙 410075)

引言

由于特殊地質及地形條件、線橋隧銜接方式、總體路線線形和工程造價等原因的限制，雙洞隧道左右線間距不能保證達到規范的要求，必須采用小凈距隧道及連拱隧道等特殊結構形式。

大斷面小凈距隧道斷面大、扁平率低、圍巖穩定性差，施工過程中存在先行洞和后行洞相互擾動的現象，認識大斷面小凈距隧道在施工過程和運營期間的力學性狀是修建此類隧道的關鍵[1-3]。夏才初[4]等對鶴上隧道進行了現場監測，指出了小凈距隧道開挖影響的時空范圍和隧道襯砌支護的最佳時機。彭從文[5]等通過研究后行洞開挖中隔墻及先行洞襯砌的受力狀態，得出Ⅲ級圍巖隧道最小凈距取0.5B是合適的。張鐵柱[6]等通過對大連大東山單洞四車道高速公路隧道變形受力監測，得出小凈距隧道內側受力狀態較外側復雜，后行洞的受力狀況相對于先行洞要好一些，設計和施工時應充分考慮后行洞施工對先行洞的影響。吳文琦[7]等對先行洞在后行洞爆破荷載載作用下的動力響應做了理論研究，得出了當后行洞采用側壁導坑法分五步爆破開挖時，第一步爆破開挖對先行洞的影響最大。

舊屋基隧道出口段原設計采用連拱隧道施工方案，但存在以下問題：開挖量較大，臨時支撐多，拆除繁瑣，嚴重影響了隧道的適用性和耐久性，后變更為極小凈距隧道施工方案，但是由于凈距小，斷面大，先行洞受后行洞施工擾動較大，安全性問題較突出。因此，本文以該隧道為工程背景，在現場調研的基礎上，建立三維數值模型，探討后行洞施工過程中對先行洞的影響及先行洞襯砌結構安全性。

一、出洞施工方案

貴州省興義市環城高速舊屋基隧道為設計時速為80km/h的分離式極小凈距隧道，其中，進口段左右洞凈距約為30.5m，然后逐漸分為分離式、小凈距、極小凈距隧道，出口段左右洞凈距最小，約為0.6m。左洞起訖樁號為ZK15+305～ZK15+697，長392m；右洞起訖樁號為YK15+290～YK15+683，長393m，最大埋深約178m。單洞開挖跨度為15.72m，高度為11.45m，開挖面積約為130。隧道圍巖為可塑狀含碎石粉質黏土及強、中風化白云巖，節理裂隙發育，其中出口段為V級圍巖。

(一)左洞臺階法出洞

隧道左洞為先行洞，出口段施工不受左右線凈距因素的影響，采用臺階法出洞，開挖采用弱爆破、機械開挖結合的方式。出口段循環進尺與開挖方式控制如表1所示。

表1 左洞出口段施工控制表

出洞段襯砌結構按照新奧法原理，采用復合式襯砌結構形式，其中，以系統錨桿、注漿錨桿、鋼筋網、鋼架、噴射混凝土為初期支護。具體開挖尺寸及支護設計如圖1所示，出口段采用直徑42mm、厚度4mm、長度4m的雙層小導管作為超前支護措施。其中一層外插角度為10-15°，環向間距為40cm，縱向間距為120cm，另一層小導管外插角度為30-40°，環向間距為40cm，縱向間距為240cm。中間巖柱采用梅花形布置的注漿小導管進行注漿加固，漿液采用1:0.7普通水泥漿液，注漿壓力控制在1.0MPa～1.5MPa，使松散的塊石碎石狀巖體固結，提高中壁巖柱的承載能力。

(二)右洞超前小導洞出洞

右洞出口段出洞施工所受左右線極小凈距的影響較大，采用超前導洞出洞方案，導洞先行貫通后擴挖大斷面，最終實現安全出洞。

小導洞尺寸為7m×5m。出口段10m內設置小導洞初期支護，支護參數為：鋼架采用I14b工字型鋼拱架，間距為80cm；鋼筋網采用直徑8mm，網格間距為20cm×20cm；噴射混凝土為C20混凝土，厚度為15cm。導洞施工采用弱爆破開挖方式，每次循環進尺1.6m，每日平均進尺3.2m。

右洞大斷面施工至距離洞口20m時停止施工，采用弱爆破方式優先貫通超前導洞，導洞貫通后，主洞依然按照上下臺階法施工步驟單向開挖掘進，上臺階大斷面采用機械與爆破結合的方式擴挖。其中，靠近先行左洞一側的巖體采用破碎頭破除方式機械開挖，右側遠離左洞一側巖體采用弱爆破方式開挖。上臺階擴挖完成后，逐段拆除超前導洞支護，及時施作主洞上臺階初期支護并對左側中巖柱進行注漿加固。其中，右洞初期支護參數及掌子面循環控制進尺同左洞相同；隧道超前鉆探、超前支護、注漿加固等措施同左洞施工工藝相同。

圖1 隧道支護結構圖(單位：cm)

二、數值模型的建立

根據舊屋基隧道實際的地質條件和施工條件建立數值模型，為消除邊界效應的影響，模型的橫向寬度取為120m(約10D)；沿線路縱向模擬的左線里程樁號為ZK15+623-ZK15+687，長度為64m；距隧底仰拱往下取47m。其中選取ZK15+668為目標斷面，埋深20m，左右線凈距2.03m，舊屋脊隧道三維計算模型如圖2所示。

圖2 舊屋基隧道計算模型網格

現場的中風化白云巖地層雖然強度低但是均勻性質較好，故在三維數值分析中，隧道圍巖材料特性按均質彈塑性考慮，采用Mohr-Coulomb屈服準則。圍巖采用三維實體單元(brick)，初期支護也采用三維實體單元。二次襯砌采用FLAC3D中的三維殼體(shell)單元。相關材料物理力學參數由設計及工程類比確定(表2)。

表2 材料物理力學參數

計算研究的重點在于先行洞貫通后，后行洞開挖過程中圍巖、支護的應力、應變的分布規律以及對先行洞隧道結構沉降、位移的影響。對于三維全施工過程的模擬，設定隧道開挖進尺為2m，左洞采用上下臺階法，右洞采用小導洞擴挖法，小導洞超前距離為4m，將每個隧道沿縱向分為32段，每段2m。先行洞上臺階開挖30m后，開挖下臺階，上臺階繼續開挖。下臺階開挖20m后，施作仰拱。先行洞貫通后后行洞小導洞開挖，小導洞開挖4m后，擴挖上臺階，上臺階開挖30m后開挖下臺階，下臺階開挖20m后施作仰拱。

圖3 先行洞拱頂沉降隨開挖變化圖

三、計算結果分析

(一)拱頂下沉分析

拱頂位移的發展是反映隧道圍巖穩定性的一個重要標志，為了探明不同施工步驟對隧道圍巖穩定性的影響，分析隧道拱頂位移發展變化的過程。

圖3為先行洞各斷面拱頂沉降隨開挖變化規律示意圖，由圖可以得出先行洞斷面拱頂沉降大于后行洞，這是由于先行洞受后行洞開挖影響，先行洞拱頂沉降值為4.97mm。先行洞拱頂沉降變化規律為當開挖至目標斷面時變形急劇增大，至仰拱開挖完成后趨于平緩，后行洞擴挖時又急劇增大，最終沉降達到穩定。先行洞受后行洞開挖影響較大，由于后行洞開挖引起的先行洞沉降占總沉降的30%。

(二)二次襯砌內力

通過分析目標斷面不同施工階段先行洞二次襯砌的內力，發現后行洞開挖對先行洞襯砌結構受力有較大影響(圖4)，并將典型位置內力值列于表3。根據計算結果可知，后行洞未開挖前，先行洞內力呈對稱分布，后行洞上臺階開挖后，先行洞內力分布發生變化，出現明顯的不對稱形，靠近后行洞一側內力值急劇增大，下臺階開挖后內力值也有所增加，但幅度不大。軸力最大值發生在E點，不同開挖階段軸力值分別為92.58kN，1485.15kN，1616.47kN，1618.1kN。彎矩最大值發生在C點，不同開挖階段彎矩值分別為15.41kN·m，90.92kN·m，114.71kN·m，114.4kN·m。

(a)先行洞挖通后 (b)后行洞上臺階擴挖后

(c)后行洞下臺階開挖后 (d)后行洞挖通后

(三)襯砌結構安全性

根據數值模擬獲得的襯砌結構內力，計算出不同開挖階段下下典型位置襯砌安全系數列于表3。

表3 不同開挖階段安全系數

由表3可知，后行洞開挖后安全系數明顯減小，安全系數最小值發生在靠近后行洞一側E位置處。《公路隧道設計規范》中規定在永久荷載作用下，鋼筋混凝土結構安全系數為2.0。二次襯砌靠近先行洞一側安全系數較小，但各位置處安全系數均大于2.0，結構安全。

四、結論

(1)后行洞開挖對先行洞周圍巖體位移，支護受力等產生顯著影響。由于后行洞開挖引起的先行洞位移變形占總位移的25%-33%。

(2)后行洞擴挖時，先行洞支護結構在靠近后行洞一側軸力彎矩明顯增大，受力情況更為復雜，安全系數減小，所以這一側應加強支護。

(3)通過計算結果可知，隧道位移變形值遠小于規范控制值；襯砌結構安全系數最小值為7.1，大于規范控制值，隧道襯砌結構內力均處于安全范圍。