隧道錨與下方連拱隧道聯合施工相互影響研究*

張安睿，晁 峰

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550000；2.中國建筑股份有限公司技術中心，北京 101300)

0 引言

隨著國內交通建設的迅速發展，越來越多的工程面臨穿越既有建筑物的問題，甚至出現聯合施工的情況[1-2]。眾多學者開始采用數值計算和模型試驗的方法研究開挖后相互間的圍巖變形、應力變化等[3-6]。朱玉等[7]以我國首座大跨徑懸索橋隧道錨為研究對象，通過有限元軟件分析了隧道錨開挖對下方公路隧道的影響。夏國邦等[8]利用三維有限差分的方法模擬了隧道錨、索塔基礎及上方公路隧道對周圍巖體及各建筑間受力變形關系的影響。就目前研究而言，問題集中在穿越既有隧道或其他建筑物時，開挖對已有建(構)筑物的影響規律。本工程中四坪隧道的進口段與開州湖特大橋相接，隧道斷面由連拱逐漸過渡至分離式，連拱段隧道上方為大橋的隧道錨，隧道錨和連拱段的開挖斷面都較大，需要聯合施工，這樣勢必會影響開挖的穩定性。本文采用有限差分單元法建立三維模型，針對隧道和隧道錨整個施工過程中的力學效應進行模擬，同時在計算結果中體現圍巖變形和塑性區范圍差異，對開挖過程中圍巖穩定性進行分析，結合現場反饋的監測數據，給類似工程提供參考。

圖1 雙連拱隧道結構示意

1 工程概況

四坪隧道位于黔北山地，地勢總體西北高東南低，場區屬淺切低山溶蝕、侵蝕地貌類型，海拔728.900～1 064.800m，相對高差約335.9m，隧道橫穿過山體，地勢起伏大。隧道下穿段洞身圍巖為塊石土，強～中風化白云質灰巖，巖質軟硬相間，巖石抗壓強度Rc=40MPa，巖體破碎，結構面極發育、結合差，呈碎裂狀結構。隧道開挖可能產生淋雨狀、涌流狀出水。圍巖無自穩能力，無支護時易產生塌方、掉塊及冒頂，該段地表巖溶發育，開挖遇隱伏巖溶可能性極大，溶洞易突水、突泥。施工時按V級圍巖進行支護，并加強超前地質預報。

四坪隧道中導洞采用C20噴射混凝土支護，左右行洞初支采用26cm厚C25噴射混凝土，二襯采用55cm厚C30鋼筋混凝土。隧道錨采用25cm厚C25噴射混凝土。隧道結構如圖1所示，隧道與隧道錨相互位置如圖2所示。

圖2 隧道錨與隧道相互位置

2 三維數值計算

2.1 計算模型

由于隧道開挖會不可避免地對圍巖產生擾動，從而引起圍巖應力和變形發生改變，進而對既有結構產生影響。根據圣維南原理，實際數值模擬計算過程中，取隧道開挖區域左、右和上、下尺寸不低于3～5倍洞跨。為消除邊界條件影響，三維模型橫向(x方向)寬度取140m，隧道開挖方向(y方向)取1m，豎直方向(z方向)長度往隧底下取150m、向上按實際地形取至地表，三維模型底面尺寸長×寬×高=140m×1m×150m。邊界約束為模型前、后、左、右水平約束，模型底面豎向約束，模型頂面為自由邊界，三維模型如圖3所示。

圖3 三維模型示意

2.2 單元類型、屈服準則與材料參數

計算時將地層近似視為均勻連續介質考慮，各層之間為連續接觸。實際建模過程中，地層采用三維等參數單元進行模擬，支護采用二維殼單元進行模擬，其中結構單元僅考慮其彈性工作狀態，而三維計算中圍巖單元和加固單元均按M-C材料設置，服從Mohr-Coulomb屈服準則。

模型物理力學參數按地勘報告中具體地層類型及力學參數取值，結合現場施工實際，同時考慮最不利工況，參考JTG3 370.1—2018《公路隧道設計規范》保守取值，具體參數如表1所示。

表1 模型參數

在隧道數值模擬中，一般鋼拱架不再單獨考慮，鋼拱架的作用通常采用等效剛度的方法來考慮，即按等效剛度方法折算給噴射混凝土：

(1)

式中：E為折算后混凝土彈性模量；E0為原混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面積；Eg為鋼材的彈性模量；Sc為混凝土的截面積。

2.3 計算步序

為考慮隧道在不同開挖情況下的穩定性，擬定以下兩種方案，并進行相關分析。

2.3.1方案1

先開挖連拱隧道，再施工隧道錨。

1)進行地應力場平衡計算，施加初始地應力場。

2)開挖中導洞，并施加初期支護和中隔墻。

3)先行洞開挖，并施加初期支護。

4)后行洞開挖，并施加初期支護。

5)隧道錨開挖，并施加初期支護。

2.3.2方案2

隧道錨和連拱隧道同時施工，即聯合施工。

1)進行地應力場平衡計算，施加初始地應力場。

2)隧道錨和隧道同時開挖，并施加初期支護。

3 計算結果分析

3.1 圍巖沉降分析

根據開挖后計算的兩種方案下圍巖豎向和水平方向位移云圖可知，隧道錨豎向位移主要集中在拱頂偏中間位置及其底部，方案1隧道錨拱頂圍巖最大沉降19.5mm，底部最大隆起15.4mm；方案2隧道錨拱頂圍巖最大沉降22.8mm，底部最大隆起16.6mm。公路隧道變形主要為仰拱的隆起變形，方案1隧道仰拱最大隆起為15.3mm，方案2隧道仰拱最大隆起為18.2mm；隧道拱頂變形較小，方案1和方案2分別為2，4.6mm。

圍巖的最大水平位移主要集中在隧道錨邊墻位置，方案1和方案2水平位移最大值分別為13.4，14.5mm。連拱隧道水平位移最大分別為5.2，8mm。兩種方案下隧道中隔墻水平位移很小，沒有明顯變化。

兩種方案下左右錨體和先后行隧道的位移變形規律幾乎一致，變形差距不大，且都在安全范圍內。兩種方案相比較，可能方案1更加安全，但是考慮到工期等其他因素方案2是一種更好的選擇。

3.2 圍巖應力塑性區分析

兩種方案施工后圍巖塑性區如圖4所示，根據其塑性狀態判斷，兩種方案下隧道周邊巖體的塑性狀態變化不大，隧道錨周邊圍巖塑性區主要集中在邊墻和底部，而連拱隧道周邊圍巖塑性區較小，主要沿著隧道輪廓線分布。隧道錨與連拱隧道之間的巖土塑性區未連通，說明隧道錨施工過程中圍巖未發生破壞，穩定性較好。方案1先開挖連拱隧道再開挖隧道錨的施工方案，隧道附近的圍巖破壞范圍相對來說更小一點。

圖4 施工后圍巖塑性區分析

4 施工監測分析

根據研究及專家意見，最終開州湖特大橋隧道錨施工方案為：四坪隧道進口段洞口部分先施工連拱隧道，待其施工完成且穩定后，進行錨塞體混凝土的施工。此后，隧道錨開挖支護可與四坪隧道連拱段聯合施工。

根據現場監測結果，取隧道錨與連拱隧道距離最近位置處的沉降變形數據，分析得到沉降變形曲線如圖5所示。根據現場實測數據可以看出兩隧道錨沉降較為迅速且沉降量更大，沉降近乎穩定后左側隧道錨最大沉降變形達7.8mm，而右側隧道錨最大沉降變形達8.2mm。連拱隧道沉降變形較慢且變形較小，左側隧道穩定后最大沉降變形為1.6mm，右側隧道最大沉降變形為1.4mm。與前面數值計算結果對比可以看出，現場施工及時施加二次襯砌有效控制了圍巖沉降變形，現場隧道變形在可控范圍內。可以看出聯合施工的方案既能保證安全性，也縮短了工期，施工效益最佳。

圖5 隧道及隧道錨沉降變形曲線

上方隧道錨開挖時，在下方連拱隧道設置監測點，得到現場隧道開挖爆破監測結果如表2所示，其中測點2的振動波形如圖6所示(K36+802在近接段附近)。當爆源在隧道錨右洞28.6m時，下方連拱隧道4個監測點測得爆破振動最大合速度為1.39cm/s。當爆源在隧道錨左洞29.2m時，下方連拱隧道4個監測點測得爆破振動最大合速度為0.97cm/s。根據監測結果可以知道，所有測點最大振速均<2cm/s，上方隧道錨的施工不會對下方連拱隧道造成影響。

表2 隧道錨爆破振動測試數據統計

圖6 K36+797處振速時程曲線

5 結語

針對四坪隧道和開州湖特大橋隧道錨的兩種開挖方案的計算結果可以看出，圍巖的變形差距很小且都在安全可控范圍內，隧道與隧道錨間圍巖塑性區未貫通，圍巖具有較好的穩定性。現場施工后，根據監測數據可以看出，隧道和隧道錨的沉降變形在可控范圍內，兩者穩定性較好；上方隧道錨爆破開挖產生的振動對下方連拱隧道的影響可以忽略不計。本次隧道與隧道錨的聯合施工既保證了施工的安全性，也縮短了施工工期，對于類似工程具有一定參考價值。但是施工時需要注意近接段的超前支護、爆破強度監測、變形監測等，靈活調整開挖進尺長度和支護強度，盡可能減小隧道錨開挖對圍巖的擾動，減小對連拱隧道的影響。