偏壓小凈距隧道合理施工工序的探討

郝文洲

(中鐵十五局集團公司，河南 洛陽 471013)

近年來，隨著交通基礎設施的快速發(fā)展，各種復雜地形、地質條件下的山區(qū)公路建設中遇到大量的隧道工程。因地形條件限制、線路總體線形要求或特殊的橋隧相連等情形，雙洞隧道左右線間距往往不能達到規(guī)范要求，通常需要采用小凈距或連拱等特殊隧道結構形式。上世紀末到本世紀初，國內相繼修建了不少的連拱隧道工程，主要集中在云南、浙江、貴州、福建等省區(qū)。從連拱隧道的實施效果看，連拱隧道存在結構復雜、施工工序轉換多、防排水質量不易保證等問題。近年來通過一些研究工作的開展和施工工藝的改進，這些問題也在逐步得到解決。相對而言，小凈距隧道因其工程風險較小、造價相對較低等優(yōu)點，逐步得到了廣泛應用并相繼開展了大量的研究與探索，已逐步積累了一定的施工及設計經(jīng)驗。諸如中巖墻的加固技術、主體結構設計參數(shù)選取、爆破控制標準制訂、施工開挖方法等[1-5]。但小凈距隧道多數(shù)處于洞口淺埋地區(qū)，該位置處由于受地形影響往往存在偏壓現(xiàn)象。在此狀態(tài)下，同修建連拱隧道相似，如何在施工中利用合理的施工工序來有效抑制地形偏壓帶來的不利影響，使得支護結構受力更加合理，保障隧道施工安全等問題尚待進一步探討[6-7]。

有鑒于此，本文以在建的某市政隧道為依托，針對洞口段的偏壓地形開展合理施工工序研究，以期指導設計與施工。

1 數(shù)值分析基本思路及模型參數(shù)的建立

因地形影響，小凈距隧道洞口將存在一定的偏壓而使結構受力不利，因此，針對施工工序進行深入的分析以改善結構受力很有必要。分析中針對偏壓段小凈距隧道方案擬采用不同開挖順序——即“先里后外”和“先外后里”的施工工序，以探求圍巖及結構在上述不同施工工序下的力學行為，以期通過施工工序的合理組織來抵消地形偏壓的影響[8]。

根據(jù)上述研究目的，采用平面應變方式，建立的模型如圖1所示，計算中采用 D—P屈服準則。考慮到偏壓的存在，計算中，初襯采用梁單元(beam)，二襯采用平面單元(plane)。因開挖均處于微風化花崗巖中，巖性條件較好，自承載能力較高，分析中讓圍巖承受較多的外部荷載。據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》[9]擬讓圍巖承擔70%荷載，初襯承擔30%荷載，二襯作為安全儲備。對于錨桿的加強作用，考慮到微風化花崗巖致密性較好，上述加固對于提高參數(shù)效果不明顯，依據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》，僅將內聚力及彈模提高了30%，其余不變。計算中，采用“生”與“死”單元控制隧道開挖[10]。具體建立的模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2 計算結果

2.1 圍巖的位移及應力分析

通過計算，獲取了不同施工工序時最終狀態(tài)下圍巖位移及應力云圖如圖2和圖3所示。從獲取的不同開挖工序下最終圍巖位移、應力云圖可知:

1)無論是“先里后外”還是“先外后里”的開挖方式，均存在明顯的偏壓現(xiàn)象。豎向位移方面，地表及拱頂將產(chǎn)生下沉，拱底將產(chǎn)生向上的隆起。從分布趨勢來看，覆蓋層較厚的左洞(靠內側)明顯偏大，右洞(外側)相對較小。受偏壓影響，最大下沉及隆起量均發(fā)生在左洞拱頂及拱底位置。水平位移方面，最終狀態(tài)下圍巖的水平位移分布也呈現(xiàn)出明顯的偏壓態(tài)勢，具體來講，左右洞圍巖水平位移均呈現(xiàn)非對稱狀態(tài)，其中左拱肩的位移量明顯大于右拱肩，右拱腳的位移量明顯大于左拱腳。就左、右洞而言，右洞左拱肩及左洞右拱腳位移量也明顯大于相對應位置處。因圍巖巖性較好，位移量值總體較小，最大不足1 mm。比較兩種不同開挖方式下豎向位移可知，“先外后里”的開挖方式位移略優(yōu)于“先里后外”。

2)從隧道開挖后圍巖的主應力云圖來看，不同開挖工序下圍巖的最終應力分布狀態(tài)基本一致。受偏壓影響，主應力云圖也存在明顯的偏壓態(tài)勢，且在拱腳處產(chǎn)生了明顯的應力集中現(xiàn)象，其中左拱腳處受力明顯大于右側拱腳，左洞受力明顯大于右洞。由于小凈距隧道中巖墻間距較小，應力在中巖墻處產(chǎn)生了疊加效應，使得該處圍巖處于相對不利的受力狀態(tài)。施工中為安全計，建議應采取適當?shù)募庸檀胧?。就應力量值而言，隧道開挖后圍巖最大拉應力僅達0.15 MPa，最大壓應力也僅為3.0 MPa，遠小于圍巖的抗拉壓強度。比較兩種不同施工工序下圍巖受力量值及分布云圖來看，“先外后里”的開挖方式下圍巖受力相對更加均衡一些，但二者差別不大。

圖2 豎向位移云圖(單位:mm)

圖3 第一主應力云圖(單位:Pa)

2.2 支護結構應力分析

通過計算，獲取了最終狀態(tài)下的初期支護軸力、彎矩云圖如圖4和圖5所示。

1)從圖中可以看出，隨著開挖方式的變更，初襯的受力狀態(tài)發(fā)生相應的變化。因受偏壓影響，初襯受力分布明顯呈不均勻態(tài)勢，綜合比較軸力、彎矩及剪力量值來看，初襯所受軸力明顯大于剪力和彎矩，成初襯安全性的主控因素，故此，分析中重點對其加以討論。從軸力分布狀態(tài)來看，隧道開挖后，初襯拱肩至拱腳部位以承受壓力為主，拱頂及拱底以承受拉力為主，受地形偏壓影響，軸力呈現(xiàn)明顯的偏壓狀態(tài)。其中中巖墻處初襯軸力明顯大于襯砌外側，在“先里后外”開挖方式下，內側隧道初襯軸力明顯大于外側隧道，而在“先外后里”開挖方式下，軸力則呈現(xiàn)相反的分布特征。

圖4 初襯軸力(單位:N)

圖5 初襯彎矩(單位:N·m)

2)將軸力、彎矩轉換為初襯的最大最小主應力后可知，隧道開挖后，初襯以承受壓應力為主，但個別部位承受較大拉應力。具體表現(xiàn)在拱肩及拱底處承受較大拉應力，最大達2.20 MPa，超過混凝土抗拉強度，將可能導致裂縫的出現(xiàn)。受偏壓影響，內側隧道拱肩受力明顯大于外側隧道，最大壓應力呈現(xiàn)出與軸力相同的分布特征。

3)比較兩種不同的開挖方式可知，采用“先外后里”較之“先里后外”開挖方式，初襯的受力分布更加均勻、合理。

4)二襯因計算中作為安全儲備，受力相對較小，但從表現(xiàn)特征來看，二襯基本呈現(xiàn)與初襯相同的分布特征，故不再贅述。

3 結語

通過對偏壓狀態(tài)下小凈距隧道不同施工工序的分析，得出如下結論:

1)無論是“先里后外”還是“先外后里”的開挖方式，受地形偏壓影響，位移、應力均呈現(xiàn)出明顯的非對稱狀態(tài)，圍巖—結構處于不利的受力狀態(tài)。

2)比較兩種不同的開挖方式可以看出，采用“先外后里”較之“先里后外”的施工工序，圍巖—初襯的受力分布更加均勻、合理，此結論與偏壓連拱隧道是基本一致的，可利用施工偏壓來抵消地形偏壓的影響。

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[4]謝卓雄，姚勇，何川.小凈距隧道圍巖應力分布規(guī)律及穩(wěn)定性研究[C]//地下鐵道新技術文集.成都:西南交通大學出版社，2003:563-567.

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[10]潘昌實.隧道力學數(shù)值方法[M].北京:中國鐵道出版社，1995.