某超小凈距隧道施工過程分析及研究

錢文斐

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092）

0 前言

某城市隧道功能定位為機動車道、非機動車道服務，其中機動車道采用3車道，設計速度為40km/h，隧道開挖凈寬度約16m，考慮到隧道如采用分離形式，不僅拆遷量及占地量較大進而影響到居民的生活，而且不利于城市景觀，故該隧道采用超小凈距形式，中夾巖寬度約6m（0.375倍開挖寬度）。本文擬通過對V級圍巖條件下的施工過程模擬分析，探究施工過程中中夾巖、支護的受力性能及圍巖的變形趨勢，并且通過對承載拱形成的分析，推導出中夾巖及二次襯砌的受力模型，以更好地為小凈距隧道的設計提供理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 邊界條件

為避免邊界條件過小造成對模擬過程的失真，參照目前大多學者對邊界的選取原則，此模擬圍巖范圍取開挖范圍外3D(毛洞開挖寬度)，同時左、右側(cè)邊界采用水平固定支座、底面邊界采用豎向固定支座。

1.2 圍巖物理力學參數(shù)

Ⅴ級圍巖物理力學參數(shù)取現(xiàn)行《規(guī)范》提供的參考值的中值，圍巖本構模型采用摩爾-庫倫模型。

1.3 施工工序

該隧道采用左、右主洞均采用雙側(cè)壁導坑法以確保隧道施工安全及盡可能減少對中夾巖的擾動，具體施工工序如圖1所示、表1所列。

2 分析與研究

2.1 圍巖變形性能

小凈距隧道圍巖的穩(wěn)定性能主要受拱頂下沉值及中夾巖水平位移值的影響，因此重點針對以上兩處圍巖變形值進行分析。

2.1.1主洞拱頂下沉

由圖2中反映得知：左洞拱頂下沉值在工況10~13，17~18、右洞拱頂在工況14~18增大趨勢較為明顯。這說明左、右洞拱頂在各自中導洞開挖支護過程中及臨時支護拆除時圍巖變形較大。這一變化規(guī)律較容易理解，但需指出的是，對于臨時支護的拆除過程需密切關注拱頂下沉的監(jiān)測，并禁止較大范圍同時拆除臨時支護，這要求在拆除部分臨時支護后應及時施作二襯，只有二襯強度達到設計強度后方可繼續(xù)拆除臨時支護。

左洞拱頂最終下沉值大于右洞拱頂，這是因為左洞為先行洞，后行洞右洞開挖時會對左洞拱頂產(chǎn)生疊加效應，因此在施工過程中對左洞拱頂下沉的監(jiān)測相對右洞而言更為重要。

2.1.2中夾巖水平位移

由圖3中反映可知：左側(cè)中夾巖水平位移值在工況2~10,17~18、右側(cè)中夾巖在工況4~10、17~18變化趨勢平緩。而左、右側(cè)中夾巖在工況10~17存在一個完全相反的變化趨勢。左側(cè)在工況10~14逐漸增大，在工況14~17逐漸減小。而右側(cè)在工況10~13逐漸減小，而在工況13~17逐漸增大。

經(jīng)分析認為：在工況10~14過程中，左洞中導洞在進行開挖，而右洞尚未開挖，因此左側(cè)中導洞的開挖對于左側(cè)中夾巖而言增加臨空范圍，中夾巖有向左發(fā)生變形的趨勢，所以當中夾巖整體向左發(fā)生位移時，右側(cè)相對位移必然減小。在工況14~17過程中右洞中導洞進行開挖，相對于前工況，右側(cè)中導洞的開挖對于右側(cè)中夾巖而言增加臨空范圍，則中夾巖便有向右發(fā)生變形的趨勢，于是左側(cè)中夾巖水平位移減小，而右側(cè)增大。

圖1 施工工序示意圖

表1 施工工序過程一覽表

圖2 拱頂下沉變化曲線圖

圖3 中夾巖水平位移變化曲線圖

此外，位移變化曲線還反映出臨時支護的拆除對中夾巖的變性影響不大。

2.2 支護受力性能

小凈距隧道支護的穩(wěn)定性能主要受拱頂及中夾巖處支護內(nèi)力及對拉錨桿受力的影響，因此重點針對以上三處內(nèi)力值進行分析。

2.2.1中夾巖處初期支護內(nèi)力

由圖4中反映可知：左洞工況4~9、14~18、右洞工況5~13中夾巖初期支護軸力增大趨勢較緩，左洞工況9~13、右洞工況13~18軸力增大趨勢較大。這說明在各主洞中導洞開挖過程中中夾巖處初期支護內(nèi)力變化較大。左側(cè)中夾巖初期支護內(nèi)力值在開挖過程中始終大于右側(cè)，左側(cè)中夾巖處最終初期支護軸力比右側(cè)大約18%。經(jīng)分析認為：左洞為先行洞，在施工中不僅承受自身圍巖的壓力，且由于兩主洞間距過小，后行洞開挖過程中圍巖的變形不可避免影響到先行洞，從而使得先行洞的初期支護也承擔了部分后行洞圍巖變形所產(chǎn)生的內(nèi)力。

圖4 中夾巖處初期支護內(nèi)力變化曲線圖

2.2.2拱頂處初期支護內(nèi)力

由圖5中反映可知：左洞工況11~13、右洞工況15~17拱頂初期支護內(nèi)力增大趨勢明顯，這說明在各主洞中導洞開挖過程中拱頂處初期支護內(nèi)力變化較大。其中左洞拱頂初期支護內(nèi)力變化占整個施工階段的67%，右洞變化占到87%。且右洞拱頂初期支護內(nèi)力增長幅度大于左洞。

圖5 拱頂處初期支護內(nèi)力變化曲線圖

左洞拱頂初期支護內(nèi)力始終大于右洞，這一規(guī)律同中夾巖處初期支護內(nèi)力變化，左洞拱頂最終初期支護內(nèi)力比右洞大約6.7%，分析原因同上。這兩者從理論上說明對于左洞的支護參數(shù)設計應強于右洞，而目前小凈距隧道的設計思路為左、右洞初期支護參數(shù)相同，因此設計中主洞初期支護參數(shù)的設計應參照左洞初期支護。

2.2.3對拉錨桿內(nèi)力

由圖6中反映可知：工況4~5中夾巖對拉錨桿軸力突然增大、而工況14~18中夾巖錨桿軸力趨勢明顯減小。這說明對拉錨桿在進入工作狀態(tài)后直到右洞中導洞開挖時，其受力性狀變化很小；而自右洞中導洞支護后直至施工結束，從力學性能而言，對拉錨桿對中夾巖的約束作用逐漸減小。這是因為右洞中導洞的開挖后的支護改變了圍巖及支護體系的受力不均衡狀態(tài)，這一變化規(guī)律從中夾巖左、右側(cè)的水平位移變化曲線也同樣反映出來。但整體降低程度并不明顯，僅降低約6.67%。

2.3 中夾巖最大主應力

由于中夾巖是小凈距隧道的“核心”區(qū)域，因此這次分析其最大主應力的變化情況。

圖6 對拉錨桿軸力變化曲線圖

由圖7中反映可知：工況10~16中夾巖最大主應力增長幅度相對較大，且中夾巖最大主應力方向幾乎為垂直向下，這說明在左、右洞中導洞開挖支護過程中，中夾巖所承受的壓力呈較快增長，增長的幅度約占總增長幅度的75%。經(jīng)分析認為，這是因為左、右洞中導洞的開挖使得左、右洞分別形成各自的承載拱，而中夾巖頂部則作為承載拱的拱腳，從而大大增加了中夾巖的所承受的壓力。這一方面要求在左、右洞中導洞開挖過程中，應加強對中夾巖內(nèi)力的監(jiān)測，另一方面設計中應采取必要措施提高中夾巖承受壓力的能力。

圖7 中夾巖最大主應力變化曲線圖

2.4 中夾巖及襯砌受力模型

在此模擬中初始應力中僅考慮圍巖的自重而不考慮地質(zhì)構造應力，因此開挖前主應力方向分別為水平方向及豎直方向。開挖過程中，圍巖主應力方向隨著洞身的開挖逐步改變方向。待隧道施工結束，由圍巖應力圖可以看出，兩側(cè)主洞開挖輪廓附近主應力方向幾乎平行于開挖輪廓，在中夾巖頂處呈大角度幾乎正交，如圖8所示。這說明作用于兩側(cè)承載拱范圍內(nèi)的圍巖壓力將通過承載拱部分作用于中夾巖頂部，中夾巖的受力特性類似為連拱隧道中墻。因此，中夾巖的受壓性能決定了整個結構的安全性，這要求設計中必須增強中夾巖的抗壓強度。

左、右洞形成的承載拱高度相近，均約8m，承載拱范圍內(nèi)圍巖壓力將由承載拱及隧道襯砌共同承擔，理論上當圍巖為各向同性連續(xù)介質(zhì)，則隧道深淺埋的臨界深度為8m。但考慮到實際圍巖受節(jié)理、裂隙及開挖擾動影響，巖體之間聯(lián)系遠不如理想狀態(tài)下那樣緊密，承載拱的高度將比理論值大很多。因此建議設計中一方面可適當提高承載拱高度，另一方面為確保襯砌結構安全，圍巖自承作用作為安全儲備僅考慮襯砌的支撐作用。建議小凈距隧道中夾巖及二次襯砌的內(nèi)力分析如圖9、圖10所示的模型進行分析，從而可驗證中夾巖及二次襯砌的承載能力是否能滿足要求。

圖8 中夾巖最大主應力方向示意圖

圖9 中夾巖及二次襯砌受力模型一

圖10 中夾巖及二次襯砌受力模型二

3 結論

（1）在施工過程中，先行洞拱頂部位的下沉量、初期支護內(nèi)力均大于后行洞，因此施工中先行洞相對后行洞而言的監(jiān)測工作更為重要。

（2）從理論上而言，目前小凈距隧道主洞均采用相同的初期支護的參數(shù)比較浪費，后行洞的初期支護參數(shù)根據(jù)監(jiān)測成果可以適當降低。

（3）主洞中導洞的開挖及支護過程是小凈距隧道施工過程中的重點工序，需要加強監(jiān)測，以確保施工安全。

（4）中夾巖在施工過程中主要承受壓應力，對于硬巖而言，由于其抗壓能力較強，其穩(wěn)定性主要受節(jié)理、裂隙影響，因此采用注漿進行充填，加強巖體之間的聯(lián)系，充分利用圍巖的抗壓能力，同時對拉錨桿改變了中夾巖的受力狀態(tài)，形成了阻礙中夾巖變形的“側(cè)限”。對于軟巖而言，由于其抗壓能力較弱，對拉錨桿與巖體之間的摩擦力所起到的“加筋”作用對中夾巖的約束作用可改善中夾巖抗壓能力弱的特點，因此設計中可增加對拉錨桿以增強中夾巖的穩(wěn)定性。

（5）中夾巖頂部的圍巖的整體性及穩(wěn)定性對中夾巖及二次襯砌的受力性能有密切關系，如中夾巖頂部圍巖整體穩(wěn)定性較差，則會在左、右洞之間形成一個大拱，中夾巖及二次襯砌的的受力將大大增加，如圖10所示。因此建議在以后的設計中中夾巖的頂部可考慮采用加固措施以利于二次襯砌及中夾巖的受力。

4 結語

本文從理論上對V級圍巖條件下小凈距隧道開挖過程進行了分析與研究，其計算結果數(shù)值與實際數(shù)值可能存在較大差異，但反映的是支護及圍巖體系的變形及內(nèi)力變化的一種趨勢，這將對施工過程有一定的參考價值。

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