大跨度小間距偏壓隧道施工模擬

魏翠玲，樊高臣

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038)

大跨度小間距隧道是公路隧道中的一個發(fā)展方向，可以解決特殊地形條件下的場地限制等諸多問題，但同時由于其結(jié)構(gòu)特點，在施工時安全風(fēng)險大、質(zhì)量不容易控制［1］。大跨度小間距偏壓隧道不同于分離式隧道，中間夾巖在施工中受到左右兩洞的雙重干擾，在上部偏壓荷載下，受力特性更是復(fù)雜，在設(shè)計、施工中對這類隧道要慎重選用合理的施工工序和合理的支護結(jié)構(gòu)，是隧道安全施工的重要保障［2］，對于大跨度小間距偏壓隧道的施工工序和施工方法研究具有重要的意義。

大跨度小間距偏壓隧道的施工工序模擬中，對開挖方法的模擬已經(jīng)很多，參考現(xiàn)有的文獻知道，在隧道開挖時全斷面法、臺階法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)管法對圍巖的穩(wěn)定性依次增強［3－4］，小凈距對向開挖的方案優(yōu)于同向滯后開挖［5］。而對于開挖工序的研究結(jié)果并不統(tǒng)一，根據(jù)傳統(tǒng)的觀點埋深大的一側(cè)所受主應(yīng)力較大，先開挖埋深淺的一側(cè)比較合理［6］，根據(jù)塑性屈服接近度和位移，先開挖埋深淺的一側(cè)塑性區(qū)域較?。?］。本文采用有限差分原理，以Mohr－Coulomb為屈服準則，選取CRD法來對隧道的施工工序和空間效應(yīng)進行計算分析。

1 工程概況

以雙向六車道的隧道為例，選取具有偏壓埋深較淺段，坡度大概為30°，圍巖等級為Ⅴ級，隧道凈寬16 m，最大開挖寬度17.5 m，凈高8 m，兩隧洞之間的間距18 m，隧道埋深高處60 m，低處25 m，屬于大跨度小間距偏壓隧道。

2 開挖順序的模擬

2.1 計算模型

計算模型根據(jù)平面應(yīng)變和圣維南原理建立，為了方便計算取縱向一個開挖步3 m，左右分別選隧道總跨度的3倍，下邊界為跨度的2倍，上邊界根據(jù)地形實際情況進行簡化，左洞偏壓相對標高為60 m，右洞相對標高為25 m。左右邊界和下邊界受到法向位移約束，上邊界為自由面。計算模型見圖1。

2.2 模型參數(shù)及基本假定

為了簡化計算，做出以下假定:

⑴采用平面應(yīng)變和圣維南原理，不考慮空間效應(yīng)。

⑵隧道圍巖和支護為各向均質(zhì)、同性、連續(xù)。

⑶采用摩爾－庫倫模型，材料處于彈塑性。

⑷初始應(yīng)力場只有巖體本身重力。

⑸本文研究隧道開挖對巖體的擾動情況對比，不考慮二次襯砌的作用。

⑹開挖順序的模型不考慮空間效應(yīng)的影響，開挖瞬間釋放40%地應(yīng)力，在初期支護完成后釋放剩余地應(yīng)力［8－9］。

物理參數(shù)根據(jù)圍巖等級確定，鋼拱架彈性模量按照剛度相等原則折算為噴射混凝土的彈性模量，參數(shù)取值如表1所示。

2.3 開挖步驟模擬

采用crd隧道開挖方式，將開挖模型分為兩種，開挖工況為先進性左洞的開挖，順序為左上、左下、右上和右下的開挖與支護，然后對右洞以右上、右下、左上及左下的開挖。先開挖右洞時步驟與先開挖左洞類似。

2.4 計算結(jié)果分析

通過數(shù)值計算得到不同開挖工況下圍巖的位移變形及初期支護的變形和受力情況，具體數(shù)值見表2、表 3。

表1物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters

表2圍巖位移表/cmTab.2 Displacement of surrounding rock(unit:cm)

表3初期支護變形和受力情況Tab.3 Primary support deformation and stress distribution

1)通過對隧道左右洞分別開挖，分析兩隧洞拱頂位移可知，先開挖左洞時拱頂位移為左洞3.79 cm，右洞 2.76 cm，先開挖右洞時，拱頂位移左洞為3.23 cm，右洞 2.70 cm，兩者相差不大，中間夾巖相對位移先開挖左洞時為2.567 cm，先開挖右洞時相對位移為1.64 cm。先開挖左洞時，左洞兩拱腰相對水平收斂為2.88 cm，右洞收斂僅為1.73 cm;先開挖右洞時，左洞兩拱腰相對水平收斂為0.908 cm，右洞收斂為2.62 cm。從表2中數(shù)據(jù)可以看出不同開挖順序，同一位置上的位移變化相差很大，這是因為先開挖隧道對后開挖隧道的穩(wěn)定性有很大影響。

從表3中可以看出初期支護上的位移相對于圍巖較小，這是因為隧道開挖后沒噴射混凝土?xí)r圍巖已經(jīng)有了一部分變形，其位移變化和圍巖趨勢相同，先開挖淺埋一側(cè)隧道時初期支護受到豎向應(yīng)力較小，更加有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2)不論采用哪種開挖方式，在中間夾巖和埋深較大一側(cè)拱腰處會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力在拱腰處比拱頂、仰拱、拱腳處要大很多，隧道受力具有明顯的不對稱性，仰拱處具有較大的張拉應(yīng)力，正應(yīng)力豎直向上。先開挖左洞時最大主應(yīng)力為1.874 MPa先開挖右洞時最大主應(yīng)力為1.856 MPa，先開挖右洞的應(yīng)力集中區(qū)域比先開挖左洞稍小。

3)塑性區(qū)域，不論采用哪種開挖方式，在埋深大的一側(cè)塑性區(qū)域較大，在中間巖上沒有出現(xiàn)貫通現(xiàn)象。但先開挖埋深小的一側(cè)時，在拱腰處剪切破壞大面積發(fā)生，并一直持續(xù)，在地表處連接在一起，先開挖埋深較深的右洞時，塑性區(qū)域則不再擴大。

3 隧道開挖空間效應(yīng)分析

為了加快施工進度，可以使兩個隧道的開挖面保持在一定的距離，使兩隧道的拱頂豎向位移、中間夾巖水平收斂、主應(yīng)力受到的相互影響控制到一個可以接受的范圍內(nèi)，目前關(guān)于開挖掌子面距離的研究很多，本文針對大跨度小凈距偏壓隧道這種特殊地形條件小的隧道空間效應(yīng)進行分析。

3.1 計算模型和參數(shù)

取2.1中計算模型，將其沿隧道中線延長100 m，圍巖和支護參數(shù)參考上例。計算模型見圖2。

3.2 開挖步驟

模型取自隧道中間一部分，為了模擬隧道開挖掘進面對隧道空間效應(yīng)影響，先開挖左洞深埋隧道3 m，然后對右洞淺埋隧道進行每步5 m的開挖支護，直到完成100 m的隧道全部開挖結(jié)束。

3.3 計算結(jié)果分析

左洞埋深大隧道在初始開挖計算平衡后位移為2.42 cm，中間夾巖水平收斂為1.23 cm，此時進行右洞第一次開挖支護，計算平衡后左洞位移為3.76 cm，右洞位移為2.78 cm，中間夾巖水平位移為2.56 cm，這和上述計算結(jié)果相同。然后依次進行左洞的開挖，得到左右拱頂和中間夾巖隨開挖面的位移變化和水平收斂。最終在最初開挖面左拱頂位移為9.96 cm，右洞拱頂位移為12.63 cm，水平夾巖位移為5.72 cm。左洞由于埋深大，剛開始時拱頂位移大于右洞，但隨著右洞的不斷開挖，在第二和第三個開挖步之間，15 m左右時右洞拱頂位移超過左洞。

通過對結(jié)果進行分析可知，右洞淺埋隧道拱頂位移在離右洞開挖面距離為30 m左右時基本上已經(jīng)穩(wěn)定，達到了總位移的90%;左洞拱頂位移在距離開挖面20 m時，基本不再受開挖效應(yīng)的影響，達到了穩(wěn)定位移的93%;中間夾巖距離開挖面30 m時收斂基本停止，達到總收斂的95%左右。

4 結(jié)論

1)在開挖順序上，不論采用哪種開挖方式，兩者拱頂位移都大致相同，并在兩隧道之間的夾巖和埋深較大的一側(cè)拱腰處都會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在仰拱處產(chǎn)生張拉應(yīng)力，隧道開挖過程應(yīng)力重分布相互影響較為復(fù)雜，產(chǎn)生夾巖處明顯的受力不對稱性。施工時要重點對拱腰處，特別是埋深較大的拱腰和夾巖處做好加強措施。

2)先開挖埋深較小的右洞，相比較先開挖埋深大的左洞，應(yīng)力集中部分較少，最大主應(yīng)力和隧道水平收斂較小，圍巖受到擾動輕，初期支護上的位移和受力也較為合理，更有利于圍巖的穩(wěn)定性。

3)埋深較小一側(cè)隧道開挖時，開挖掌子面對埋深較大隧道的拱頂位移影響較小，在一倍開挖寬度時，就已穩(wěn)定，而對自身某斷面拱頂位移和隧道的水平收斂影響較大，為了兩隧道同時施工的安全性，要保持兩隧道開挖掌子面最少30 m的距離，即2倍的開挖寬度。

［1］劉 偉.小凈距公路隧道凈距優(yōu)化研究［D］.上海:同濟大學(xué)，2004.

［2］楊小禮，眭志榮.淺埋小凈距偏壓隧道施工工序數(shù)值分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報，2007，38(4):765－769.

［3］傅鶴林，張聚文.軟弱圍巖中大跨度淺埋偏壓小間距隧道開挖數(shù)值模擬［J］.采礦技術(shù)，2009，9(5):17－21.

［4］張利民.山嶺復(fù)雜條件下一級公路建設(shè)技術(shù)標準的選定方法研究［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，24(4):373 －375.

［5］李榮偉.小凈距隧道施工順序FLAC3D模擬分析［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2011(1):82－84.

［6］孔亮，徐林生.觀音廟隧道進口小凈距段動態(tài)施工的數(shù)值模擬研究［J］.西部探礦工程，2006(8):159－161.

［7］靳曉光，劉 偉.小凈距偏壓公路隧道開挖順序優(yōu)化［J］.公路交通科技，2005，22(8):61－64.

［8］張小旺.淺埋隧道施工過程仿真分析［D］.鄭州:鄭州大學(xué)，2007.

［9］董淑惠，馮德成，江寧恒，等.早期受凍溫度對負溫混凝土微觀結(jié)構(gòu)現(xiàn)強度的影響［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2013，23(1):64 －66.