基于施工過(guò)程的小凈距隧道施工力學(xué)研究

胡笛+黃勝

摘 要：隧道施工將在一定范圍內(nèi)打破圍巖原始地應(yīng)力平衡，在影響范圍內(nèi)，地層應(yīng)力將出現(xiàn)重分布，并在圍巖、隧道結(jié)構(gòu)的共同作用下達(dá)到新的平衡。由于小凈距隧道處于相互影響區(qū)域，因此在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)特別注意。本文基于施工過(guò)程研究小凈距隧道的施工力學(xué)行為，并依據(jù)研究結(jié)論提出相應(yīng)的對(duì)策措施，對(duì)提高小凈距隧道設(shè)計(jì)和施工水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：小凈距隧道 施工力學(xué) 有限元 位移

如何確保小凈距隧道施工、運(yùn)營(yíng)安全，是設(shè)計(jì)和施工必須重視的問(wèn)題。兩相鄰隧道最小凈距視圍巖級(jí)別、斷面尺寸、施工方法、爆破震動(dòng)影響等因素確定，本次工程由于條件受限，故設(shè)計(jì)考慮盡量將隧道間距用到較小，同時(shí)又能保證隧道安全。通過(guò)工程類(lèi)比，初步擬定隧道凈間距采用10m和15m兩類(lèi)方案。

1.有限元分析

施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，施工階段的計(jì)算按照施工工序的要求劃分為以下22個(gè)施工步驟：

（1）先行隧道中夾巖柱小導(dǎo)管注漿加固；

（2）先行隧道弱爆破開(kāi)挖2部，并及時(shí)噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)；

（3）先行隧道弱爆破開(kāi)挖3部，并及時(shí)施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)；

（4）先行隧道弱爆破開(kāi)挖4部，并及時(shí)噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)；

（5）先行隧道弱爆破開(kāi)挖5部，并及時(shí)施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)；

（6）先行隧道弱爆破開(kāi)挖6部，并及時(shí)噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護(hù)；

（7）先行隧道弱爆破開(kāi)挖7部，并及時(shí)噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護(hù)；

（8）先行隧道弱爆破開(kāi)挖8部，并及時(shí)施作臨時(shí)支護(hù)；

（9）先行隧道弱爆破開(kāi)挖9部，并及時(shí)施作初期支護(hù)；

（10）先行隧道拆除側(cè)壁臨時(shí)支護(hù)，并施作10部仰拱及仰拱填充；

（11）先行隧道鋪設(shè)環(huán)向盲溝及防水板，并整體灌注11部分二襯砼；

（12）后行隧道中夾巖柱小導(dǎo)管注漿加固；

（13）后行隧道弱爆破開(kāi)挖13部，并及時(shí)噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)；

（14）后行隧道弱爆破開(kāi)挖14部，并及時(shí)施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)；

（15）后行隧道弱爆破開(kāi)挖15部，并及時(shí)噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)；

（16）后行隧道弱爆破開(kāi)挖16部，并及時(shí)施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)；

（17）后行隧道弱爆破開(kāi)挖17部，并及時(shí)噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護(hù)；

（18）后行隧道弱爆破開(kāi)挖18部，并及時(shí)噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護(hù)；

（19）后行隧道弱爆破開(kāi)挖19部，并及時(shí)施作臨時(shí)支護(hù)；

（20）后行隧道弱爆破開(kāi)挖20部，并及時(shí)施作初期支護(hù)；

（21）后行隧道拆除側(cè)壁臨時(shí)支護(hù)，并施作21部仰拱及仰拱填充；

（22）后行隧道鋪設(shè)環(huán)向盲溝及防水板，并整體灌注22部二襯砼。

2.位移場(chǎng)分析

礦山法施工中，圍巖位移的變化是判斷隧道圍巖穩(wěn)定性的最直接判據(jù)。本次計(jì)算中著重考察了各個(gè)工況下隧道拱頂?shù)南鲁廖灰萍暗乇沓两盗俊?/p>

計(jì)算表明，對(duì)處于深埋段的V類(lèi)圍巖，拱頂?shù)淖畲笙鲁廖灰茷?8.94mm，后行隧道的開(kāi)挖對(duì)先行隧道的拱頂下沉量有一定的影響（16.8mm→18.9mm（平均值））。凈距對(duì)拱頂下沉量的影響較小，10m凈距工況位移稍大。

對(duì)處于淺埋段的VI類(lèi)圍巖，拱頂?shù)淖畲笙鲁廖灰茷?5.97mm，后行隧道的開(kāi)挖對(duì)先行隧道的拱頂下沉量有一定的影響（23.5mm→25.5mm（平均值）。凈距對(duì)拱頂下沉量的影響較小，10m凈距工況位移稍大。

對(duì)處于深埋段的V類(lèi)圍巖，地表的最大沉降量為5.36mm，出現(xiàn)在后行隧道二襯施作完成后。10m凈距工況地表沉降稍大。

對(duì)處于淺埋段的VI類(lèi)圍巖，地表的最大沉降量為17.01mm，出現(xiàn)在后行隧道二襯施作完成后。10m凈距工況地表沉降稍大。

對(duì)VI類(lèi)圍巖，兩類(lèi)凈距情況下，洞周?chē)鷰r應(yīng)力最大值為1.57Mpa，后行隧道的開(kāi)挖造成先行隧道周邊圍巖的應(yīng)力最大增大0.04Mpa，增幅為2.6%。15m凈距工況應(yīng)力值和增幅均較小，與10m凈距工況差別不大。

3.后行隧道對(duì)先行隧道二次襯砌內(nèi)力的影響分析

3. 1二次襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算分施工期和使用期兩階段進(jìn)行。施工階段初期支護(hù)作為主要承載結(jié)構(gòu)，使用階段初期支護(hù)與二次襯砌共同承載。上節(jié)有限元計(jì)算分析的主要是施工階段的力學(xué)行為，該階段初期支護(hù)承擔(dān)主要荷載；本節(jié)二襯計(jì)算主要是針對(duì)使用階段，假定二襯分擔(dān)相當(dāng)部分的圍巖壓力，考慮了一定的安全儲(chǔ)備。

基于前面有限元分析的結(jié)論，二襯計(jì)算中考慮了后行隧道開(kāi)挖帶來(lái)的對(duì)先行隧道的附加荷載，并且二襯計(jì)算以先行隧道來(lái)控制。

采用“SAP84”軟件，按荷載—結(jié)構(gòu)模式計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。計(jì)算中，初期支護(hù)和二次襯砌按一定比例分配圍巖壓力，分配比例則根據(jù)有關(guān)工程實(shí)例及相關(guān)資料并考慮一定的安全儲(chǔ)備來(lái)確定。

V級(jí)圍巖按深埋進(jìn)行核算；VI級(jí)圍巖最不利的內(nèi)力出現(xiàn)在圍巖淺埋（埋深在14～45m之間）的斷面，計(jì)算值見(jiàn)表1。

3.2安全措施

（1）特別注意保護(hù)和加固中間巖柱

采取工程措施以防止兩隧道中間巖柱失穩(wěn)，是超小凈距平行隧道成功的關(guān)鍵。對(duì)中間巖柱的加固可采用超前預(yù)加固和開(kāi)挖過(guò)程中的補(bǔ)充加固的兩次加固思路，以控制中壁圍巖塑性區(qū)發(fā)展，保證施工的安全。

（2）對(duì)隧道結(jié)構(gòu)予以加強(qiáng)

通過(guò)有限元分析的結(jié)果表明，對(duì)于先行隧道，后行隧道的施工將導(dǎo)致先行隧道所受內(nèi)力增大，因此在結(jié)構(gòu)上對(duì)于先行隧道二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)；對(duì)于后行隧道，由于先行隧道的施工導(dǎo)致后行隧道周邊圍巖穩(wěn)定性惡化，因此需對(duì)其初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。

（3）合理采用施工方法及工序安排

從有限元計(jì)算結(jié)果來(lái)看，初期支護(hù)所起作用相當(dāng)明顯。同時(shí)，每步開(kāi)挖后要注意初期支護(hù)的及時(shí)施加，盡早封閉。特別的對(duì)VI類(lèi)圍巖，因?yàn)閲鷰r變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，即穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，臨時(shí)支撐拆除后二襯支護(hù)跟進(jìn)也應(yīng)及時(shí)，防止產(chǎn)生過(guò)大變形，危害隧道整體穩(wěn)定。

4.結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)10m和15m兩個(gè)不同凈距工況進(jìn)行理論分析，從拱頂下沉和地表沉降方面看，10m凈距工況地表沉降值稍大，相比15m工況最多增大6%，兩類(lèi)凈距條件下圍巖拱頂下沉的差別不大。從隧道洞周?chē)鷰r應(yīng)力情況看，分析結(jié)果與位移場(chǎng)的分析結(jié)果類(lèi)似，兩類(lèi)凈距下隧道洞周?chē)鷰r應(yīng)力水平相差不大，10m凈距工況圍巖應(yīng)力值稍大。從兩種工況條件下二襯內(nèi)力計(jì)算結(jié)果看，其內(nèi)力值相近，結(jié)構(gòu)配置相同即可。

（2）通過(guò)數(shù)值計(jì)算，研究了后行隧道對(duì)先行隧道的影響。研究表明，后行隧道的開(kāi)挖造成先行隧道周邊圍巖應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、拱頂下沉量等均有一定程度的增加，其中內(nèi)圍巖應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加較為明顯，最大分別增大6.6%和58.8%。另外對(duì)10m凈距和15m凈距條件下上述影響也進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，相對(duì)于15m凈距方案，10m凈距方案后行隧道施工對(duì)先行隧道影響較大，10m方案先行隧道的應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力增幅要比15m方案高出1.1%～2.7%。

（3）在小間距條件下，研究對(duì)V、VI級(jí)圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法開(kāi)挖進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，10m凈距和15m凈距條件下采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分部開(kāi)挖并輔以對(duì)應(yīng)的加固措施均是可行的，均能較好地控制圍巖變形。

綜合來(lái)看，10m和15m兩類(lèi)凈距方案力學(xué)條件上差別不大，盡管10m凈距方案在應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)方面均會(huì)造成一定的增量，但這個(gè)增量不大，在采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分部開(kāi)挖并輔以相應(yīng)的加固措施條件下，可以確保施工和運(yùn)營(yíng)安全?？紤]到10m凈距方案在用地、線(xiàn)間距布置等方面的優(yōu)勢(shì)，推薦采用10m凈距方案。