后行洞開挖對淺埋偏壓小凈距隧道影響研究*

褚衍玉 張聰瑞 任高峰 侯立波

(武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院1) 武漢 430070) (中鐵十四局集團有限公司2) 濟南 250014)

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后行洞開挖對淺埋偏壓小凈距隧道影響研究*

褚衍玉1)張聰瑞1)任高峰1)侯立波2)

(武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院1)武漢 430070) (中鐵十四局集團有限公司2)濟南 250014)

依托廣東省江羅高速大石嶺隧道工程項目，采用數(shù)值模擬的分析方法，針對雙洞隧道在淺埋偏壓地形的施工條件下，模擬施工過程中后行動與先行洞之間不同掌子面縱向間距對隧洞周圍巖體的應力分布規(guī)律，通過分析隧洞上方地表沉降、洞周收斂變形以及中巖墻應力隨掌子面縱向間距的變化情況，得到了雙洞隧道施工中掌子面的合理縱向間距.

隧道工程；掌子面縱向間距；數(shù)值分析；小凈距隧道；淺埋暗挖；偏壓

0 引 言

隨著高等級公路建設的快速發(fā)展，山區(qū)高速公路隧道選線時往往受地形影響，相鄰隧道的最小凈距不能滿足設計規(guī)范要求，出現(xiàn)了大量淺埋小凈距隧道近接施工問題.當前，小凈距隧道近接施工仍處于邊施工邊總結(jié)階段，理論研究滯后于工程建設的實際需求[1].國內(nèi)外學者對此做了大量的研究工作[2-8]，取得了諸多有意義的研究成果.Ghaboussi等[4]通過多工況有限元計算，討論了雙洞隧道施工時圍巖的應力分布、隧道位移、襯砌內(nèi)力,以及地表位移規(guī)律.Yamaguchi等[5]研究了4條平行隧道(上下各2條)在應用盾構(gòu)法施工過程中的相互影響規(guī)律.胡元芳[6]利用有限元數(shù)值分析軟件針對淺埋條件下，不同圍巖級別、不同隧道間距施工時雙孔隧道的圍巖穩(wěn)定性特征.劉偉等[7-8]對小凈距隧道的合理間距、施工方法、開挖順序等問題進行了較多研究，給出了合理化建議.總結(jié)國內(nèi)外專家學者所開展工作，數(shù)值模擬仍不失為最常見的研究方法.針對淺埋小凈距隧道施工，巖體的本構(gòu)模型的選取有待探討.文中以廣東省江門至羅定段高速公路大石嶺隧道為研究背景，采用數(shù)值模擬分析方法，探究小凈距隧道近接施工時，掌子面合理間距與圍巖穩(wěn)定性之間的關(guān)系.

1 工程概況

廣東省江門至羅定段高速公路大石嶺隧道為中長公路隧道，左、右線分離式布設.左線隧道長512 m，右線隧道長546 m.隧道單洞開挖寬度B為15.5 m，高12 m，兩洞凈距為22.6～30 m(1.5～1.9B)，隧道最大埋深約89 m.洞口淺埋段，圍巖主要由坡積粉質(zhì)粘土、碎石土、震旦系全-強風化變質(zhì)砂巖、泥盆系強風化灰?guī)r組成，隧道所穿越地層60～70%為V級圍巖，其余為IV級圍巖，圍巖強度低，遇水易軟化.

根據(jù)鉆孔巖芯單軸飽和抗壓強度標準值Rc、鉆孔聲波測試成果和及鉆探巖芯完整情況取值Kv，按照文獻[9]計算得到修正后的圍巖基本質(zhì)量指標，結(jié)果見表1.

表1 隧道圍巖基本質(zhì)量指標BQ計算及級別判定表

2 三維數(shù)值模型及施工工況模擬

模型長寬均為500 m，過隧道軸線的水平面向下取200 m，向上取至地表，最大埋深處為89 m，2隧道凈距22.6 m，模型中隧道長度約300 m.取X=200 m剖面作為隧道洞口剖面，在模型底部施加完全固定約束，模型側(cè)面施加法向約束，模型建立與網(wǎng)格劃分見圖1.

圖1 模型建立與網(wǎng)格化分

根據(jù)表1中的巖體基本質(zhì)量指標修正值[BQ]，巖體物理力學參數(shù)的計算使用文獻[10]中推薦的擬合公式(見式(1))，得到計算所采用的巖體參數(shù),見表2.

(1)

圍巖變形及受力均遵循Mohr-Coulomb準則，采用8節(jié)點六面體實體單元Solid45進行模擬.此外，隧道屬于淺層開挖，圍巖初始應力場不考慮構(gòu)造應力，僅考慮其自重應力.本次計算假定左洞為先行洞，右洞為后行洞，左、右洞均采用全斷面法開挖.

3 結(jié)果分析

3.1 地表沉降變形

在垂直于隧道走向上，取X=350 m斷面作為典型斷面；在沿隧道走向上，取過兩隧道中心線對稱軸的Y=237 m斷面作為典型斷面，地表沉降變化曲線分別見圖2～3.

圖2 X=350 m斷面地表沉降變化曲線

圖3 2隧道中軸線地表沉降變化曲線

由圖2～3可知，掌子面間距對地表沉降的影響較為明顯，掌子面間距越小，地表沉降值越大，在垂直于隧道走向上，當掌子面間距為0 m時，最大沉降值為-5.20 mm，先行洞一側(cè)的地表沉降大于后行洞，即形成偏心沉降槽，這與Addenbrook等[11-12]的研究結(jié)論一致，此外隧道受偏壓影響導致右上方地表產(chǎn)生少量隆起；在沿隧道走向上，同一位置上不同掌子面間距的沉降變化量最大達2.19 mm，當掌子面間距為0 m時，最大沉降值為-5.33 mm.

3.2 洞周收斂變形

由于研究對象為淺埋隧道，水平構(gòu)造應力較小，隧洞周圍的收斂變形主要集中在拱頂和仰拱處，沉降變化曲線見圖4～5.

圖4 先行洞拱頂沉降變化曲線

圖5 先行洞仰拱隆起變化曲線

由圖4～5可知，后行洞的開挖對先行洞洞周變形有一定影響，隨著掌子面間距減小，先行洞拱頂和仰拱豎向位移值均逐漸增大，但仰拱隆起變化量小于拱頂沉降變化量，當掌子面間距為0 m時，拱頂最大沉降值為-12.66 mm，仰拱最大隆起值為13.76 mm.

圖6為X=350斷面沉降云圖.由圖6可知，后行洞開挖使圍巖的豎向位移逐漸增大，尤其在后行洞拱頂和仰拱處.先行洞豎向位移變化量較小，與圖4～5中的變化趨勢一致.L=0 m時，兩隧道并行開挖，圍巖豎向位移急劇增加，變形區(qū)域成倍擴張.

圖6 X=350 m斷面沉降云圖

3.3 中巖墻應力

在小凈距隧道的設計、施工過程中，保證中巖墻的穩(wěn)定性至關(guān)重要，圖7為不同掌子面間距時兩隧道中巖墻上應力變化曲線.由圖7可知，隨著2隧道掌子面間距的減小，中巖墻所受應力也逐漸增大，隧道施工時中巖墻應力受地形及開挖擾動等因素的影響，最大主應力的變化曲線在小范圍內(nèi)存在波動，如在掌子面間距為0 m時，間柱應力主要在150 m和170 m處出現(xiàn)極值，應力分別為-1.72 MPa和-1.76 MPa.

圖7 兩隧道中巖墻應力變化曲線

圖8為2隧道中軸線橫剖面最大主應力云圖.由圖8可知，中巖墻所受應力大小與后行洞掌子面位置密切相關(guān)，隨著掌子面間距的不斷減小，應力集中區(qū)由先行洞兩側(cè)壁擴張至中巖墻，L=0 m時，隧道受偏壓影響，先行洞兩側(cè)圍巖應力大于后行洞，巖墻應力最大，應力集中區(qū)分布最廣.由此可見，掌子面間距對中巖墻應力分布影響較大，而兩隧道外側(cè)圍巖應力主要受地形因素所產(chǎn)生的隧道偏壓影響.

圖8 兩隧道中軸線橫剖面最大主應力云圖

圖9為地表沉降、拱頂和仰拱的收斂變形以及間柱最大應力隨掌子面間距的變化情況，當掌子面間距小于40 m時，各項指標隨間距變化較為敏感，而當掌子面間距大于40 m時，各指標的變化曲線趨于平緩，因此該隧道掌子面的合理縱向間距約為40 m.

圖9 地表沉降、洞周收斂及間柱應力隨掌子面間距變化曲線

4 結(jié) 論

1) 以廣東省江羅高速公路大石嶺隧道為例，給出了隧道掌子面的合理縱向距離.

2) 掌子面間距對隧道上方地表沉降的影響較為明顯，先行洞一側(cè)的地表沉降大于后行洞，形成偏心沉降槽.

3) 在各掌子面間距下，受到下方圍巖約束和重力作用，仰拱隆起變化量小于拱頂沉降變化量.

4) 在不同掌子面間距時中巖墻應力的變化曲線在小范圍內(nèi)存在波動，掌子面間距對中巖墻應力分布影響較大，中巖墻所受應力大小與后行洞掌子面位置密切相關(guān)，而兩隧道外側(cè)圍巖應力主要受地形因素所產(chǎn)生的隧道偏壓影響.

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The Excavation of Following Tunnel Effect in Shallow Small Spacing Tunnels with Unsymmetrical Load

CHU Yanyu1)ZHANG Congrui1)REN Gaofeng1)HOU Libo2)

(SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(ChinaRailwayShisijuGroupCorporation,Jinan250014,China)2)

Based on the Dashiling tunnel of Jiangluo expressway in Guangdong Province, numerical simulation has been used to obtain the distributing law of deformation and stress in surface and surrounding rock. Different excavation face distances have been considered and a reasonable distance between excavation faces is given. The conclusions presented can provide

in the design and construction for similar projects.

tunneling engineering; excavation faces distance; numeric analysis; small spacing tunnels; shallow underground excavation; unsymmetrical load

2016-08-28

*武漢理工大學創(chuàng)新研究基金項目資助(2015Ⅲ011)

U45 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.031

褚衍玉(1991- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域為道路與橋梁工程