地表荷載對淺埋非對稱小凈距隧道的影響分析*

張學(xué)富，周元江，周元輔，周 杰

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

在城市交通建設(shè)過程中，由于地形和周邊環(huán)境限制，非對稱小凈距隧道逐漸增多。當(dāng)非對稱小凈距隧道為淺埋且穿過地表建筑時，地表沉降、圍巖變形和支護(hù)受力狀態(tài)是施工過程中需要控制的重要項(xiàng)目。

目前小凈距隧道研究主要集中在小凈距大斷面隧道的合理凈距[1-2]，圍巖壓力[3-5]及采用不同施工方法時各施工工序?qū)鷰r變形和支護(hù)力學(xué)狀態(tài)的影響，比如圍巖和支護(hù)的變形、力學(xué)狀態(tài)在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[6]、CRD法和預(yù)留核心土弧形導(dǎo)坑法[7]等施工過程中的變化。此外，對城市淺埋隧道，章慧健等[8]認(rèn)為在同等靜力學(xué)條件下，上下重疊隧道夾巖的受力優(yōu)于水平平行隧道；張志強(qiáng)等[9]通過研究非對稱小凈距隧道開挖順序?qū)χёo(hù)力學(xué)行為特性及圍巖穩(wěn)定的影響，認(rèn)為先開挖較小斷面隧道優(yōu)于先開挖較大斷面隧道。

淺埋非對稱小凈距隧道在不同地表荷載作用下，地表沉降、圍巖變形和支護(hù)受力狀態(tài)在施工過程中變化特征及風(fēng)險較大的施工步序探討較少。為獲得與此相關(guān)的結(jié)論，筆者以重慶渝中連接隧道與解放碑地下停車系統(tǒng)接口工程暗挖段為依托，采用二維數(shù)值方法，研究地表荷載位于小隧道正上方、大隧道正上方及均布于大小隧道上方這3種荷載作用下，淺埋非對稱小凈距隧道在小隧道先施工和大隧道先施工的地表沉降、拱頂下沉及支護(hù)應(yīng)力隨施工步序變化。

1 依托工程概況

重慶渝中連接隧道與解放碑地下停車系統(tǒng)接口工程暗挖段ASX1型襯砌里程為ZK13+920.500～ZK13+936.441。按非對稱小凈距隧道布置，左右線間距為5.8～6.1 m，洞頂埋深約為6.5 m。左洞開挖跨度為13.26 m，右洞開挖跨度為22.1 m。左洞支護(hù)參數(shù)：超前支護(hù)為Φ127 mm超前管棚；初期支護(hù)：C25噴射砼厚度為26 cm，單層Φ6 mm鋼筋網(wǎng)@15×15 cm，I20b鋼支撐@60 cm，長度為350 cm的Φ25 mm砂漿錨桿@100×60 cm；二次襯砌：C30鋼筋砼厚度為65 cm。右洞支護(hù)參數(shù)：超前支護(hù)為Φ127超前管棚；初期支護(hù)：C25噴射砼厚度為28 cm，單層Φ6 mm鋼筋網(wǎng)@15×15 cm，I22b鋼支撐@50 cm，長度為350 cm的Φ25 mm砂漿錨桿@100×50 cm；中夾巖支護(hù)加固：Φ25 mm精軋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力對拉錨桿@100×80 cm，梅花形布置；二次襯砌：C30鋼筋砼厚度為80 cm(左右隧道位置關(guān)系見圖1)。

圖1 斷面及模型示意Fig. 1 Section and model diagram

2 有限元模型及模擬施工步序

2.1 物理力學(xué)參數(shù)

重慶渝中連接隧道地表存在3～7 m厚的素填土，填土下為砂質(zhì)泥巖，紫色、紫褐色，粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。管棚超前支護(hù)在模型中僅考慮其整體加固作用，由等面積彈性模量等效可得管棚超前支護(hù)區(qū)域的彈性模量為6.8 GPa。張志強(qiáng)等[10]將巖體的彈性模量、黏聚力及摩擦角僅提高50%作為其加固作用。根據(jù)室內(nèi)、現(xiàn)場試驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范，計(jì)算所需的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physics mechanics parameters

2.2 有限元模型及荷載分布

模型選擇ZK13+927斷面作為分析對象。該斷面左線隧道埋深8.0 m，右線隧道埋深6.1 m，填土厚度為5.2 m，巖層厚度為59.8 m(圖1)。模型頂部取至地表，左、右及下邊界都取3倍洞徑。整個模型尺寸大小為120 m(寬)×65 m(高)，共有36 424個單元，38 388個節(jié)點(diǎn)。填土、巖體、加固區(qū)、初期支護(hù)及二次襯砌均采用實(shí)體單元Plane42，錨桿采用link1單元，工字鋼及槽鋼采用beam3單元。

邊界條件為：頂部為自由邊界，底部施加豎向約束，左右兩側(cè)各施加水平約束。適用于ASX1型襯砌樁號范圍內(nèi)地表存在不同層高的地表建筑且各建筑與隧道位置關(guān)系各異，筆者取8層地表建筑荷載為計(jì)算荷載并考慮為均布荷載，大小為30 kN/m2×8；在小隧道正上方、大隧道正上方及大小隧道上方均有建筑物分布，此外在很多其它城市隧道建設(shè)中基本都會遇到這3種典型地表荷載分布形式。因而，筆者主要分析地表荷載位于小隧道正上方、大隧道正上方及均布于大小隧道上方這3種情況，有限元模型及荷載分布見圖1。

2.3 施工步序

左側(cè)小隧道采用單側(cè)壁方法施工，右側(cè)大隧道采用環(huán)形開挖留核心土法施工。根據(jù)兩種施工方法步序，數(shù)值模擬步驟編號及主要內(nèi)容見表2。

表2 數(shù)值模擬步驟及主要內(nèi)容Table 2 Steps and main contents of numerical simulation

注：步驟3～12為左洞施工步驟也即小隧道施工步驟；步驟13～25為右洞施工步驟也即大隧道施工步驟；小隧道先施工時，模擬步驟為1～24；大隧道先施工時，模擬步驟為1、2、13～25、3～12。

3 地表荷載的影響分析

3.1 地表荷載對地表沉降影響

隧道施工中，地表沉降在有地表荷載地方通常是非常重要的控制參數(shù)。圖2(a)為在3種地表荷載分布作用下，小隧道先施工時，大隧道施工完成后的地表沉降曲線。除荷載分布2作用下沉降曲線有雙峰出現(xiàn)外，其他兩種地表荷載分布作用下的沉降曲線只有一個峰值。從沉降值大小來看，在荷載分布2作用下，地表沉降值較?。辉诤奢d分布1、3作用下地表沉降較大且最大值比較接近。圖2(b)為大隧道先施工時，在各種荷載分布作用下地表沉降曲線。與圖2(a)相比，兩者分布規(guī)律基本相同，但有一定區(qū)別。圖2(a)中，在荷載分布1作用下的最大沉降值大于荷載分布3作用下最大值；而圖2(b)表明：這兩種荷載分布作用下的最值基本相等。

此外，圖2(a)中大隧道中線左側(cè)至小隧道中線右側(cè)在荷載分布1、3作用下的沉降差值大于圖2(b)中的差值。從地表沉降分布規(guī)律來看，無論是左側(cè)小隧道先施工還是右側(cè)大隧道施工對地表沉降最終分布影響不大。荷載分布2的總荷載相對較小，因而地表沉降相對較小，并且具有雙峰特征。地表荷載分布影響最終地表沉降曲線的形態(tài)及沉降值大小。

圖2 最終地表沉降Fig. 2 Final subsidence

3.2 地表荷載對拱頂下沉影響

拱頂下沉是表征圍巖是否穩(wěn)定的重要參數(shù)之一，也是隧道監(jiān)控量測的必測項(xiàng)目。圖3為小隧道先施工時，大、小隧道拱頂下沉在各種荷載分布作用下隨施工步序的變化。在荷載分布3作用下，小隧道拱頂下沉小于其他兩種情況。反之，在荷載分布2作用下，大隧道拱頂下沉小于其他情況。小隧道右側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖和大隧道左側(cè)導(dǎo)坑下臺階開挖對小隧道拱頂沉降影較大，位移突變明顯。大隧道在其左、右導(dǎo)坑上臺階開挖和最后拆除臨時支撐時的拱頂下沉變化顯著。小隧道正上方存在地表荷載兩種情況(荷載分布1、2)的拱頂下沉差值大于大隧道正上方存在地表荷載兩種情況(荷載分布1、3)的拱頂下沉差值。

圖3 先行洞為小隧道時的拱頂下沉Fig. 3 Crown settlement of antecedence tunnel as small tunnel

圖4為大隧道先施工時，大、小隧道拱頂下沉在各種荷載分布作用下隨施工步序分布。與圖4對比可知，大隧道先施工的拱頂下沉與小隧道先施工的分布規(guī)律相同。小隧道拱頂下沉突變出現(xiàn)于小隧道右側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖，而大隧道拱頂下沉呈多臺階狀變化。拱頂下沉變化較明顯的幾個階段為：大隧道左、右導(dǎo)坑上臺階開挖和最后拆除臨時支撐。大隧道拱頂下沉受小隧道施工影響比較小。

圖4 先行洞為大隧道時的拱頂下沉Fig. 4 Crown settlement of antecedence tunnel as large tunnel

圖3、4表明：無論是小隧道先施工還是大隧道先施工，對淺埋非對稱小凈距隧道，無論大、小隧道，只要其正上方無地表荷載，拱頂下沉均較小?？偟乇砗奢d大小對小隧道拱頂下沉影響比大隧道拱頂下沉大。大、小隧道施工先后順序?qū)绊斚鲁岭S工序變化的規(guī)律沒有影響。在3種荷載分布作用下，無論是小隧道先施工還是大隧道先施工，小隧道右側(cè)導(dǎo)坑上臺階、大隧道左、右導(dǎo)坑上臺階開挖和最后拆除臨時支撐都是拱頂下沉變化最大的施工步序。

3.3 地表荷載對初支混凝土應(yīng)力影響

初支噴射混凝土是新奧法施工的核心內(nèi)容之一，也是錨噴支護(hù)的重要組成。圖5為小隧道先施工時，小隧道初支混凝土主應(yīng)力最值隨大隧道施工過程的變化。小隧道初支第1主應(yīng)力最大值隨總地表荷載增大而增大，在大隧道左導(dǎo)坑上臺階開挖時，應(yīng)力減小都在1.0 MPa以上，最大達(dá)到2.3 MPa。由圖5(b)可知：在荷載分布1作用下，小隧道初支第3主應(yīng)力最小值的絕對值最大；而在荷載分布2作用下，第3主應(yīng)力壓應(yīng)力大于在荷載分布3作用下的應(yīng)力值。第1主應(yīng)力最大值在大隧道左側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖時減小量最大，而第3主應(yīng)力在大隧道左側(cè)導(dǎo)坑下臺階開挖時增大量最大。由此表明：這兩個施工步序會導(dǎo)致整個應(yīng)力場重新分布顯著。

圖5 小隧道初支應(yīng)力Fig. 5 Primary support stress of small tunnel

圖6為大隧道先施工時，大隧道初支混凝土主應(yīng)力最值隨小隧道施工過程的變化。在荷載分布2作用下，第1主應(yīng)力最大值和第3主應(yīng)力最小值的絕對值均最小。在荷載分布1、3作用下，大隧道初支應(yīng)力大小基本不受小隧道施工影響。在荷載分布3作用下，第1主應(yīng)力最大值最大；在荷載分布1作用下，第3主應(yīng)力最小值絕對值最大；在荷載分布2作用下，小隧道右導(dǎo)坑上臺階開挖導(dǎo)致第1主應(yīng)力減小了1.48 MPa以及第3主應(yīng)力增大了1.47 MPa，除此之外，大隧道初支應(yīng)力無明顯突變。

圖6 大隧道初支應(yīng)力Fig. 6 Primary support stress of large tunnel

圖5、6表明：小隧道先施工時，大隧道左側(cè)上、下臺階開挖對應(yīng)力場的重新分布影響明顯。大隧道先施工時，荷載分布1、3對其初支應(yīng)力基本不產(chǎn)生影響；但在荷載分布2作用下，小隧道右導(dǎo)坑上臺階開挖對其初支應(yīng)力影響嚴(yán)重。先行洞為小隧道時小隧道的初支第1主應(yīng)力和先行洞為大隧道時大隧道的第3主應(yīng)力的絕對值都隨總地表荷載增加而增大。

3.4 地表荷載對二襯混凝土應(yīng)力影響

一般而言，二襯是作為隧道的安全儲備，其受力狀態(tài)對隧道整體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生非常重要的影響。圖7為小隧道先施工時，小隧道二襯混凝土主應(yīng)力最值隨大隧道施工過程的變化。在大隧道施工過程中，小隧道二襯混凝土的第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力絕對值都隨施工步序、總地表荷載增加而增大。小隧道二襯混凝土應(yīng)力在右側(cè)大隧道左側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖時，第1主應(yīng)力平均增大1.3 MPa，第3主應(yīng)力平均增大5.2 MPa。在大隧道最終拆除臨時支撐時，第3主應(yīng)力最小值變化也比較明顯。

圖8為大隧道先施工時，大隧道二襯混凝土主應(yīng)力最值隨小隧道施工過程的變化。在荷載分布1、3作用下，小隧道左導(dǎo)坑下臺階開挖導(dǎo)致第1主應(yīng)力最大值顯著增大；在荷載分布1、2作用下，小隧道右導(dǎo)坑上臺階開挖導(dǎo)致第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力最值的絕對值明顯增大；在小隧道右導(dǎo)坑下臺階開挖時，第1主應(yīng)力減小也相對較大；在荷載分布3作用下，小隧道右導(dǎo)坑下臺階開挖時，第3主應(yīng)力最小值絕對值也有較大增加。

圖7 小隧道二襯應(yīng)力Fig. 7 Secondary lining stress of small tunnel

圖8 大隧道二襯應(yīng)力Fig. 8 Secondary lining stress of large tunnel

圖7、8表明：當(dāng)小隧道先施工時，其二襯應(yīng)力隨大隧道施工工序和地表總荷載大小變化規(guī)律明顯；而在大隧道先施工時，其二襯應(yīng)力不具有此規(guī)律。無論大、小隧道施工先后順序如何，后行洞臨近先行洞的導(dǎo)坑開挖對二襯應(yīng)力影響非常大。先行洞為小隧道時，其二襯第1、3主應(yīng)力最大值的絕對值均大于先行洞為大隧道時的二襯應(yīng)力值。

4 結(jié) 論

通過二維數(shù)值分析地表荷載分布在淺埋非對稱小凈距隧道地表不同位置，可得到如下結(jié)論：

1) 總地表荷載越大，地表沉降越大。同樣大小均布荷載作用于小隧道正上方時，地表沉降曲線具有雙峰特點(diǎn)；而地表荷載位于大隧道正上方時只有一個峰值，大隧道正上方地表荷載影響最終地表沉降曲線的形態(tài)及沉降值大小；

2) 無論大小隧道，只要其正上方無地表荷載，則拱頂下沉均較小。大小隧道的施工先后順序?qū)绊斚鲁岭S工序變化規(guī)律沒有影響，小隧道右側(cè)導(dǎo)坑上臺階、大隧道左、右導(dǎo)坑上臺階開挖和最后拆除臨時支撐都是拱頂下沉變化最大的施工步序；

3) 先行洞為大隧道時，荷載位于其正上方或均布于大小隧道上方，對其初支應(yīng)力基本不產(chǎn)生影響；但荷載位于小隧道正上方時，小隧道右導(dǎo)坑上臺階開挖致使第1主應(yīng)力減小1.48 MPa，第3主應(yīng)力增大1.47 MPa。先行洞為小隧道時，大隧道左側(cè)上下臺階開挖對應(yīng)力場重新分布影響明顯；先行洞為小隧道時小隧道初支第1主應(yīng)力與先行洞為大隧道時大隧道初支第3主應(yīng)力都隨總地表荷載增加其絕對值也增大；

4) 小隧道二襯應(yīng)力隨大隧道施工工序和地表總荷載增加而增大。無論大小隧道施工先后順序如何，后行洞臨近先行洞的導(dǎo)坑開挖對二襯應(yīng)力影響非常大；大小隧道施工先后順序?qū)Χr應(yīng)力影響較大。

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