極小凈距隧道單向出洞施工力學(xué)特性分析

(1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司 貴州 貴陽(yáng) 550008；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

引言

由于特殊地質(zhì)及地形條件、線橋隧銜接方式、總體路線線形和工程造價(jià)等原因的限制，雙洞隧道左右線間距不能保證達(dá)到規(guī)范的要求，必須采用小凈距隧道及連拱隧道等特殊結(jié)構(gòu)形式。

大斷面小凈距隧道斷面大、扁平率低、圍巖穩(wěn)定性差，施工過(guò)程中存在先行洞和后行洞相互擾動(dòng)的現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)大斷面小凈距隧道在施工過(guò)程和運(yùn)營(yíng)期間的力學(xué)性狀是修建此類隧道的關(guān)鍵[1-3]。夏才初[4]等對(duì)鶴上隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，指出了小凈距隧道開挖影響的時(shí)空范圍和隧道襯砌支護(hù)的最佳時(shí)機(jī)。彭從文[5]等通過(guò)研究后行洞開挖中隔墻及先行洞襯砌的受力狀態(tài)，得出Ⅲ級(jí)圍巖隧道最小凈距取0.5B是合適的。張鐵柱[6]等通過(guò)對(duì)大連大東山單洞四車道高速公路隧道變形受力監(jiān)測(cè)，得出小凈距隧道內(nèi)側(cè)受力狀態(tài)較外側(cè)復(fù)雜，后行洞的受力狀況相對(duì)于先行洞要好一些，設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)充分考慮后行洞施工對(duì)先行洞的影響。吳文琦[7]等對(duì)先行洞在后行洞爆破荷載載作用下的動(dòng)力響應(yīng)做了理論研究，得出了當(dāng)后行洞采用側(cè)壁導(dǎo)坑法分五步爆破開挖時(shí)，第一步爆破開挖對(duì)先行洞的影響最大。

舊屋基隧道出口段原設(shè)計(jì)采用連拱隧道施工方案，但存在以下問(wèn)題：開挖量較大，臨時(shí)支撐多，拆除繁瑣，嚴(yán)重影響了隧道的適用性和耐久性，后變更為極小凈距隧道施工方案，但是由于凈距小，斷面大，先行洞受后行洞施工擾動(dòng)較大，安全性問(wèn)題較突出。因此，本文以該隧道為工程背景，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，建立三維數(shù)值模型，探討后行洞施工過(guò)程中對(duì)先行洞的影響及先行洞襯砌結(jié)構(gòu)安全性。

一、出洞施工方案

貴州省興義市環(huán)城高速舊屋基隧道為設(shè)計(jì)時(shí)速為80km/h的分離式極小凈距隧道，其中，進(jìn)口段左右洞凈距約為30.5m，然后逐漸分為分離式、小凈距、極小凈距隧道，出口段左右洞凈距最小，約為0.6m。左洞起訖樁號(hào)為ZK15+305～ZK15+697，長(zhǎng)392m；右洞起訖樁號(hào)為YK15+290～YK15+683，長(zhǎng)393m，最大埋深約178m。單洞開挖跨度為15.72m，高度為11.45m，開挖面積約為130。隧道圍巖為可塑狀含碎石粉質(zhì)黏土及強(qiáng)、中風(fēng)化白云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，其中出口段為V級(jí)圍巖。

(一)左洞臺(tái)階法出洞

隧道左洞為先行洞，出口段施工不受左右線凈距因素的影響，采用臺(tái)階法出洞，開挖采用弱爆破、機(jī)械開挖結(jié)合的方式。出口段循環(huán)進(jìn)尺與開挖方式控制如表1所示。

表1 左洞出口段施工控制表

出洞段襯砌結(jié)構(gòu)按照新奧法原理，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式，其中，以系統(tǒng)錨桿、注漿錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼架、噴射混凝土為初期支護(hù)。具體開挖尺寸及支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示，出口段采用直徑42mm、厚度4mm、長(zhǎng)度4m的雙層小導(dǎo)管作為超前支護(hù)措施。其中一層外插角度為10-15°，環(huán)向間距為40cm，縱向間距為120cm，另一層小導(dǎo)管外插角度為30-40°，環(huán)向間距為40cm，縱向間距為240cm。中間巖柱采用梅花形布置的注漿小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，漿液采用1:0.7普通水泥漿液，注漿壓力控制在1.0MPa～1.5MPa，使松散的塊石碎石狀巖體固結(jié)，提高中壁巖柱的承載能力。

(二)右洞超前小導(dǎo)洞出洞

右洞出口段出洞施工所受左右線極小凈距的影響較大，采用超前導(dǎo)洞出洞方案，導(dǎo)洞先行貫通后擴(kuò)挖大斷面，最終實(shí)現(xiàn)安全出洞。

小導(dǎo)洞尺寸為7m×5m。出口段10m內(nèi)設(shè)置小導(dǎo)洞初期支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：鋼架采用I14b工字型鋼拱架，間距為80cm；鋼筋網(wǎng)采用直徑8mm，網(wǎng)格間距為20cm×20cm；噴射混凝土為C20混凝土，厚度為15cm。導(dǎo)洞施工采用弱爆破開挖方式，每次循環(huán)進(jìn)尺1.6m，每日平均進(jìn)尺3.2m。

右洞大斷面施工至距離洞口20m時(shí)停止施工，采用弱爆破方式優(yōu)先貫通超前導(dǎo)洞，導(dǎo)洞貫通后，主洞依然按照上下臺(tái)階法施工步驟單向開挖掘進(jìn)，上臺(tái)階大斷面采用機(jī)械與爆破結(jié)合的方式擴(kuò)挖。其中，靠近先行左洞一側(cè)的巖體采用破碎頭破除方式機(jī)械開挖，右側(cè)遠(yuǎn)離左洞一側(cè)巖體采用弱爆破方式開挖。上臺(tái)階擴(kuò)挖完成后，逐段拆除超前導(dǎo)洞支護(hù)，及時(shí)施作主洞上臺(tái)階初期支護(hù)并對(duì)左側(cè)中巖柱進(jìn)行注漿加固。其中，右洞初期支護(hù)參數(shù)及掌子面循環(huán)控制進(jìn)尺同左洞相同；隧道超前鉆探、超前支護(hù)、注漿加固等措施同左洞施工工藝相同。

圖1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

二、數(shù)值模型的建立

根據(jù)舊屋基隧道實(shí)際的地質(zhì)條件和施工條件建立數(shù)值模型，為消除邊界效應(yīng)的影響，模型的橫向?qū)挾热?20m(約10D)；沿線路縱向模擬的左線里程樁號(hào)為ZK15+623-ZK15+687，長(zhǎng)度為64m；距隧底仰拱往下取47m。其中選取ZK15+668為目標(biāo)斷面，埋深20m，左右線凈距2.03m，舊屋脊隧道三維計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 舊屋基隧道計(jì)算模型網(wǎng)格

現(xiàn)場(chǎng)的中風(fēng)化白云巖地層雖然強(qiáng)度低但是均勻性質(zhì)較好，故在三維數(shù)值分析中，隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。圍巖采用三維實(shí)體單元(brick)，初期支護(hù)也采用三維實(shí)體單元。二次襯砌采用FLAC3D中的三維殼體(shell)單元。相關(guān)材料物理力學(xué)參數(shù)由設(shè)計(jì)及工程類比確定(表2)。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算研究的重點(diǎn)在于先行洞貫通后，后行洞開挖過(guò)程中圍巖、支護(hù)的應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律以及對(duì)先行洞隧道結(jié)構(gòu)沉降、位移的影響。對(duì)于三維全施工過(guò)程的模擬，設(shè)定隧道開挖進(jìn)尺為2m，左洞采用上下臺(tái)階法，右洞采用小導(dǎo)洞擴(kuò)挖法，小導(dǎo)洞超前距離為4m，將每個(gè)隧道沿縱向分為32段，每段2m。先行洞上臺(tái)階開挖30m后，開挖下臺(tái)階，上臺(tái)階繼續(xù)開挖。下臺(tái)階開挖20m后，施作仰拱。先行洞貫通后后行洞小導(dǎo)洞開挖，小導(dǎo)洞開挖4m后，擴(kuò)挖上臺(tái)階，上臺(tái)階開挖30m后開挖下臺(tái)階，下臺(tái)階開挖20m后施作仰拱。

圖3 先行洞拱頂沉降隨開挖變化圖

三、計(jì)算結(jié)果分析

(一)拱頂下沉分析

拱頂位移的發(fā)展是反映隧道圍巖穩(wěn)定性的一個(gè)重要標(biāo)志，為了探明不同施工步驟對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，分析隧道拱頂位移發(fā)展變化的過(guò)程。

圖3為先行洞各斷面拱頂沉降隨開挖變化規(guī)律示意圖，由圖可以得出先行洞斷面拱頂沉降大于后行洞，這是由于先行洞受后行洞開挖影響，先行洞拱頂沉降值為4.97mm。先行洞拱頂沉降變化規(guī)律為當(dāng)開挖至目標(biāo)斷面時(shí)變形急劇增大，至仰拱開挖完成后趨于平緩，后行洞擴(kuò)挖時(shí)又急劇增大，最終沉降達(dá)到穩(wěn)定。先行洞受后行洞開挖影響較大，由于后行洞開挖引起的先行洞沉降占總沉降的30%。

(二)二次襯砌內(nèi)力

通過(guò)分析目標(biāo)斷面不同施工階段先行洞二次襯砌的內(nèi)力，發(fā)現(xiàn)后行洞開挖對(duì)先行洞襯砌結(jié)構(gòu)受力有較大影響(圖4)，并將典型位置內(nèi)力值列于表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，后行洞未開挖前，先行洞內(nèi)力呈對(duì)稱分布，后行洞上臺(tái)階開挖后，先行洞內(nèi)力分布發(fā)生變化，出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱形，靠近后行洞一側(cè)內(nèi)力值急劇增大，下臺(tái)階開挖后內(nèi)力值也有所增加，但幅度不大。軸力最大值發(fā)生在E點(diǎn)，不同開挖階段軸力值分別為92.58kN，1485.15kN，1616.47kN，1618.1kN。彎矩最大值發(fā)生在C點(diǎn)，不同開挖階段彎矩值分別為15.41kN·m，90.92kN·m，114.71kN·m，114.4kN·m。

(a)先行洞挖通后 (b)后行洞上臺(tái)階擴(kuò)挖后

(c)后行洞下臺(tái)階開挖后 (d)后行洞挖通后

(三)襯砌結(jié)構(gòu)安全性

根據(jù)數(shù)值模擬獲得的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，計(jì)算出不同開挖階段下下典型位置襯砌安全系數(shù)列于表3。

表3 不同開挖階段安全系數(shù)

由表3可知，后行洞開挖后安全系數(shù)明顯減小，安全系數(shù)最小值發(fā)生在靠近后行洞一側(cè)E位置處?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定在永久荷載作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為2.0。二次襯砌靠近先行洞一側(cè)安全系數(shù)較小，但各位置處安全系數(shù)均大于2.0，結(jié)構(gòu)安全。

四、結(jié)論

(1)后行洞開挖對(duì)先行洞周圍巖體位移，支護(hù)受力等產(chǎn)生顯著影響。由于后行洞開挖引起的先行洞位移變形占總位移的25%-33%。

(2)后行洞擴(kuò)挖時(shí)，先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)在靠近后行洞一側(cè)軸力彎矩明顯增大，受力情況更為復(fù)雜，安全系數(shù)減小，所以這一側(cè)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

(3)通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，隧道位移變形值遠(yuǎn)小于規(guī)范控制值；襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值為7.1，大于規(guī)范控制值，隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力均處于安全范圍。