公路小凈距隧道縱向空間效應(yīng)分析

賀曉銘

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅蘭州 730030)

在地質(zhì)條件復(fù)雜的山嶺地區(qū)公路建設(shè)中，小凈距隧道因具有工序簡(jiǎn)單、工程風(fēng)險(xiǎn)小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。然而，由于兩洞室中心距較小，小凈距隧道雙洞間應(yīng)力場(chǎng)存在空間上的相互影響[1]，這對(duì)隧道施工安全極為不利。因此，諸多學(xué)者對(duì)隧道施工過(guò)程中的空間效應(yīng)進(jìn)行研究。董云鵬等對(duì)硬黏土層雙線隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為兩洞室掌子面間距對(duì)周邊收斂影響程度大于對(duì)拱頂沉降的影響[2-4]。李志清等依據(jù)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)分析圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)，得出隧道縱向開(kāi)挖面的影響距離約為2倍洞徑[5]。周飛等基于離心模型試驗(yàn)，研究了不同凈距和間距的組合下雙洞效應(yīng)隧道地表及地層的變形規(guī)律[6]。劉元峰依托米家寨隧道對(duì)隧道開(kāi)挖面的合理間距進(jìn)行分析，得出隧道開(kāi)挖面縱向合理間距應(yīng)不小于20 m[7]。褚衍玉等依托大石嶺隧道，采用數(shù)值模擬分析兩洞室掌子面不同間距下地表沉降、洞周收斂變形以及中巖墻變化規(guī)律，得出掌子面合理縱向間距為40 m[8-9]。袁飛等采用FLAC3D對(duì)黃土連拱隧道開(kāi)挖面的空間效應(yīng)、左右洞的相互影響進(jìn)行分析，得出開(kāi)挖面的合理間距應(yīng)控制在2.5～3倍單洞開(kāi)挖寬度[10-11]。以下基于前人的研究，采用數(shù)值模擬的方法分析某公路隧道兩洞室掌子面不同縱向間距下圍巖響應(yīng)特性，并提出合理的縱向施工間距。

1 工程概況及數(shù)值模型

1.1 工程概況

該隧道為公路小凈距長(zhǎng)隧道，左線里程范圍為K0+192.513～K1+370.649，右線里程范圍為K0+190.00～K1+360.00。單洞開(kāi)挖寬度為11.78 m。隧道所穿越地層圍巖為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)，選?、艏?jí)圍巖段落進(jìn)行模擬開(kāi)挖及初期支護(hù)，以分析兩洞室間縱向空間效應(yīng)。隧道Ⅳ級(jí)段落坡面覆蓋層為殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏志留系下統(tǒng)羅惹坪組泥巖，基巖巖體較完整。隧道地表坡度一般為30°～45°，局部達(dá)60°。隧道初期支護(hù)采用錨噴，開(kāi)挖進(jìn)尺為2 m，右洞先行。隧道左、右洞均采用臺(tái)階法施工。施工步驟為：①上斷面開(kāi)挖并初期支護(hù)；②中槽開(kāi)挖；③邊墻馬口跳槽開(kāi)挖并初期支護(hù)；④仰拱開(kāi)挖；⑤仰拱澆筑；⑥拱墻澆筑(見(jiàn)圖1)。

圖1 施工步序

1.2 三維數(shù)值模型建立

模型邊界：左右邊界取4倍隧道洞徑，下邊界取5倍隧道開(kāi)挖高度，隧道長(zhǎng)度取60 m(見(jiàn)圖2)。模型概述如下：左右邊界施加水平約束，上邊界不施加約束，底部施加豎向約束，前后邊界施加Y方向約束(X方向?yàn)槠叫兴淼罊M斷面方向，水平向右為正；Y方向?yàn)檠厮淼垒S線方向，垂直隧道橫斷面向里為正)。將圍巖視為各向同性的均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)，采用Drucker-Prager準(zhǔn)則。圍巖采用3D實(shí)體單元；噴射混凝土采用2D板單元，厚度為20 cm；錨桿采用1D植入性桁架單元，尺寸為1.0 m×1.0 m。各結(jié)構(gòu)和材料力學(xué)參數(shù)根據(jù)《隧道施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明》和《隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(第一冊(cè) 土建工程)》(JTG 3370.1—2018)選取(見(jiàn)表1、表2)。兩洞室掌子面的縱向間距選取0.5B(6 m)、1.0B(12 m)、1.5B(18 m)、2.0B(24 m)四種工況，先行洞(右洞)掌子面開(kāi)挖到既定超前斷面，后行洞(左洞)掌子面只開(kāi)挖8 m，以實(shí)現(xiàn)掌子面不同縱向間距變化(見(jiàn)圖3)。

表1 模型中各材料力學(xué)參數(shù)

表2 三維模型數(shù)值計(jì)算工況匯總 m

圖2 小凈距隧道整體模型

圖3 截面選取點(diǎn)示意

2 不同間距圍巖力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 洞室拱頂沉降分析

由圖3可知，1-1斷面為先行洞拱頂中心斷面，2-2斷面為中夾巖柱中心斷面，3-3斷面為后行洞拱頂中心斷面。圖4為工況四洞室沉降位移變化曲線。先行洞拱頂沉降變化曲線經(jīng)歷了快速上升、平緩上升、急速上升、穩(wěn)定收斂四個(gè)階段，穩(wěn)定收斂位置在其掌子面前方10 m處。后行洞拱頂沉降位移變化曲線經(jīng)歷了急劇上升、緩慢上升、穩(wěn)定收斂三個(gè)階段，穩(wěn)定收斂位置也在其掌子面前方10 m處。這表明隧道停止開(kāi)挖后，拱頂沉降在其掌子面前方10 m處趨于穩(wěn)定。中夾巖柱沉降變化曲線經(jīng)歷了平緩上升、穩(wěn)定收斂?jī)蓚€(gè)階段，經(jīng)過(guò)先行洞掌子面后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明凈距為10 m時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)中夾巖柱沉降的影響較小。

圖4 工況四沉降位移隨隧道縱向位置變化

圖5為各工況先行洞拱頂沉降位移變化曲線，各工況曲線也經(jīng)歷了上述四個(gè)階段，工況一平緩上升階段最短，各工況沉降最大值在洞口處。隨著掌子面間距增大，先行洞拱頂沉降位移值增大，但增幅不斷減小。因此，從控制先行洞洞口拱頂沉降出發(fā)，兩相鄰隧道掌子面間距宜控制為0.5B(6 m)。

圖5 各工況先行洞拱頂沉降位移隨隧道縱向位置變化

2.2 中夾巖柱力學(xué)響應(yīng)分析

小凈距隧道施工的關(guān)鍵是保護(hù)中夾巖柱的完整性和穩(wěn)定性[12-16]。以中夾巖柱中心斷面2-2為基準(zhǔn)，左右兩側(cè)各隔4 m選取斷面(見(jiàn)圖6)，對(duì)中夾巖柱進(jìn)行位移和應(yīng)力響應(yīng)特性進(jìn)行分析。

圖6 中夾巖柱斷面示意(單位：m)

圖7為工況四中夾巖柱沉降位移變化曲線，中夾巖柱右側(cè)沉降位移變化曲線經(jīng)歷了快速上升、平緩上升、急速上升、穩(wěn)定收斂四個(gè)階段，與先行洞拱頂沉降位移變化曲線保持相同特征。中夾巖柱左側(cè)沉降位移變化曲線經(jīng)歷了急劇上升、緩慢上升、穩(wěn)定收斂三個(gè)階段，與后行洞拱頂沉降位移曲線相同。

圖7 工況四中夾巖柱沉降位移隨隧道縱向位置變化

圖8為各工況中夾巖柱右側(cè)沉降位移變化曲線，各工況變化曲線同樣經(jīng)歷了上述四個(gè)階段，工況一快速上升階段最短，工況四快速上升階段最長(zhǎng)。最大沉降位移在洞口處，穩(wěn)定收斂位置位于先行洞掌子面前方10 m處。隨著掌子面間距不斷增大，中夾巖柱右側(cè)沉降位移增大，當(dāng)0.5B≤掌子面間距≤1.5B時(shí)，沉降量隨掌子面間距的增加而不斷變大；當(dāng)1.5B≤掌子面間距≤2.0B時(shí)，沉降增幅開(kāi)始減小。因此，從控制中夾巖柱沉降位移增長(zhǎng)角度出發(fā)，兩相鄰隧道掌子面的間距宜≤0.5B(6 m)或≥2.0B(24 m)。

圖8 各工況中夾巖柱右側(cè)沉降位移隨隧道縱向位置變化

圖9為工況四中夾巖柱水平位移變化曲線，由圖9可知，左、右側(cè)水平位移變化曲線特征一致，水平位移最大值處于隧道縱向位置2 m處，都經(jīng)歷了小幅下降、快速上升、平緩上升、穩(wěn)定收斂四個(gè)階段。中夾巖柱中心水平位移變化曲線經(jīng)歷了平緩上升、快速上升、穩(wěn)定收斂三個(gè)階段。0～8 m為兩隧道開(kāi)挖相互影響區(qū)間，右側(cè)水平位移較左側(cè)大，說(shuō)明隧道開(kāi)挖對(duì)靠近先行洞一側(cè)中夾巖柱水平位移影響較大。即先行洞開(kāi)挖使中夾巖柱不僅向下沉降，還向左變形。

圖9 工況四中夾巖柱水平位移隨隧道縱向位置變化

圖10為各工況中夾巖柱右側(cè)水平位移變化曲線，水平位移最大值位于隧道縱向位置2 m處。在相互影響區(qū)間，水平位移隨掌子面間距增大而增大，但增幅減小。因此，從控制中夾巖柱水平位移出發(fā)，兩相鄰隧道掌子面的縱向間距宜控制在0.5B(6 m)。

圖10 各工況中夾巖柱右側(cè)水平位移隨隧道縱向位置變化

圖11為工況四中夾巖柱主應(yīng)力變化曲線，右側(cè)主應(yīng)力變化曲線經(jīng)歷了緩慢上升、快速上升、穩(wěn)定收斂三個(gè)階段，左側(cè)主應(yīng)力變化曲線經(jīng)歷了快速上升、平緩上升、穩(wěn)定收斂三個(gè)階段。先行洞掌子面后方中夾巖柱右側(cè)主應(yīng)力較左側(cè)大，在通過(guò)先行洞掌子面后，兩條曲線明顯上揚(yáng)，主應(yīng)力值進(jìn)一步減小，表明掌子面開(kāi)挖卸荷作用使應(yīng)力得到進(jìn)一步減小。

圖11 工況四中夾巖柱主應(yīng)力隨隧道縱向位置變化

圖12為各工況中夾巖柱右側(cè)主應(yīng)力變化曲線，中夾巖柱右側(cè)主應(yīng)力隨間距增加而增大。各工況中夾巖柱右側(cè)主應(yīng)力對(duì)掌子面間距的敏感度不同，當(dāng)0.5B≤掌子面間距≤1.5B時(shí)，主應(yīng)力增幅較大；1.5B≤掌子面間距≤2.0B時(shí)，主應(yīng)力值雖有增加，但增幅減小，敏感度降低。從控制中夾巖柱主應(yīng)力增長(zhǎng)角度出發(fā)，兩相鄰隧道掌子面間距宜≤0.5B(6 m)或者≥2.0B(24 m)。

2.3 塑性區(qū)分析

圖13～圖16為各工況下后行洞開(kāi)挖8 m時(shí)隧道塑性區(qū)分布，隨著掌子面間距的增大，先行洞塑性區(qū)分布范圍增大，后行洞塑性區(qū)分布基本無(wú)變化，塑性區(qū)擴(kuò)展到掌子面處。因此，隨著掌子面間距的不斷增大，對(duì)后行洞塑性區(qū)分布影響基本沒(méi)有影響，但最大塑性應(yīng)變不斷減小。從控制塑性應(yīng)變角度出發(fā)，兩相鄰隧道掌子面間距宜≥2.0B(24 m)。

圖13 0.5B塑性區(qū)前視圖和軸測(cè)圖分布

為降低開(kāi)挖造成的縱向空間相互影響，或避免中夾巖柱受到擾動(dòng)，從控制位移、抑制應(yīng)力增長(zhǎng)、控制塑性應(yīng)變這三個(gè)方面出發(fā)，兩相鄰隧道掌子面合理間距宜≤0.5B(6 m)或≥2.0B(24 m)，但6 m間距在實(shí)際工程中往往難以實(shí)現(xiàn)，故兩隧道掌子面間距宜≥2.0B(24 m)。

圖14 1.0B塑性區(qū)前視圖和軸測(cè)圖分布

圖15 1.5B塑性區(qū)前視圖和軸測(cè)圖分布

圖16 2.0B塑性區(qū)前視圖和軸測(cè)圖分布

3 結(jié)論

(1)在小凈距隧道開(kāi)挖過(guò)程中，洞口處沉降最大，隨著隧道的開(kāi)挖，拱頂沉降位移在其掌子面前方10 m處達(dá)到穩(wěn)定。

(2)中夾巖柱沉降變化與拱頂沉降變化規(guī)律基本一致。洞室開(kāi)挖不僅使其向下沉降，還向左變形。掌子面間距增大使先行洞塑性區(qū)有擴(kuò)展趨勢(shì)，對(duì)后行洞塑性區(qū)擴(kuò)展無(wú)影響。

(3)當(dāng)1.5B≤掌子面間距≤2.0B時(shí)，中夾巖柱主應(yīng)力增幅較大；當(dāng)1.5B≤掌子面間距≤2.0B時(shí)，中夾巖柱主應(yīng)力增幅較小，小凈距隧道合理的縱向施工間距宜≥2.0B(24 m)。