不同掌子面間距非對稱小凈距隧道施工圍巖運(yùn)移規(guī)律研究

邱 浩 劉 春* 李 萌 雷 暢

（重慶科技學(xué)院，重慶401331）

為舒緩城市交通運(yùn)輸壓力，我國正在逐步完善現(xiàn)代城市綜合運(yùn)輸體系，加快城軌交通線路建設(shè)，目前城軌交通線路主要以地鐵線路為主，占到各種軌道交通的80%左右[1]。在城市修建地鐵隧道不同于公路、鐵路隧道建設(shè)，其受限于地質(zhì)環(huán)境和周圍地形環(huán)境等眾多復(fù)雜因素的影響，出現(xiàn)很多特殊的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，例如連拱隧道、分離式隧道、小凈距隧道等，為了滿足雙線停車、節(jié)省用地、增添景觀等設(shè)計(jì)要求，出現(xiàn)很多斷面不對稱的小凈距隧道，稱為非對稱小凈距隧道[2]。

小凈距隧道由于雙洞間距較小，施工過程中雙洞的相互擾動(dòng)尤為明顯，就開挖順序而言，先行洞開挖對處于初始應(yīng)力狀態(tài)的巖體造成初次擾動(dòng)，后行洞開挖對先行洞和中間巖柱造成二次擾動(dòng)，二次應(yīng)力場疊導(dǎo)致其處于更不利的狀態(tài)。近年來對小凈距隧道施工研究規(guī)律表明，先行洞對于中間巖柱和地層沉降的影響都弱于后行洞，通過轉(zhuǎn)換隧道施工方法、改變前后掌子面間距、加強(qiáng)支護(hù)方式都可以減弱中間巖柱疊加效應(yīng)，以控制隧道的施工的安全[3]。

非對稱小凈距隧道斷面不對稱的幾何結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致隧道處于偏壓狀態(tài)，其圍巖應(yīng)力相互作用更加復(fù)雜。岳健冷，荊春燕等針對小凈距隧道的前后掌子面合理間距研究主要集中在二維施工動(dòng)態(tài)，主要針對施工工法、隧道凈距離、開挖順序進(jìn)行研究，研究也不夠系統(tǒng)、不夠精細(xì)[4-7]。因此本文依托實(shí)際工程針對非對稱小凈距隧道施工圍巖變化規(guī)律展開研究，通過數(shù)值模擬三維施工動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以揭示不同前后掌子面間距下非對稱小凈距隧道施工相互影響規(guī)律，這對于提高施工效率和保證施工安全具有重要的意義。

1 工程背景

選取重慶軌道交通九號線一期工程（高灘巖～興科大道）高灘巖站～天梨路站區(qū)間為本工程的第一個(gè)區(qū)間（以下簡稱為高天區(qū)間），選取工程為高天區(qū)間的第一個(gè)工程，穿越的地層從上到下依次為人工填土、殘坡積（Q4el+dl）粉質(zhì)粘土及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）砂巖、砂質(zhì)泥巖。

本文針對高天區(qū)間的第一段路程，YDK0+554.214～YDK0+554.214 段進(jìn)行分析，該段路程設(shè)計(jì)為雙洞隧道，因左側(cè)車道為雙線車道，右側(cè)車道為單線車道為減少工程造價(jià)，所以采用斷面非對稱隧道設(shè)計(jì)方式，左側(cè)大斷面隧道為A 斷面，右側(cè)小斷面隧道為B 斷面，左右兩洞的中間巖柱的距離僅有2.82m，兩斷面截表1 所示。

表1 斷面信息表

2 隧道施工動(dòng)態(tài)模擬

本文數(shù)值模擬的模型將鋼拱架與噴射的混凝土單元折算為殼體單元進(jìn)行計(jì)算，高灘巖站至天梨路區(qū)間工程地質(zhì)圍巖等級為Ⅳ級，其中砂巖、砂質(zhì)泥巖占到大部分，建模圍巖物理力學(xué)參數(shù)來源于地質(zhì)勘探，由于二次襯砌作為后期籌備作用，初期支護(hù)承擔(dān)圍巖釋放荷載的大部分比例為60%～80%左右，本次模擬暫不考慮二次襯砌的影響，為簡化模擬步驟，在數(shù)值模擬中按等效剛度的原則，將工字鋼或格柵鋼架的彈性模量折算到初期支護(hù)上，單車道和雙車道之間的間距僅為2.8m，隧道之間的擾動(dòng)比較大，采用鋼拱架和錨噴支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

式中：E 為折算后的彈性模量；

E0為混凝土的彈性模量；

SG為工字鋼或格柵鋼架的單位長度截面面積；

EG為工字鋼或格柵鋼架的彈性模量；

SO為混凝土單位長度截面面積。

隧道的支護(hù)參數(shù)和建模參數(shù)如表2 和3 所示。

表2 隧道支護(hù)物理參數(shù)

表3 建模物理力學(xué)參數(shù)一覽表

3 工況選取及模型建立

本次模擬依托實(shí)際工程的開挖方法和順序，大斷面隧道先行，小斷面隧道后行，大斷面隧道采用CRD 法，小斷面隧道采用上下兩臺(tái)階法施工。為研究不同掌子面間距下圍巖變化規(guī)律，以雙洞凈距離以實(shí)際工程距為標(biāo)準(zhǔn)取值2.8m，改變前后掌子面間距分別取值為3m、6m、9m、12m、15m、18m，模擬工況為后行洞開挖為9m，先行洞開挖分別為12m、15m、18m、21m、24m、27m。本次車站的開挖存在雙線車道和單線車道兩個(gè)隧道同時(shí)施工的工況，兩隧道均五心圓不規(guī)則隧道，本次計(jì)算模型邊界尺寸，為橫向110m，縱向70m，即左右兩側(cè)計(jì)算邊界為4 倍雙隧道的總跨度，A 斷面大斷面隧道埋深27.91m，B 斷面小斷面隧道埋深30.11m，上取至地面30m。A 斷面高8.69m，B 斷面高6.95m，向下取3 倍洞徑取值30m。隧道開挖長度51.81m，開挖長度取值51m。對模型左右兩側(cè)邊界進(jìn)行水平約束、底部邊界進(jìn)行豎直約束，模型初始應(yīng)地應(yīng)力場按照自重力進(jìn)行，網(wǎng)格劃分中間巖柱局部加密。隧道網(wǎng)格劃分和巖體網(wǎng)格劃分如圖1 和圖2 所示。

圖1 隧道巖體網(wǎng)格劃分

圖2 隧道開挖網(wǎng)格劃分

4 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 位移分析

為揭示不同掌子面間距下地層沉降規(guī)律，下圖為左右掌子面不同間距下隧道開挖洞口切面地層沉降圖，其中橫坐標(biāo)0 點(diǎn)為非對稱小凈距隧道的中間巖柱中心線位置，工況間距12m 工況下地層沉降圖如圖3。以大斷面隧道拱頂沉降為縱坐標(biāo)，以隧道縱向深度為橫坐標(biāo)，以前后掌子面間距為圖例進(jìn)行繪圖4。

圖3 掌子面間距12m 地層沉降圖

圖4 不同掌子面間距先行洞拱頂沉降

以上共有6 種工況，由于不同掌子面間距下隧道地層沉降曲線圖形狀基本相似，本次只對掌子面間距12m 進(jìn)行相應(yīng)的分析：隧道上部巖體地層沉降共有兩種變化狀態(tài)，從上到下由“單駝峰”形向“雙駝峰”形逐漸轉(zhuǎn)變，隧道沉降曲線向先行洞傾斜，且先行洞沉降值遠(yuǎn)大于后行洞，兩洞都是越靠近隧道頂部沉降速率越來越大，沉降差值先行洞隧道也大于單行洞隧道。單駝峰隧道地層沉降以距離拱頂1m、3m 和6m 為代表，雙駝峰以距離拱頂20m、24m 和36m（地表）為代表橫向分析，隧道地層沉降越靠近先行洞周圍，沉降增幅愈加明顯，主要集中在先行洞的18m 范圍之內(nèi)，越靠近后行洞周圍增幅也較明顯相對于先行洞隧道增幅小很多。

通過圖4 分析6 種工況下隧道拱頂沉降的變化曲線圖趨勢基本一致，由快速上揚(yáng)、平穩(wěn)上揚(yáng)、急速上揚(yáng)，平穩(wěn)收斂的過程，6種工況先行洞掌子面后方12m 隧道基本趨于穩(wěn)定，即圍巖不在受到掌子面開挖的影響，且隨著掌子間距的增加這個(gè)數(shù)值基本不在發(fā)生改變，開挖在縱向影響距離為12m。

4.2 中間巖柱分析

中間巖柱是小凈距隧道分析的重點(diǎn)，本節(jié)以縱向隧道深度為橫坐標(biāo)，以中間巖柱中間點(diǎn)的橫向位移和最大主應(yīng)力為縱坐標(biāo)繪圖如圖5-8。

圖5 左側(cè)點(diǎn)x 位移

圖6 中間點(diǎn)x 位移

圖7 右側(cè)點(diǎn)x 位移

圖8 中間巖柱應(yīng)力變化

前后掌子面間距為3m-9m 時(shí)，隧道邊墻收斂為負(fù)值，12m-18m 逐漸呈現(xiàn)為正值，這是因?yàn)樵诳v向上隨著掌子面間距逐漸增大，中間巖柱的應(yīng)力疊加令中間巖柱受合力方向發(fā)生改變，應(yīng)力縱向傳導(dǎo)令洞口面中間巖柱位移發(fā)生變化，說明掌子面間距變化對于縱向應(yīng)力傳遞對洞口具有一定的影響。中間點(diǎn)橫向位移，除掌子面間距3m 呈現(xiàn)負(fù)值，其余工況中間點(diǎn)位移呈現(xiàn)正值。分析其原因是左側(cè)先行洞開挖后隧道通過中間巖柱向右側(cè)傳遞應(yīng)力，后行洞開挖向中間巖柱左側(cè)傳遞應(yīng)力相互抵消導(dǎo)致中間位移呈現(xiàn)正值。隧道開挖還是以先行洞傳遞應(yīng)力為主導(dǎo)應(yīng)力，掌子面距離越近對中間巖柱作用越明顯，這種作用強(qiáng)度與間距成正相關(guān)，且隧道應(yīng)力傳導(dǎo)會(huì)優(yōu)先偏向弱區(qū)。分析中間點(diǎn)應(yīng)力變化圖， 掌子面間距0-12m 最小應(yīng)力為320kpa，12m-18m 應(yīng)力減小保持在265kPa，通過應(yīng)力變化分析前后掌子面間距控制在大于12m，這與上文中地層沉降、拱頂沉降分析結(jié)果基本一致。

綜上所述這三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)具有明顯的疊加性，左中右受力處于不均勻狀態(tài)從沉降位移來看，掌子面間距越大掌子面之間上升越平緩，后行洞掌子面至先行洞掌子面之間有一個(gè)急速上升的區(qū)間，其差值、斜率基本一致，開挖過程中通過改變前后掌子面間距可以減緩中間巖柱位移變化速率，以減少對中間巖柱的擾動(dòng)。

4 結(jié)論

非對稱小凈距隧道開挖地層沉降曲線向先行洞大斷面隧道傾斜，越接近隧道頂端沉降曲線由“單駝峰”形向“雙駝峰”形逐漸轉(zhuǎn)變，雙駝峰為非對稱雙駝峰，靠近先行洞大斷面的沉降速率遠(yuǎn)大于后行洞，對中巖柱應(yīng)力縱向應(yīng)力進(jìn)行分析，掌子面間距大于12m 時(shí)應(yīng)力處于較小數(shù)值。對先行洞拱頂沉降分析，隧道停止開挖后隧道后方12m 圍巖將不在受開挖的影響而趨于穩(wěn)定。通過中間巖柱應(yīng)力、位移和地層沉降規(guī)律綜合分析，隧道掌子面間距控制距離和縱向掌子面開挖影響距離基本一致。