無中導連拱隧道施工掌子面縱向合理間距研究

茶增云，肖振江，姜成業(yè)，和振海，孫印國

(1.云南勐綠高速公路投資開發(fā)有限公司，云南 普洱 665000；2.云南交投集團投資有限公司，云南 昆明 650000；3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；4.中國科學院大學，北京 100000；5.中鐵開發(fā)投資集團有限公司，云南 昆明 650000)

無中導連拱隧道無需施作中導洞，除了具備傳統(tǒng)連拱隧道布線方便、對兩端接線區(qū)域地形要求低、避免洞口路基分幅的優(yōu)勢外，能加快施工進度節(jié)約工程造價[1]，近些年來，在西南區(qū)域基礎建設當中被廣泛采用。

由于無中導連拱隧道后行洞施工緊鄰先行洞，施工時不再單獨施作中隔墻而是共用兩洞拱腰處支護結構作為中間中隔墻，隧道圍巖和支護結構在開挖過程中將受到荷載的反復作用，因此后行洞施工對先行洞施工的影響不可忽視[2]。近些年來，許多學者通過采取數(shù)值模擬、理論分析和相似模型實驗等研究手段對連拱隧道的變形及受力機理進行了相關研究[3-6]。謝永利等[2]以黃延高速公路連拱隧道為例，針對提出的無中導施工方法進行了施工過程的數(shù)值仿真，獲得了各階段的圍巖應力、應變狀態(tài)以及初期支護和二次襯砌的受力狀態(tài)。張國慶[7]首先對整體式中墻和復合式中墻連拱隧道技術特點進行總結，從中隔墻的受力特征、施工流程以及防排水措施三個方面將兩者作了對比。并以梧村山隧道為工程背景，對無中隔墻連拱隧道結構進行研究，通過數(shù)值模擬的方法比較分析了兩洞初期支護不同搭接位置下的受力差異，最后比較了不同施工工序下的圍巖及支護結構的受力響應特征。洪永佳[8]以福州市區(qū)某無中導連拱隧道為工程依托，采用有限差分軟件分析了三維開挖過程中圍巖和中隔墻的位移變形、應力的發(fā)展規(guī)律。楊學奇、王明年等[9]為了研究無中導連拱隧道在軟弱地層的適用性，依托平文高速土基沖連拱隧道采用數(shù)值模擬方法比較了傳統(tǒng)三導洞工法和無中導工法在地表沉降、拱頂下沉、支護結構主應力和圍巖穩(wěn)定性等方面的差異，并結合工程實例和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了無中墻單洞法的可行性。然而上述研究主要集中于工法的適用性及某一橫截面上的位移應力特征，而關于無中導連拱隧道兩洞縱向間距對隧道穩(wěn)定性的影響還未見涉及。

隧道左右幅掌子面縱向間距過大或過小都會對隧道穩(wěn)定性造成影響。如果后行洞距離先行洞掌子面間距過小，爆破振動或者掌子面暴露表面積過大可能危及先行洞掌子面的穩(wěn)定[10-11]；如果間距過大，先行洞支護結構由于缺少圍巖約束，后行洞施工亦會對其造成損傷，同時兩洞間距過大，不利于加快施工進度。因此研究施工過程中兩洞掌子面的縱向合理間距是必要的。

本文依托云南省某在建高速公路控制性隧道工程，利用三維模擬分析，通過獲取先行洞和后行洞掘進過程中圍巖變形及支護結構受力變化過程，從避免兩洞施工時影響區(qū)域的疊加的角度討論探究兩洞施工過程中相鄰掌子面的縱向合理間距,可為無中導連拱隧道施工時合理間距的選取提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程背景

某高速公路起于西雙版納州勐臘縣，全長約213 km，主線按雙向四車道高速公路標準建設，設計行車速度80 km/h，路基寬度25.5 m。該高速公路是連接云南南部邊疆少數(shù)民族貧困地區(qū)的一條重要經濟干線，也是我國中西部地區(qū)和云南內地州市通向南亞、東南亞各國的重要陸路通道之一,見圖1。本研究依托工程為該高速公路建設的重要控制性工程—1號隧道工程。

圖1 某高速公路路線規(guī)劃圖

1.2 工程地質條件

隧道隧址區(qū)屬于構造、剝蝕低中山地貌。隧道穿越區(qū)海拔高程介于1 026.4 m～1 050.6 m 之間，相對高差24.2 m。根據(jù)地質調查揭露結果，隧道區(qū)內主要地層為白堊系上統(tǒng)曼寬河組(K2m)地層。隧道圍巖以碎石土、粉砂巖、石英砂巖為主，呈強—中風化，中厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，多呈碎石狀體結構，圍巖分級為Ⅴ級。隧道開挖時存在較少量的滴水、滲水等現(xiàn)象。

2 隧道結構計算模型

2.1 基本假設

本文以巖土工程專業(yè)大型通用有限差分軟件FLAC3D來進行數(shù)值計算，在針對無中導連拱隧道施工過程模擬時，計算基于以下假設：

(1)圍巖視為各向同性材料。

(2)由于隧道地表起伏不大，計算模型中地表視為水平，且隧道埋深較小，巖體初始地應力僅考慮自重應力，不考慮構造應力[12-15]。

(3)施工過程中僅考慮初支支護作用。

(4)經過試算，對于單洞而言，當掌子面超前一定距離后，對監(jiān)測斷面基本已無影響。因此在后行洞開挖時先行洞不再開挖。

2.2 計算方案及參數(shù)選取

基于地層結構模型，采用有限差分法開展隧道開挖數(shù)值模擬，建立的無中導連拱隧道地質模型如圖2所示。隧道斷面尺寸按隧道實際施工斷面選取，即先行洞和后行洞開挖跨度均為12 m，模型計算范圍水平方向左右均取隧道外側85 m，埋深依據(jù)現(xiàn)場地質條件取40 m。沿洞軸80 m范圍為計算域，模型左右邊界設置為水平約束，底部為豎直約束，頂部為自由面[13-14]。初襯采用實體單元進行模擬。數(shù)值計算結構參數(shù)見表1，圍巖采用的是摩爾-庫侖模型，襯砌采用的是彈性模型。

圖2 無中導連拱隧道數(shù)值計算模型示意圖

表1 數(shù)值計算物理力學參數(shù)表

2.3 施工模擬步驟

考慮到現(xiàn)場施工方案復雜，為突出研究目的，選取先行洞Y=40 m作為監(jiān)測斷面。經過試算，對于單洞而言，當掌子面超前監(jiān)測斷面40 m時對監(jiān)測斷面的拱頂位移和支護結構受力基本已無影響。因此先行洞在開挖超前監(jiān)測斷面40 m時不再開挖，此時再開挖后行洞。將計算工序簡化如下：

自重應力場計算；先行洞全斷面開挖并及時支護直到超前監(jiān)測斷面40 m；后行洞全斷面開挖并及時支護直到超前監(jiān)測斷面40 m；圖3為計算工序的示意圖，圖中的數(shù)字表示計算的步驟。

圖3 施工步驟示意圖

3 數(shù)值計算成果及分析

3.1 先行洞開挖拱頂下沉分析

選取先行洞Y=40 m截面拱頂作為監(jiān)測點，得到監(jiān)測斷面拱頂隨著施工步的進行其沉降曲線如圖4所示。

圖4 監(jiān)測斷面拱頂沉降隨施工步變化曲線

從圖4中可以看出，監(jiān)測斷面拱頂位移均是隨著隧道開挖進行而呈現(xiàn)增大趨勢。當先行洞和后行洞開挖到該監(jiān)測斷面附近時拱頂沉降急劇變化，而后趨于緩和；將后行洞開挖至80 m的拱頂沉降作為最終變形，則在先行洞開挖完成后控制斷面沉降量占總沉降量的60%；在右洞開挖過程中，拱頂沉降量完成了剩余的40%，說明后行洞臨近開挖對先行洞的影響不可忽視，顯然這也與計算中未考慮先行洞二襯支護有關。

以先行洞開挖到距離監(jiān)測斷面32 m時的拱頂沉降為基準值，以先行洞開挖到超前監(jiān)測斷面32 m時的拱頂沉降為最終值，得到控制斷面不同進尺下的拱頂沉降值值如圖5所示，其沉降百分比如表2所示。從表2中可以看出在先行洞開挖后，距離控制斷面-32 m～-12 m范圍內，拱頂沉降變化值很小，當掌子面距離控制斷面-8 m時，拱頂下沉也僅達到了總沉降量的16%，掌子面到達該研究斷面后，拱頂沉降達到了總沉降量的66.8%，當掌子面超過該監(jiān)測斷面16 m時，拱頂沉降完成量為94.3%，而后趨于穩(wěn)定。由上可知，監(jiān)測斷面受先行洞開挖影響較大的圍巖區(qū)域為掌子面前方12 m(未開挖)(約1.0D)和后方16 m(已開挖)(約1.2D)。

圖5 控制截面拱頂沉降隨先行洞開挖沉降曲線

表2 控制斷面拱頂沉降量

3.2 后行洞開挖拱頂下沉分析

圖6為Y=40 m監(jiān)測斷面隨著后行洞開挖其拱頂沉降變化曲線。

圖6 控制截面拱頂沉降隨后行洞開挖沉降曲線

由圖6可知，后行洞開挖過程中監(jiān)測斷面拱頂沉降的變化規(guī)律和先行洞開挖時規(guī)律類似，僅是先行洞開挖時的變化幅度要大。同樣拱頂沉降隨著掌子面的掘進逐漸增大，且在掌子面通過前后一定范圍內拱頂沉降速率較大。受開挖面影響較大的區(qū)域約為掌子面前方16 m(未開挖)(約1.2D)和后方16 m(已開挖)(約1.2D)。

因此，綜合考慮先行洞和后行洞開挖面的影響，為了避免現(xiàn)場兩洞同時施工影響區(qū)域的疊加，就本文所建立的數(shù)值模型來看，先行洞和后行洞掌子面應至少保持32 m(約2.5D)的施工間距。

3.3 支護結構受力變化分析

施工過程中，隨著掌子面的推進，應力不斷釋放，支護結構受力逐漸增大。同時后行洞開挖擾動也會對先行洞支護結構受力產生影響。因此選取先行洞Y=40 m監(jiān)測斷面其支護結構隨著施工進行下的最大主應力變化曲線如圖7所示。

圖7 支護結構最大主應力隨著施工步變化曲線

從圖7中可以看出：先行洞Y=40 m監(jiān)測斷面支護結構受力在施作前期經歷了急劇增長階段隨后隨著掌子面的掘進其增長速率逐漸變慢。當后行洞開挖到監(jiān)測斷面附近時，支護結構受力增長變快，之后又趨于穩(wěn)定。如圖8和圖9所示，先行洞開挖完畢后支護結構最大主應力為6.6 MPa，位置在左側拱腰位置處，后行洞開挖完畢后支護結構最大主應力為14.4 MPa，位置在右側拱腰處。

圖8 先行洞貫通后監(jiān)測斷面支護結構受力云圖

圖9 后行洞開挖貫通后支護結構受力云圖

選取先行洞Y=40 m斷面初支結構最大主應力值作為監(jiān)測對象，為探究單洞隧道開挖對掌子面后方支護結構受力的縱向影響范圍，以先行洞Y=40 m斷面初支結構施作后支護結構最大主應力為基準值，以先行洞開挖完畢后支護結構的最大主應力值為最終值，繪制出隨著掌子面掘進，監(jiān)測斷面支護結構的最大主應力變化百分比曲線如圖10所示。

從圖10中可以看出，該斷面支護結構施作后，其最大主應力值還不占先行洞貫通后的20%，隨著掌子面的掘進，其受力逐漸變大，而后趨于穩(wěn)定。從圖中可以看出，當掌子面超前監(jiān)測斷面16 m時，監(jiān)測斷面應力已經達到最大應力的92%。說明隧道開挖對掌子面后方支護結構受力的縱向影響范圍約為16 m(約1.2D)。

圖10 先行洞開挖監(jiān)測斷面支護結構受力變化百分比曲線

同樣的選取先行洞Y=40 m斷面初支結構最大主應力值作為監(jiān)測對象，探究后行洞開挖對其受力的影響范圍，以先行洞開挖完畢后監(jiān)測斷面的最大主應力值作為基準值，以后行洞開挖完畢后監(jiān)測斷面的最大主應力值作為最終應力值，繪制監(jiān)測斷面支護結構受力的變化百分比曲線如圖11所示。

從圖11中可以看出，隨著后行洞的開挖掘進，監(jiān)測斷面支護受力逐漸增大，當后行洞開挖28 m時，此時距離監(jiān)測斷面12 m，此時支護結構最大受力增大百分比約占總量的12%，而后隨著后行洞開挖，此時支護結構受力增加速率迅速增大，說明后行洞開挖對支護結構監(jiān)測斷面后方的影響范圍為12 m(約1.0D)之內。當后行洞開挖到該監(jiān)測斷面時，支護結構最大主應力已增加60%，而后繼續(xù)增大，當后行洞掌子面超前監(jiān)測斷面12 m時，支護結構受力已增長92%，之后增長緩慢，逐漸趨于穩(wěn)定。說明后行洞開挖對支護結構監(jiān)測斷面前方的影響距離約為12 m(約1.0D)。

圖11 支護結構最大主應力隨后行洞開挖變化百分比曲線

綜合來看，從支護結構受力的角度去分析先行洞和后行洞施工的縱向合理間距，為避免先行洞和后行洞施工對支護結構受力的疊加效應，兩洞掌子面的施工間距應控制在28 m(約2.2D)范圍以外。

4 結 論

為了研究無中導連拱隧道施工過程中縱向受力影響情況，本文依托某隧道建立了三維網格模型采用有限差分軟件FLAC3D軟件進行了模擬分析，從施工過程中監(jiān)測斷面拱頂沉降和支護結構受力相互影響的角度去分析，得出如下結論：

(1)從監(jiān)測斷面拱頂沉降來看，左洞開挖時，受開挖面影響較大的圍巖區(qū)域是掌子面前方12 m(約1.0D)和后方16 m(約1.2D)，右洞開挖時，對監(jiān)測斷面拱頂沉降影響較大的區(qū)域為監(jiān)測斷面前后16 m。

(2)從支護結構受力來看，監(jiān)測斷面支護結構受力隨著掌子面的推進逐漸增大，左洞開挖時受開挖面影響較大的圍巖區(qū)域為掌子面后方16 m(約1.2D)，右洞開挖時，對支護結構受力影響較大的范圍為監(jiān)測斷面前后12 m(約1.0D)。

(3)為了避免現(xiàn)場左右幅兩洞施工影響區(qū)域的疊加，從拱頂沉降的角度來看左右洞掌子面應保持32 m的縱向范圍，從支護結構受力的角度來看，左右洞掌子面應至少保持28 m(約2.2D)的縱向間距。綜合來看，兩開挖面的合理間距應控制在32 m(約2.5D)左右。