淺埋小凈距隧道群開挖進(jìn)尺優(yōu)選研究

劉彥軍

（中冶交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 三河 065201）

0 引言

隨著高速鐵路隧道工程項(xiàng)目的不斷涌現(xiàn)，在其施工過程中會(huì)遇到各種各樣的技術(shù)問題[1-2]。其中，淺埋小凈距隧道群是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)問題之一。淺埋小凈距隧道群是指埋置深度較小，開挖隧道洞室在三個(gè)或三個(gè)以上，且在施工過程中彼此相互影響的隧道[3-5]。

淺埋小凈距隧道群的安全性主要受地形地質(zhì)條件、施工方法等因素的影響，目前我國(guó)對(duì)淺埋小凈距隧道群的實(shí)際開挖過程還缺乏經(jīng)驗(yàn)，無法對(duì)此類高速鐵路隧道工程項(xiàng)目的開挖安全性給予保障[6-9]。因此為了解決此類工程的開挖難題，依托韓府山淺埋小凈距隧道群，利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬技術(shù)對(duì)高速鐵路淺埋小凈距大跨度隧道群的合理開挖進(jìn)尺進(jìn)行研究，這對(duì)于加快我國(guó)高速鐵路發(fā)展以及解決淺埋小凈距隧道的施工安全性問題具有重要的實(shí)際意義。

1 研究情況

1.1 某隧道工程概況

隧道位于南京市雨花臺(tái)區(qū)秦淮新河南岸，其進(jìn)出口段屬于剝蝕低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)多，隧道均為Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖。隧道最大埋深約60m，淺埋地段較長(zhǎng)，一、二、三號(hào)隧道彼此之間凈距在6～10m的范圍內(nèi)，屬于超小凈距隧道。

1.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型埋深18m，各隧道之間凈距為8m，模型計(jì)算范圍在水平左右方向取隧道洞徑的5倍，下邊界取洞高的3倍，縱向取40m，即整個(gè)模型范圍為140m×58m×40m。模型底面施加豎向約束保證在豎直方向沒有位移，左右兩邊界施加水平約束，沿縱向起始面上施加縱向約束。初支采用25cm厚的C25噴射混凝土，二襯采用45cm厚的C25模注混凝土。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

1.3 計(jì)算工況

選取地質(zhì)段為Ⅴ級(jí)圍巖，故采用臺(tái)階法施工，依次選取開挖進(jìn)尺為4m、6m、8m和10m進(jìn)行施工過程的數(shù)值模擬，進(jìn)而相比較得出合理的開挖進(jìn)尺。施工按照上下臺(tái)階保持間距兩個(gè)步長(zhǎng)，同時(shí)下臺(tái)階開挖兩個(gè)步長(zhǎng)后開始施加二襯。開挖順序按照施工先開挖左邊一號(hào)洞，然后是右邊三號(hào)洞，最后開挖中間二號(hào)洞，掌子面之間相距20m。計(jì)算工況見表1。

表1 計(jì)算工況

1.4 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的具體圍巖參數(shù)和支護(hù)參數(shù)見表2[10]。

表2 計(jì)算參數(shù)

1.5 測(cè)點(diǎn)布置

這里分析時(shí)選取了目標(biāo)斷面中間巖體水平方向六個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的布置情況如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析

提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖應(yīng)力值，并繪制于表3和圖3。

表3 中間巖柱應(yīng)力

圖3 應(yīng)力變化曲線

由表3和圖3記錄的不同開挖進(jìn)尺下中間巖柱應(yīng)力值可以看出，隨著開挖進(jìn)尺的增加，中間巖柱應(yīng)力值增加；從工況1到工況2的不同開挖進(jìn)尺下的應(yīng)力變化較為明顯，而從工況2到工況3、工況4的應(yīng)力值增加幅度逐漸減??；同時(shí)受到小凈距隧道之間的相互影響和開挖順序的影響，一號(hào)隧道和二號(hào)隧道之間的巖柱應(yīng)力略大于二號(hào)隧道和三號(hào)隧道中間巖柱應(yīng)力。

2.2 位移分析

提取不同的開挖進(jìn)尺下開挖支護(hù)完成后的隧道周圍圍巖豎向位移分布圖。圖4和圖5為圍巖在施工完成后的位移分布圖。

圖4 豎向位移云圖

圖5 水平位移云圖

從圖4和圖5中可以看出，圍巖豎向位移主要發(fā)生在拱頂上部圍巖和拱底下部圍巖，洞身豎向位移同樣集中在拱頂和拱底，其中拱頂沉降，拱底向上隆起。從圖中可以較為明顯地看出一號(hào)隧道跟二號(hào)隧道拱頂位移要大于三號(hào)隧道拱頂。洞周水平位移三個(gè)隧道大致上一致，主要分布在拱腰處，具體集中在一號(hào)隧道右拱腰和二號(hào)隧道右拱腰處；圍巖產(chǎn)生的水平位移主要集中在一號(hào)隧道拱頂接近地表處圍巖和三號(hào)隧道接近地表處圍巖，同時(shí)還有一號(hào)和三號(hào)隧道拱腳向下發(fā)散方向的圍巖。

比較不同開挖進(jìn)尺施工下洞周、圍巖產(chǎn)生的位移變化，發(fā)現(xiàn)大致上發(fā)展規(guī)律一致，從圖4和圖5中數(shù)值上可以看出，隨著開挖進(jìn)尺的增加，洞周豎向位移逐漸增大。由于支護(hù)的閉合距離開挖面有一定的距離，所以臺(tái)階長(zhǎng)度的增加勢(shì)必會(huì)影響支護(hù)閉合時(shí)間，支護(hù)閉合時(shí)間越長(zhǎng)，圍巖在開挖后處于自身承受應(yīng)力的時(shí)間越長(zhǎng)，變形就越大；縮短開挖進(jìn)尺，對(duì)保證圍巖穩(wěn)定有較好的作用，但會(huì)造成施工過程中機(jī)械效率降低。

2.3 塑性區(qū)分析

在不同開挖進(jìn)尺下，通過隧道開挖支護(hù)完成后圍巖塑性區(qū)分布情況示意圖來分析臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)圍巖擾動(dòng)性的影響，如圖6所示。

圖6 塑性區(qū)分布圖

從圖6可以看出，圍巖塑性區(qū)主要集中在模型兩個(gè)角點(diǎn)處，隨著開挖進(jìn)尺的增加，塑性區(qū)范圍有增大的趨勢(shì)；中間巖柱處有很小塊塑性區(qū)，但不明顯。

3 結(jié)語

通過數(shù)值模擬比較不同開挖進(jìn)尺的施工條件下應(yīng)力、位移、塑性區(qū)的幾個(gè)方面，可以得出以下結(jié)論：

（1）在開挖過程中，應(yīng)力、位移、塑性區(qū)均隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的增加而增加，為保證施工中圍巖的穩(wěn)定，可以考慮縮短開挖進(jìn)尺，但臺(tái)階過短會(huì)影響施工進(jìn)度，同時(shí)不利于提高施工機(jī)械的效率。故實(shí)際施工過程中應(yīng)根據(jù)情況具體確定開挖進(jìn)尺。

（2）綜合考慮各方面因素，隧道開挖進(jìn)尺可以取6～8m，既可以保證施工安全、圍巖穩(wěn)定，同時(shí)可以保證施工進(jìn)度。

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