軟弱圍巖非爆破開挖小凈距隧道施工步距合理性分析

閆虎，侯月琴

（1.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401123；2.西安交通大學(xué)，西安 710049）

1 引言

小凈距隧道先行洞的施工在其周圍產(chǎn)生一個(gè)松動(dòng)圈，后行洞位于該松動(dòng)圈內(nèi)，先行洞的開挖會(huì)對(duì)后行洞產(chǎn)生影響；同時(shí)，后行洞的開挖在其周圍也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)松動(dòng)圈，如先行洞位于后行洞的松動(dòng)圈內(nèi)，則后行洞的開挖也會(huì)對(duì)先行洞的襯砌產(chǎn)生影響。因此，對(duì)小凈距隧道而言，先行洞與后行洞之間是相互影響的[1]。在小凈距隧道的施工過程中，先行洞與后行洞施工錯(cuò)開距離將會(huì)影響到先行與后行洞的圍巖穩(wěn)定性與襯砌的受力與變形規(guī)律。基于以上思考和認(rèn)識(shí)，本文結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了研究分析。

2 工程概況

天馬山隧道設(shè)計(jì)為一座上、下行分離的雙向6車道高速公路隧道。隧道左線長3 701m，右線長3 657m，隧道進(jìn)、出口段間距＜25m，屬小凈距隧道。洞口段主要由殘積砂質(zhì)黏性土層及全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖組成，地下水飽和，呈流塑狀，巖質(zhì)軟弱，采用人工非爆破開挖。

3 先后行洞開挖錯(cuò)開距離數(shù)值模擬分析及判斷依據(jù)

為研究洞口段軟弱圍巖條件下小凈距隧道的力學(xué)變化規(guī)律，開展了相關(guān)的數(shù)值模擬分析。建立相應(yīng)的力學(xué)分析模型及有限元網(wǎng)格，研究相同凈距條件下先后行洞隧道不同錯(cuò)開距離時(shí)周圍巖土體及襯砌的受力與變形規(guī)律以及后行洞施工對(duì)先行洞影響性分析。

3.1 力學(xué)模型的建立及有限元網(wǎng)格的劃分

計(jì)算模型中，雙線隧道的凈距取15m，＜1.5倍洞徑，整個(gè)模型尺寸長×寬×高=200m×200m×100m，圍巖、初襯噴射混凝土、二襯鋼筋混凝土均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元模擬，臨時(shí)支撐采用梁單元模擬。雙線隧洞的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的模型方法為：首先對(duì)開挖土體進(jìn)行應(yīng)力釋放，然后殺死開挖體的單元，同時(shí)施作初次襯砌。在掌子面后方一定距離位置施作鋼筋混凝土二次襯砌。

圍巖的力學(xué)參數(shù)根據(jù)GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》選取[2]，初襯與二襯混凝土材料參數(shù)根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取[3]。

3.2 雙線小凈距隧道錯(cuò)開距離數(shù)值模擬分析

3.2.1 雙線隧道洞頂?shù)奈灰谱兓?/p>

如圖1所示為先后行洞開挖錯(cuò)開距離發(fā)生變化時(shí)，先行洞與后行洞洞頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線。

圖1 先后行洞開挖錯(cuò)開距離發(fā)生變化時(shí)，雙洞洞頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線

從圖1可以看出，隨著先行洞與后行洞錯(cuò)開距離的增加，洞頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移有減小的趨勢(shì)，這主要是由于當(dāng)錯(cuò)開距離較小時(shí)，雙洞開挖的相互擾動(dòng)效應(yīng)會(huì)明顯增加，周圍圍巖的開挖損傷會(huì)加劇。

3.2.2 雙線隧道圍巖塑性區(qū)

對(duì)左洞與右洞圍巖塑性區(qū)分布進(jìn)行分析可得，雙洞的圍巖破壞區(qū)均分布在兩側(cè)拱腰的位置，右洞的塑性破壞程度明顯高于左洞，這主要是由于在右洞開挖前，其周圍圍巖已經(jīng)過一次開挖擾動(dòng)，松動(dòng)圈內(nèi)的巖體有了一定程度的損傷，抗剪強(qiáng)度降低。在右洞開挖過程中，損傷的巖體再次遭受松動(dòng)損傷，致使塑性破壞區(qū)面積增加。如表1所示為錯(cuò)開距離不同時(shí)圍巖塑性破壞區(qū)體積。

表1 先后行洞開挖錯(cuò)開距離不同時(shí)圍巖塑性破壞區(qū)體積

從表1可以看出，當(dāng)先行洞與后行洞錯(cuò)開距離為20m時(shí)，左右周圍圍巖的塑性破壞區(qū)體積為8.1×103m3，隨著先行洞與后行洞錯(cuò)開距離的增加，左右洞周圍圍巖的塑性破壞區(qū)體積減小。結(jié)果表明，先行洞與后行洞的錯(cuò)開距離直接影響到圍巖的破壞與襯砌的安全，施工過程中先行洞與后行洞掌子面應(yīng)當(dāng)保持20m以上（一般認(rèn)為1.5B的距離，其中，B為隧道寬度）。

4 先行洞襯砌與后行洞開挖錯(cuò)開距離

4.1 錯(cuò)開距離數(shù)值模擬分析及判斷依據(jù)

雙線小凈距隧道先行洞襯砌與后行洞開挖錯(cuò)開距離的數(shù)值模擬模型仍采用先后行洞開挖錯(cuò)開距離數(shù)值模擬的計(jì)算模型。模擬方法為：首先對(duì)開挖土體進(jìn)行應(yīng)力釋放，然后殺死開挖體的單元，同時(shí)施作初次襯砌。在掌子面后方一定距離位置施作鋼筋混凝土二次襯砌，為研究先行洞襯砌與后行洞開挖錯(cuò)開距離對(duì)隧道的影響，錯(cuò)開距離選取0m、10m、20m 3個(gè)值。

4.2 雙線小凈距隧道錯(cuò)開距離數(shù)值模擬分析及結(jié)論

4.2.1 雙線隧道洞頂位移

如圖2所示為先行洞襯砌與后行洞開挖的錯(cuò)開距離發(fā)生變化時(shí)，先行洞與后行洞洞頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線。

圖2 先行洞襯砌與后行洞開挖的錯(cuò)開距離發(fā)生變化時(shí)，雙洞洞頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線

從圖2可以看出，隨著先行洞襯砌與后行洞錯(cuò)開距離的增加，雙洞洞頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移均有明顯降低。這是由于二次襯砌為鋼筋混凝土，其整體性好、剛度大、強(qiáng)度高，施作二次襯砌后，隧道周圍圍巖、襯砌基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移將不再變化。先行洞襯砌與后行洞錯(cuò)開距離越大，后行洞開挖擾動(dòng)范圍越小，圍巖的位移也會(huì)減小。

4.2.2 雙線隧道襯砌內(nèi)力

隨著先行洞襯砌與后行洞錯(cuò)開距離的增大，后行洞初襯拉應(yīng)力區(qū)明顯減小，襯砌受力狀態(tài)趨于安全；隨著先行洞與后行洞錯(cuò)開距離的減小，先行洞二襯拉應(yīng)力區(qū)明顯增加，這是由于錯(cuò)開距離越小，先行洞受后行洞開挖的影響越大，承擔(dān)的圍巖松動(dòng)荷載越大，二襯的受力狀態(tài)越差。因此，從圍巖及襯砌的安全角度來講，后行洞掌子面與先行洞襯砌錯(cuò)開距離越大，對(duì)圍巖及襯砌的安全越有利，而二襯承擔(dān)的荷載越大，受力狀態(tài)越差，同時(shí)施工中還應(yīng)考慮規(guī)范對(duì)單洞工序間安全步距的要求。

4.2.3 雙線隧道圍巖破壞區(qū)

錯(cuò)開距離不同時(shí)，圍巖塑性破環(huán)區(qū)體積見表2。

表2 先行洞襯砌與后行洞開挖錯(cuò)開距離不同時(shí)圍巖塑性破壞區(qū)體積

從表2可以看出，隨著先行洞襯砌與后行洞錯(cuò)開距離的增大，左洞與右洞周圍圍巖的塑性破壞區(qū)體積均有減小的趨勢(shì)。這可以解釋為：先行洞襯砌與后行洞錯(cuò)開距離越大，先行洞的支護(hù)強(qiáng)度越高，周圍圍巖的整體性越好，隧道開挖過程中圍巖松動(dòng)的影響范圍就越小，圍巖塑性破壞區(qū)就越小。

5 結(jié)語

綜上所述，通過本文對(duì)雙線小凈距隧道錯(cuò)開距離的研究，得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于雙線小凈距隧道，先行洞的施工在其周圍產(chǎn)生一個(gè)松動(dòng)圈，而后行洞處在這個(gè)松動(dòng)圈內(nèi)，同時(shí)后行洞的開挖施工勢(shì)必會(huì)對(duì)中巖柱土體進(jìn)行二次擾動(dòng)，從而影響先行洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)，因此，先行洞開挖與后行洞應(yīng)錯(cuò)開合理的距離，既要滿足均衡連續(xù)生產(chǎn)需要，又保證隧道施工及結(jié)構(gòu)安全。

2）通過分析和工程實(shí)踐總結(jié)，雙線小凈距隧道施工對(duì)圍巖性質(zhì)較差且非爆破開挖的地層應(yīng)當(dāng)保證先行洞與后行洞掌子面間的錯(cuò)開距離，同時(shí)為滿足施工安全，先行洞襯砌應(yīng)緊跟開挖施工，但應(yīng)滯后后行洞開挖一定距離（一般認(rèn)為1.5B距離以上）。