不等跨小凈距隧道施工力學(xué)分析與應(yīng)用

董 梁

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018）

1 引言

在國(guó)內(nèi)外研究中，關(guān)于小凈距隧道之間施工相互影響的研究有很多[1-2]，但對(duì)于兩小凈距隧道不等跨的研究極少。相關(guān)文獻(xiàn)有:以有限元軟件為基礎(chǔ)，從變形特性、塑性區(qū)分布及施工方法與工序的角度，得到優(yōu)化的不等跨小凈距隧道施工順序，同時(shí)對(duì)不同開(kāi)挖方法進(jìn)行對(duì)比[3-4]；分岔隧道的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的描述與探究[5-6]；從周邊圍巖位移、塑性區(qū)的分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力等方面，明確保證施工安全穩(wěn)定時(shí)，先施工小跨度隧道更合理[7]。

在不等跨小凈距施工力學(xué)方面的研究中，提出圍巖壓力計(jì)算方法，同時(shí)利用數(shù)值模擬及相似性試驗(yàn)，對(duì)施工過(guò)程中的圍巖變形及支護(hù)內(nèi)力進(jìn)行探究，總結(jié)其施工時(shí)的規(guī)律及特征，對(duì)施工有一定指導(dǎo)意義[8]；提出圍巖壓力計(jì)算公式，并將理論結(jié)果同實(shí)際工程監(jiān)測(cè)做對(duì)比[9]。針對(duì)城市地區(qū)淺埋非對(duì)稱小凈距隧道施工時(shí)對(duì)城市地表變形的影響，分別從施工順序及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力等方面進(jìn)行研究[10-12]。

本文則針對(duì)不等跨小凈距隧道施工時(shí)相互影響方面進(jìn)行研究，以大橫琴山一號(hào)隧道里程YK1+115斷面為模型藍(lán)本，建立二維數(shù)值模型，其中主線斷面最大開(kāi)挖寬度14.10 m，而匝道斷面最大開(kāi)挖寬度12.34 m，且兩斷面間距為10.02 m。本文使用有限元模擬軟件，分析不等跨小凈距隧道施工時(shí)相互影響，并研究不同圍巖條件下的相互影響規(guī)律，進(jìn)一步分析不同施工工序的影響。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 有限元參數(shù)的選取

本模型基于大橫琴山一號(hào)隧道分叉段，根據(jù)大橫琴山工程地勘說(shuō)明書(shū)，選取表1所示參數(shù)設(shè)計(jì)值，土體本構(gòu)選取摩爾庫(kù)倫本構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)及錨桿以彈性模型模擬。

2.2 模型的建立

創(chuàng)建二維平面模型模擬土體結(jié)構(gòu)；創(chuàng)建梁?jiǎn)卧M錨桿及支護(hù)結(jié)構(gòu)；對(duì)土體模型下部邊界的豎向及橫向進(jìn)行約束，對(duì)左右邊界的橫向進(jìn)行約束，主線與匝道采用臺(tái)階法不同時(shí)開(kāi)挖。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 位移分析

如圖1、圖2所示，后開(kāi)挖隧道施工后，先開(kāi)挖隧道圍巖會(huì)產(chǎn)生二次變形，所以對(duì)后開(kāi)挖隧道(即主線）時(shí)，需要對(duì)同斷面匝道處進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止出現(xiàn)不利情況；同時(shí)因主線斷面略大于匝道斷面，因此主線上方豎向位移較大，所以不等跨小凈距隧道施工時(shí)，斷面較大的隧道上方位移較大；但對(duì)于地表沉降來(lái)說(shuō)，主線開(kāi)挖使地表沉降量整體增大，而最大沉降處位于兩洞中間略偏向主線方向處，因此監(jiān)控量測(cè)時(shí)需要注意兩洞中間地表沉降量。

圖1 特征線豎向位移曲線

圖2 地表沉降曲線

小凈距隧道施工時(shí)的關(guān)鍵在于中夾巖柱的穩(wěn)定。為分析中夾巖柱變化特點(diǎn)，采集中夾巖柱中間線位移值，提取水平及豎向位移，如圖3所示。圍巖位移在豎向方向上呈現(xiàn)明顯的上部下沉、下部隆起的特征，而B(niǎo)特征線上的豎向位移則相對(duì)較小，普遍小于0.2 mm，這就要求中夾巖柱有一定的抗壓能力。從水平位移來(lái)看，雖然值較小，普遍小于0.5 mm，但是從位移分布規(guī)律可以看出，由于洞室開(kāi)挖，中夾巖柱向兩隧道方向膨脹，這對(duì)中夾巖柱的穩(wěn)定性也有一定影響，而從B特征線水平位移來(lái)看，中夾巖柱并非在斷面較大的大跨度隧道側(cè)水平位移大，而是在小跨度隧道側(cè)的水平位移加大，所以在加固時(shí)應(yīng)該注意小跨度側(cè)的水平方向加固。

圖3 中夾巖柱水平位移

2.3.2 主應(yīng)力分析

隧道開(kāi)挖后引起的最大和最小主應(yīng)力見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 最大主應(yīng)力云圖

(1）拱腳與兩隧道間的中夾巖柱存在應(yīng)力集中區(qū)，施工時(shí)鎖腳錨桿與中夾巖柱支護(hù)要保證質(zhì)量，注意其穩(wěn)定性，防止該部分發(fā)生破壞。

(2）后面開(kāi)挖的隧道會(huì)造成前面先行開(kāi)挖隧道應(yīng)力集中影響范圍擴(kuò)大，其中小跨度隧道處的應(yīng)力集中更明顯，其最大、最小主應(yīng)力值更大。因此在施工中需要著重對(duì)匝道段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止失穩(wěn)。

圖5 最小主應(yīng)力云圖

2.3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力、彎矩分析

對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)軸力彎矩進(jìn)行提取，各特征點(diǎn)位置如圖6所示。從表2中可以看出小跨度隧道上各特征點(diǎn)的軸力值比主線上軸力值較小，而彎矩值卻較大；對(duì)比匝道與主線內(nèi)外側(cè)的軸力值，可以看出，匝道上⑥、⑦、⑧號(hào)點(diǎn)的軸力值比②、③、④號(hào)點(diǎn)的軸力值大，而主線上卻正相反，②、③、④號(hào)點(diǎn)的軸力值比⑥、⑦、⑧號(hào)點(diǎn)的軸力值大，說(shuō)明無(wú)論是匝道還是主線，在靠近中夾巖柱側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)上軸力較大。因此在施工支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控，保證施工安全進(jìn)行。

表2 主線與匝道各斷面軸力及彎矩值

圖6 各特征點(diǎn)位置

2.4 不同圍巖級(jí)別下對(duì)比分析

從表3中位移對(duì)比可以看出由于圍巖條件的變差，隧道周邊位移明顯變大，可以看到匝道斷面從Ⅲ級(jí)圍巖與Ⅳ級(jí)圍巖拱頂沉降相對(duì)偏差為28.77%，Ⅳ級(jí)圍巖與Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降相對(duì)偏差為46.48%，同樣主線斷面從Ⅲ級(jí)圍巖與Ⅳ級(jí)圍巖拱頂沉降相對(duì)偏差為28.04%，Ⅳ級(jí)圍巖與Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降相對(duì)偏差為43.55%，在同等圍巖級(jí)別對(duì)比，匝道與主線相對(duì)偏差一致，而Ⅳ級(jí)圍巖與Ⅴ級(jí)圍巖明顯比Ⅲ級(jí)圍巖與Ⅳ級(jí)圍巖的相對(duì)偏差大，所以隨著圍巖條件的變差，會(huì)對(duì)周邊位移產(chǎn)生更不利的影響，在支護(hù)時(shí)需要針對(duì)弱圍巖加強(qiáng)支護(hù)；但在Ⅲ級(jí)圍巖條件，匝道與主線絕對(duì)偏差為0.38 mm，相對(duì)偏差為14.62%，Ⅳ級(jí)圍巖條件為0.48 mm與13.87%，Ⅴ級(jí)圍巖條件為0.59 mm與10.80%，圍巖條件越差絕對(duì)偏差越大，因此在圍巖變差時(shí)，匝道與主線隧道周邊位移差距增大，在必要時(shí)需要進(jìn)行不對(duì)稱支護(hù)，同時(shí)圍巖越差，兩隧道互相影響越明顯。

表3 不同圍巖級(jí)別位移對(duì)比mm

2.5 不同開(kāi)挖順序?qū)Ρ确治?/h3>

為了對(duì)比不同開(kāi)挖順序的影響，根據(jù)大橫琴山隧道的工程實(shí)際，設(shè)定兩種開(kāi)挖方式:方式1為先開(kāi)挖小跨度匝道；方式2為先開(kāi)挖大跨度主線。如圖7匝道與主線拱頂沉降所示，主線普遍比匝道的拱頂沉降大，對(duì)比兩種開(kāi)挖方式可以看到，雖然兩種開(kāi)挖方式拱頂沉降大致相等，但匝道斷面在使用方式2開(kāi)挖時(shí)拱頂沉降較大，而主線斷面在使用方式1時(shí)拱頂沉降較大。因此從位移來(lái)看，在開(kāi)挖不等跨隧道時(shí)，先開(kāi)挖小跨度斷面較好。

圖7 拱頂沉降曲線

圖8為隧道匝道段拱頂沉降監(jiān)測(cè)圖，圖中為匝道段3斷面在主線隧道未施工情況的拱頂沉降時(shí)程曲線，圖中最大位移為10 mm左右，而一般情況位移為5 mm左右，因此使用先匝道后主線施工方式施工時(shí)隧道處于安全狀態(tài)。其拱頂沉降監(jiān)測(cè)值見(jiàn)表4及表5。

圖8 拱頂沉降監(jiān)測(cè)曲線

表4 11月份A匝道拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總

表5 12月份A匝道拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總

3 隧道施工優(yōu)化調(diào)整與機(jī)械化施工

根據(jù)以上模型數(shù)據(jù)分析結(jié)論及時(shí)調(diào)整施工方案。

(1）優(yōu)選開(kāi)挖順序。調(diào)整施工順序，將原定的優(yōu)先開(kāi)挖主線的方案調(diào)整為優(yōu)先開(kāi)挖匝道部分，確保減少周邊圍巖擾動(dòng)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

(2）調(diào)整爆破參數(shù)。針對(duì)臨近段落調(diào)整爆破參數(shù)，加密周邊眼的數(shù)量，減少裝藥量，優(yōu)化爆破順序，提高爆破效率；對(duì)超欠挖進(jìn)行嚴(yán)格控制，減小對(duì)巖體擾動(dòng)，保證施工安全。

(3）采用先進(jìn)裝備。通過(guò)使用三臂鑿巖臺(tái)車、拱架支立臺(tái)車、自動(dòng)噴漿機(jī)等先進(jìn)工裝設(shè)備提高施工效率，緊跟支護(hù)施工，防止圍巖變形過(guò)大，提高施工安全。

4 結(jié)論

(1）開(kāi)挖不等跨小凈距隧道后，大跨度斷面隧道上部位移較大，同時(shí)其地表沉降極值位于隧道中間偏向大跨度隧道處。但從應(yīng)力分布來(lái)看，在施工時(shí)需要著重對(duì)小跨度隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)需要注意兩隧道內(nèi)側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測(cè)。

(2）中夾巖柱在小跨度隧道側(cè)的水平位移較大，因此在支護(hù)時(shí)，增加小跨度隧道側(cè)中夾巖柱的水平方向支護(hù)。

(3）對(duì)比不同圍巖條件變形受力特性，較弱圍巖條件施工時(shí)，需要進(jìn)行不對(duì)稱支護(hù)，同時(shí)先施工小跨度隧道較優(yōu)。

(4）通過(guò)提前進(jìn)行模型模擬與后續(xù)施工驗(yàn)證，優(yōu)先開(kāi)挖匝道有利于減少圍巖變形，能有效地降低施工風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)利用先進(jìn)設(shè)備，可以加快施工進(jìn)度，保證施工安全，為今后類似不等跨小凈距隧道施工提供成功案例。