非對稱小凈距隧道施工順序及施工方法研究

劉 春 邱 浩 尹 輝

（重慶科技學(xué)院，重慶401331）

近年來我國公路、鐵路以及城市地鐵隧道修建數(shù)量龐大，非對稱小凈距隧道數(shù)量也隨之增多，這種隧道多為滿足雙線停車、節(jié)省用地、增添景觀等設(shè)計(jì)要求[1]。

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、加強(qiáng)支護(hù)方式、可以保證隧道的施工的安全[2]。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，因此針對非對稱小凈距隧道施工順序、施工工法展開研究對提高施工效率和保證施工安全具有重要的意義。

我國學(xué)者針對非對稱小凈距隧道主要通過理論分析、數(shù)值模擬等手段結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)展開研究。張志強(qiáng)，黃朱林，韓飛[3]對軟弱圍巖地段的隧道開挖順序和中間巖柱展研究得到先開挖小洞隧道優(yōu)于先開挖大洞隧道，王小林[4]等人對斷面非對稱小凈距黃土地鐵隧道施工順序模擬對比研究，得出大小斷面地鐵隧道先后施工順序?qū)绊敵两岛偷乇碜冃斡绊懴嗖畈淮螅窍刃『蟠竽軌蛴行У販p小拱腰水平位移和中間土柱應(yīng)力。將坤[5]對v 級圍巖非對稱小凈距隧道地鐵隧道施工順序進(jìn)行分析，大斷面采用CD 法施工，小斷面采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，研究發(fā)現(xiàn)小斷面先行、大斷面后行在控制隧道周邊拱頂下沉、水平圍巖、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及中間巖柱整體穩(wěn)定性更有效。王振田，梁憲魁，朱睿[6]對并行非對稱小凈距隧（轉(zhuǎn)下頁）道施工順序?qū)A巖受力、拱頂沉降和地表沉降的影響規(guī)律，結(jié)果表明先開挖大洞后開挖小洞對中夾巖受力和地表沉降相對更為有利。李偉聰[7]對不同圍巖級別大斷面隧道選用臺階法、反側(cè)壁導(dǎo)坑法、小斷面采用全斷面施工綜合分析圍巖應(yīng)力以及支護(hù)內(nèi)力，后行洞采用全斷面開挖法較可以減少對中間巖柱的多次擾動(dòng)，以保證圍巖的穩(wěn)定性。

表1 斷面信息表

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

2017 年苗天[8]非對稱結(jié)構(gòu)偏壓小凈距隧道施工工法數(shù)值分析采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對控制圍巖變形、巖柱應(yīng)力和初襯軸力，減小對中間巖柱的擾動(dòng)和偏壓作用的影響最為有利，CRD 法次之，三臺階法最為不利。由此可見開挖工法和開挖順序?qū)τ跍p少圍巖應(yīng)力、位移以及減少偏壓作用、保證中間巖柱穩(wěn)定具有重要的意義。

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，斷面信息表如表1 所示。

2 隧道施工動(dòng)態(tài)模擬

2.1 工況選取及模型建立

本次數(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，本次模擬暫不考慮二次襯砌的影響，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；

S0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。

為保證定因素分析，在進(jìn)行開挖順序和開挖工法模擬的過程中選擇工程兩隧道之間的凈距2.8m，前后掌子面12m 進(jìn)行開挖模擬。

其中模擬工況如表4 所示。

表4 模擬工況表

2.2 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

圖1 六種工況豎向位移圖

表5 大洞先行雙洞開挖后X Z 方向位移

表6 小洞先行雙洞開挖后X Z 方向位移圖

通過以上圖表分析，不同開挖工法，不同開挖順序，造成的拱頂沉降和拱底隆起數(shù)值不同，分布位置也有所差異。臺階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法沉降最大值出現(xiàn)在拱頂，CRD 法則出現(xiàn)在右上部導(dǎo)洞，對上部圍巖沉降區(qū)域影響也有所區(qū)別，臺階法對上方圍巖影響區(qū)域最大，幾種不同工法上部造成的圍巖沉降呈現(xiàn)明顯偏壓特征，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD 法偏壓效應(yīng)較小。隧道開挖完成后隧道沉降值、拱底隆起數(shù)值，臺階法＞CRD 法＞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，臺階法進(jìn)行開挖，一次性開挖面積較大，開挖后隧道中部沒有支撐，導(dǎo)致隧道變形難以控制，沉降和收斂值相對較大；

CRD 法將隧道斷面分成幾個(gè)斷面分部開挖封閉成環(huán)，對于沉降收斂都具有較好的效果；

而雙側(cè)壁導(dǎo)洞法采用預(yù)留核心土的方式開挖，對于沉降控制較好，因此采用臺階法開挖時(shí)必要時(shí)考慮鋼拱架作為臨時(shí)支撐。

對比拱頂沉降和邊墻收斂數(shù)值，三種施工工法不同開挖順序，先開挖大洞要優(yōu)于先開挖小洞。考慮斷面較大的隧道，施工過程種隧道沉降難以控制，圍巖受到擾動(dòng)范圍較大，當(dāng)先行洞為小洞時(shí)由于圍巖受到一定擾動(dòng)導(dǎo)致大斷面隧道開挖圍巖受到二次擾動(dòng)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大洞開先行時(shí)小斷面隧道對于圍巖造成的二次擾動(dòng)，當(dāng)然這也驗(yàn)證了多步序開挖容易造成圍巖擾動(dòng)對先行隧道的不利的局面，即后行洞隧道開挖工法選擇以少步驟為標(biāo)準(zhǔn)，以減少對先行洞擾動(dòng)。

圖2 六種工況中間巖柱橫向位移圖

以上為八種不同工況下中間巖柱橫向位移圖，三種工法不同施工順序，中間巖柱總是向先行洞隧道偏移且數(shù)值較大，不同施工順序中間巖柱左右受力平衡點(diǎn)分布位置不同，以大斷面為先行洞中間巖柱受力較為均勻，小斷面先行洞中間巖柱受力偏壓嚴(yán)重不利于中間巖柱的穩(wěn)定；三種工法大斷面隧道偏移數(shù)值出現(xiàn)最大點(diǎn)位置不同即圍巖受力集中點(diǎn)不同，其中CRD 法施工中間巖柱橫向受力較為均勻，臺階法集中在下臺階，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法集中在中間巖柱中間區(qū)域，因此施工中不同施工工法中間巖柱支護(hù)側(cè)重有所不同。考慮中間巖柱、拱頂沉降、邊墻收斂開挖順序以大斷面隧道為先行洞，小斷面隧道為后行洞，CRD法施工更利于隧道圍巖和中間巖柱的穩(wěn)定，不同開挖工法洞周、中間巖柱受力有所不同，施工過程中及時(shí)改變支護(hù)方案有利于保證施工安全。

3 結(jié)論

通過對非對稱小凈距隧道拱頂位移、邊墻收斂、中間巖柱進(jìn)行的相關(guān)分析，得以下結(jié)論：

（1）在開挖順序上，通過分析開挖完成后的拱頂沉降、邊墻收斂、中間巖柱位移，先開挖大斷面隧道后開挖小斷面隧道，對控制拱頂沉降、邊墻收斂較有利，選用合適的工法可以減少上部圍巖的偏壓效應(yīng)；選用在圍巖條件較好的情況，后行洞開挖時(shí)選擇施工步驟較為簡單地工法以減少對先行洞圍巖、中間巖柱的擾動(dòng)。

（2）不同開挖工法施工隧道洞周和中間巖柱應(yīng)力集中部位有所不同，在選擇施工工法中優(yōu)選對中間巖柱造成偏壓較小的工法，施工過程中加強(qiáng)對受力集中部位監(jiān)控測量，及時(shí)改變支護(hù)方案，對于保證施工安全進(jìn)行具有重要的意義。