六水鋼市政隧道Ⅲ級圍巖段施工方案比選研究

田 濤

(中國鐵路成都局集團有限公司成都橋路大修段，四川成都 610081)

多年來，伴隨著城市化發展和城市人口的增多，城市交通擁堵現象較多[1],大城市如此，中等城市亦有這種現象。為了改善人民的生活和工作條件，市政隧道已成為城市交通優選的方案之一。

貴州省六盤水市的六水鋼市政隧道工程，為單向雙車道，位于城區。在隧道施工過程中與既有建(構)筑物將造成相互影響，該擬建的市政隧道，下穿水鋼煤場6號轉運站的7號、8號運輸廊道,以下簡稱廊道。隧道全長約973 m，兩隧道相距7.5 m，為小凈距市政隧道工程。

國內眾多專家學者，近年來對小凈距隧道十分關注，開展了大量的研究。如陳志榮等[2]以IV和V級圍巖為例，研究了小凈距隧道在不同凈距和偏壓下的圍巖受力和變形；李勇華等[3]對超淺埋偏壓小凈距隧道的施工力學行為進行研究，認為淺埋偏壓小凈距隧道，先施工較淺一側的洞室，可使襯砌結構所受的內力較小，采取灌漿可有效地減小襯砌結構所受的力；何勇華[1]以大斷面小凈距隧道施工對地表變電站的保護研究，取得了重要的成果；許德鵬等[4]開展了隧道洞口開挖對相鄰道洞的數值分析，得出了隧道洞口開對已支護隧道洞口圍巖影響較大的結論。

本文以貴州六盤水市花園路至水鋼集團的六水鋼小凈距(間距7.5 m)市政隧道為工程依托，該擬建隧道工程地質條件較好，但周邊關系較為復雜，容易出現施工安全等問題。為此，采用數值模擬方法對六水鋼市政隧道Ⅲ級圍巖段施工方案進行比選研究。供類似工程的設計和施工參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建六水鋼市政隧道為小凈距(間距7.5 m)單向(雙車道)單洞(凈空：寬10.5 m，高7.1 m)，隧道全長約937 m，位于貴州省六盤水市花園路至水鋼集團廠區之間。進洞口下穿貴昆鐵路，在洞內K0+341.15 m處下穿在建六沾鐵路，出口端與水鋼煤場6#轉運站的7#、8#皮帶通廊(運輸棧橋結構)異面空間交叉穿越。對Ⅲ級圍巖段擬采用全斷面開挖。

1.2 工程地質條件

工程場地土層為人工填筑土和坡殘積層(Q4el+dl)紅黏土，基巖為石炭系中統黃龍群組(C2hn)的白云質灰巖夾白云巖。巖質堅硬，節理裂隙較發育，巖體較破碎。各巖土層物理力學指標推薦值見表1[5]。

表1 各巖土層物理力學參數建議值[5]

2 數值模型分析[6]

本文針對新建六水鋼小凈距隧道(間距7.5 m)市政隧道，擬用全斷面開挖，運用數值模擬方法分析不同工況對水鋼煤場6#轉運站7#、8#通廊時的影響程度。

2.1 基本假定

(1)計算采用平面應變模式的假定；

(2)隧道建成后，所處底層結構穩定，圍巖應力、應變受控；

(3)圍巖地應力在開挖時限內100 %釋放完成；

(4)通廊的基礎設計允許承載力為2.5 t/m2，在本次分析中轉換成線荷載，即2.5 t/m作為作用在擬建隧道的最不利外荷載，不計入施工荷載。

2.2 分析步驟

2.2.1 確定影響范圍

根據平縱資料及其出口端的橫斷面結合經典彈性力學的相關理論(影響范圍為最小孔徑d的3～5倍)，本次計算分析所確定的影響范圍為：GK0+860～GK0+990，共計隧道縱向長度140 m，橫向兩側隧道外側各10 m，總計橫向計算寬度為42 m。影響范圍的平面見圖1。

圖1 影響范圍的平面

2.2.2 計算特征斷面的確定

測量資料提供了相關出口端的隧道橫斷面，即K0+900，K0+940和K0+960。本文確定以K0+900Ⅲ級圍巖段作為本次分析的斷面。左側隧道地質剖面、Ⅲ級復合襯砌斷面見圖2、圖3。

圖2 左側隧道地質剖面(單位：mm)

圖3 Ⅲ級復合襯砌斷面(單位:mm)

2.3 模型范圍、約束條件及其外荷載

2.3.1 模擬范圍

模型縱向長度為140 m，橫向寬度為42 m；仰拱開挖線以下10 m。

2.3.2 約束條件

模型左右邊界為x方向約束(即水平方向)，下邊界為y方向約束，縱向邊界為z方向約束，地表為自由面。

2.3.3 外荷載直接作用值

外荷載直接作用值見表2。

表2 外荷載直接作用值

2.4 模擬工況

本隧道是小凈距隧道，隧道凈間距7.5 m，全長約973 m，其中Ⅲ級圍巖段擬用全斷面開挖，可能對通廊的影響大。因此，本次分析重點以K0+900橫斷面為分析計算模擬的主要斷面，并分以下兩種工況：

(1)工況一：全斷面開挖單向單側(左)；

(2)工況二：全斷面開挖雙洞同向前、后錯開。

2.5 計算結果與分析

2.5.1 工況一(方案一)

典型斷面：k0+900斷面。此斷面位于Ⅲ級圍巖地帶，擬采用全斷面開挖單向單側(左)的方式，初期支護采用錨桿、掛網錨噴結合二襯[7]。

2.5.1.1 原始應力場

原始應力場就是在沒有開挖前的地應力狀態場，為開挖提供對比的對象。模型單元劃分如圖4所示，按照前面提供的參數，原始應力場計算結果如圖5所示。

圖4 模型單元劃分

圖5 原始應力場計算結果

2.5.1.2 等效應力及襯砌內力

工況一的隧道模擬開挖單元見圖6，模擬開挖單元見圖7。

圖6 隧道開挖單元

圖7 模擬開挖單元

隧道周邊等效應力、噴射混凝土彎矩、噴射混凝土剪力、噴射混凝土軸力、二襯彎矩、二襯剪力、二襯軸力模擬計算結果見圖8～圖14。

圖8 等效應力

圖9 噴混凝土彎矩

圖10 噴混凝土剪力

圖11 噴混凝土軸力

圖12 襯砌彎矩

工況一內力計算結果如表3。

2.5.1.3 計算結果分析

從圖8～圖14和表3看出：隧道開挖施工后，通廊基礎及其隧道周圍的圍巖應力場發生較大變化，地應力釋放較多。開挖對通廊有一定影響。

表3 工況一內力計算結果

圖14 襯砌軸力

2.5.2 工況二(方案二)

典型斷面：k0+900特征斷面。此特征斷面位于Ⅲ級圍巖地帶，擬采用全斷面開挖雙洞同向前、后錯開的方式，初期支護采用錨桿、掛網錨噴結合二襯。

圖13 襯砌剪力

2.5.2.1 等效力及襯砌內應力

單元模型網格、單元模型開挖網格，開挖巖體網格，反向施加節點力，如圖15～圖18。

圖15 單元模型網格

圖16 單元模型開挖后網格

圖17 開挖巖體網格

圖18 反向施加節點力

工況二的隧道周邊等效應力、噴射混凝土彎矩、噴射混凝土剪力、噴射混凝土軸力、二襯彎矩、二襯剪力、二襯軸力模擬計算結果見圖19～圖25。

圖19 圍巖等效應力

圖20 噴混凝土彎矩

圖21 噴混凝土軸力

圖22 噴混凝土剪力

圖23 襯砌彎矩

圖24 襯砌軸力

圖25 襯砌剪力

工況二廣義力計算結果如表4。

表4 工況二廣義力計算結果

2.5.2.2 計算結果分析

從圖19～圖25和表4可以看出：

(1)右側隧道開挖施工后，通廊基礎及其隧道周圍的圍巖應力場[8]發生較大變化，地應力釋放較多。開挖對通廊有影響；

(2)右側隧道的開挖，對左側提前開挖的隧道也有一定影響。地應力的釋放產生應力的重新分布。

2.6 比選結果

由以上數值模擬計算結果可知：Ⅲ級圍巖段采用全斷面的單向單側(左)開挖方式(工況一)，隧道開挖對通廊有一定影響；采用工況二，即全斷面的雙洞同向前、后錯開的開挖方式，隧道開挖對通廊有影響，且右側隧道的開挖對左側已開挖的隧洞也有一定影響。

兩種工況比選結果是，工況一優于工況二。因此，在Ⅲ級圍巖段的開挖施工中，建議采用全斷面開挖的單向單側(左)開挖方式進行施工。

3 結論

本文采用模擬計算的方法對六水鋼市政隧道下穿水鋼煤場6#轉運站7#、8#通廊的施工方案進行了比選研究，得出如下認識：

(1)通過對六水鋼小凈距市政隧道Ⅲ級圍巖段K0+900斷面的工況一和工況二進行數值模擬分析，結果表明，工況一優于工況二。因此建議采用全斷面開挖的單向單側(左)的方式對Ⅲ級圍巖段進行施工。

(2)盡管全斷面開挖對廊道有一定影響，但是隧道開挖和襯砌施工同步，其影響是可控的。在施工中對通廊變形進行監測，確保安全，并重視工程質量使其滿足規范[9]要求。