小凈距偏壓隧道在特殊素填土施工順序研究

陳光楊 寧曉駿 費維水 李揚 薛揮杰

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，社會交通擁堵問題越發嚴重，地下空間開發和利用變得越來越重要，且地下公路隧道建設是解決交通擁堵的有效方法。在地下空間的開發利用中，由于區域與環境的不同，隧道建設遇到各種各樣的問題，淺埋偏壓隧道往往是比較困難的問題。因此，通過研究不同施工順序對淺埋暗挖區間隧道圍巖變形、襯砌內力、塑性區分布情況，對類似偏壓小凈距隧道項目的施工有重要參考。

重慶曾家巖區間隧道主要穿過第四系全新統人工填土、中風化泥巖，本文著重以重慶曾家巖隧道施工為背景，通過二維數值計算，對不同隧道施工順序引起的圍巖變形、襯砌內力、塑性區分布進行比較，分析在隧道潛在偏壓情況下，哪種施工順序更加安全可靠，為研究淺埋暗挖及偏壓隧道施工提供參考價值。

1 工程概況

重慶曾家巖隧道位于奧園小區上方以明洞隧道通過，以暗挖隧道形式下穿金開大道。隧道區表覆蓋層為第四系全新統素填土，表層填土由于園林建設活動，填土稍密；下層塊石含量較大，空隙大，土層較為松散、稍濕，粘聚力很小，僅有3 kPa，是較為特殊的回填土，其主要成分為砂泥巖碎石、塊石，含少量粉質粘土，碎塊石占比約10%～50%，粒徑多為20～350 mm，少量超過500 mm，回填時間10 a以上，分布無規律，厚5.20～48.4 m。

由于曾家巖隧道為小凈距偏壓隧道，且多數區段埋置于特殊回填土中(粘聚力為3 kPa)，采用CRD法施工，標準段為Ⅵ級加強A，隧道開挖斷面支護參數如表1所示。

表1 CRD法標準斷面支護參數

2 計算模型及參數

2.1 計算方法及條件

(1)計算中，圍巖采用M-C彈塑性本構模型，初期支護和二次襯砌等支護結構采用線彈性模型。

(2)兩層初期支護(第一層初支：噴層+鋼架；第二次初支：噴層+鋼架)中的噴層和鋼架分別采用梁單元模擬。

(3)初始應力場僅考慮自重應力場。

(4)依據《公路隧道設計細則》，并結合工程類比和計算經驗，施工過程模擬時，開挖+初期支護階段的應力釋放比率取為50%，二次襯砌施做后，應力100%完全釋放[1]。

2.2 計算模型及計算參數、計算方案

結合具體工程實例，以勘察資料中的最不利剖面9-9為典型斷面，采用第二次變更設計參數，本段左右洞施工工法均采用CRD法，運用Midas GTS/NX二維有限程序進行模擬計算，整個模型寬360 m，高139 m，如圖1所示。本模型左右邊界為水平約束，底部為固定約束。

圖1 9-9典型斷面模型示意

計算所采用的巖土體及支護結構材料物理力學參數見表2。

表2 巖土體及支護結構材料物理力學參數

續表2

表中各參數的選取依據如下：

(1)填土的彈性模量取為30 MPa，填土、粉質黏土、強風化泥巖、中等風化泥巖的力學參數依據地勘給出的建議值；

(2)小導管注漿加固區的力學參數參考設計單位計算模型中的設定值；

(3)隧道基底加固、注漿加固墻體的物理力學參數依據復合地基設計理論及相關資料綜合確定，其等效彈性模量可用式(1)計算：

按照彈性力學理論，彈性模量與壓縮模量間存在關系：

(1)

式中，E為彈性模量，EP為壓縮模量，μ為泊松比。

若已知復合地基壓縮模量與泊松比，便可依據式(1)求出復合地基彈性模量。根據變形一致原則，采用《復合地基技術規范》中關于旋噴樁復合地基壓縮模量計算式(2)可得：

EPc=m·EPi+(1-m)·EP0

(2)

式中，EPc為旋噴樁復合地基壓縮模量，EPi為旋噴樁壓縮模量，EP0為土體壓縮模量，m為樁置換率[2]。

將式(1)代入式(2)便可推出復合地基彈性模量的計算式(3)：

(3)

式中，Ec為旋噴樁復合地基彈性模量，μc為復合地基泊松比[2]。

在考慮土體彈性模量為30 MPa，旋噴樁間距為1.5 m×1.5 m，2 m×2 m，3 m×3 m梅花形布置(對應樁置換率為0.349,0.196,0.087)的情況進行組合[3-4]，得到不同工況下的復合地基彈性模量，如表3所示。

表3 不同工況下復合地基彈性模量統計

根據土體彈性模量為30 MPa，旋噴樁間距3 m×3 m梅花形布置，地基彈性模量從偏安全角度考慮取Ec=1 000 MPa。

(4)為計算簡便，在隧道的數值分析中,一般將鋼拱架通過剛度等效的方法考慮,即直接換算到橫隔墻中。其彈性模量按式(4)計算：

(4)

式中，E為等效后初期支護的彈性模量，Ec為噴射混凝土彈性模量，Eg為鋼拱架彈性模量，Sc為噴射混凝土截面積，Sg為鋼拱架截面積[5]。

(5)鎖腳錨桿、二襯的物理力學參數按規范取值得到。

本次計算通過改變左、右洞施工順序，建立3種計算情況：①先開挖右洞再開挖左洞；②先開挖左洞再開挖右洞；③左右隧道同時開挖。其中，計算中的右洞是指為埋深略淺一側的隧道，左洞為埋深略深一側的隧道。

2.3 位移和受力評價標準

目前，初期支護多采用工程類比方式確定其支護參數。由于本次計算施工工序復雜，包括兩層初支，還有中隔墻及臨時仰拱、鎖腳錨桿等，引起支護受力多次轉換，且在節點處存在受力集中現象。通過軸力、彎矩和剪力計算安全系數來評價初支體系的安全性，可靠性不高。因此，本次依據《鐵路隧道監控量測技術規程》[6]，采用極限相對位移作為評價標準。本隧道開挖跨度超過12 m，且為土層隧道，規程中尚未有相關建議值。為此，借鑒大跨度黃土隧道極限相對位移標準，如表4所示。取拱頂相對下沉0.55%～0.8%作為極限相對位移，換算極限相對位移約為55～80 mm。

表4 跨度12 m

3 計算結果分析

3.1 隧道變形及結構受力

采用不同開挖順序時，隧道拱頂沉降、水平收斂及地表變形結果見表5。不同開挖順序下，C25噴層(包括噴層1和噴層2)和鋼架(包括鋼架1和鋼架2)受力情況見表6、表7。需要說明的是，對于噴層1和噴層2、鋼架1和鋼架2均是分開建模，表中計算結果均是指兩層中的最大值。

表5 隧道圍巖變形統計 mm

表6 隧道初期支護噴層內力最大值統計 mm

表7 隧道初期支護鋼架內力最大值統計 mm

從表中結果可看出，采用先右后左、先左后右、左右同步3種不同開挖順序下隧道的拱頂沉降最大值均發生在左洞拱頂，分別為55、57、57 mm。洞內水平收斂最大值均發生在右洞，分別為25、39、52 mm。從變形量值看，先右后左的方式略小，但3種開挖方式下的隧道拱頂沉降及水平收斂均相差較小。

從噴層和鋼架內力看，采用先右后左、先左后右、左右同步3種不同開挖順序下隧道噴層及鋼架內力最大值均發生在左洞。從彎矩大小來看，3種開挖方式下的最大彎矩值相差在10%以內。

3.2 隧道圍巖變形及塑性區分布

不同計算條件下隧道圍巖變形及塑性區分布分別見圖2、圖3和圖4。從塑性區分布看，先右后左時的隧道塑性區范圍略小于其他2種情況。

(a)左洞

(a)左洞

(a)左洞

(a)左洞 (b)右洞(1)先右后左開挖

(1)先右后左開挖

4 結論

(1)依據數值模擬結果，先右后左(先淺后深)、先左后右(先深后淺)和同步開挖3種開挖順序，其圍巖變形及支護結構受力相差較小。由于采用的巖土本構模型為M-C模型，難以反映應力路徑的影響以及加卸載的區別。而施工順序的模擬，其實質是應力路徑的變換，雖然有些能反映應力路徑的本構模型，但計算參數較多，參數確定較為困難，從而引起3種開挖順序下，其受力變形差別較小。從隧道圍巖塑性區分布看，先左后右的開挖方式，圍巖塑性區范圍相對較小。

(2)由于本項目是小凈距偏壓隧道，先右后左(先淺后深)在右洞形成時，會有壓力拱效應，能夠對左洞提供1個拱角推力，從而使其結構受力更加安全、可靠。

(3)實際施工采用何種開挖順序，還需要參考類似隧道案例，依據工程類比，建議采用先較淺埋一側開挖方法。