中隔壁法開挖工序?qū)\埋偏壓小凈距隧道穩(wěn)定性影響研究

高 帥，胡明香，李文彪

(1.江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院 贛州市 341000；2.贛州水務(wù)集團(tuán)有限責(zé)任公司 贛州市 341000)

1 概述

淺埋偏壓小凈距隧道同時(shí)具備了隧道淺埋、偏壓、小凈距三個(gè)主要特點(diǎn)，因此相對于一般普通隧道，淺埋偏壓小凈距隧道的圍巖壓力分布和圍巖變形規(guī)律更加復(fù)雜，隧道設(shè)計(jì)和施工也更為困難。

目前我國公路隧道建設(shè)行業(yè)對淺埋偏壓小凈距隧道的設(shè)計(jì)施工尚無明確的規(guī)范要求和詳細(xì)的技術(shù)指南，對淺埋偏壓小凈距隧道的特征缺乏充分的認(rèn)識和足夠的重視，導(dǎo)致設(shè)計(jì)施工方案不盡合理，造成坍塌、地表沉陷、襯砌開裂等安全事故，嚴(yán)重影響隧道建設(shè)及運(yùn)營安全。因此，對淺埋偏壓小凈距隧道的設(shè)計(jì)、施工等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行有針對性的分析研究具有十分重要和迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者對淺埋偏壓小凈距隧道的圍巖壓力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、偏壓效應(yīng)和施工方法等方面的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但仍處于理論探索和實(shí)踐檢驗(yàn)階段。對淺埋偏壓小凈距隧道合理開挖工序的研究也處于起步階段，從當(dāng)前僅有的研究成果上看，也尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識[1]。

借助有限元模擬軟件，重點(diǎn)討論和研究中隔壁法開挖工序?qū)\埋偏壓小凈距隧道圍巖變形、地表沉降和初支變形受力的影響，分析不同開挖工序下隧道變形規(guī)律，嘗試獲得中隔壁法在淺埋偏壓小凈距隧道施工中最有利的開挖工序。

2 淺埋偏壓小凈距隧道的特征

淺埋偏壓小凈距隧道同時(shí)具備了淺埋隧道、偏壓隧道和小凈距隧道的特征，主要包括以下幾點(diǎn)：

(1)作為特殊環(huán)境下的隧道工程，由于隧道埋深淺，其施工不僅受到覆蓋層地質(zhì)條件的制約，而且還受地表環(huán)境的影響。因覆蓋層較淺，隧道圍巖難于形成卸載拱，開挖施工引起的破壞效應(yīng)會(huì)迅速傳遞至地表，容易導(dǎo)致地表及洞頂圍巖產(chǎn)生塌陷[1]。

(2)由于圍巖初始地應(yīng)力場的不對稱性，隧道洞身開挖將使圍巖應(yīng)力場進(jìn)一步惡化，容易引起洞內(nèi)圍巖坍塌、隧道初期支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)的變形破壞。此外地表沉陷開裂又會(huì)誘發(fā)邊仰坡的失穩(wěn)滑塌等地質(zhì)災(zāi)害，坡體滑移產(chǎn)生的水平推力進(jìn)一步作用于隧道形成偏壓荷載，導(dǎo)致支護(hù)和襯砌的破壞，進(jìn)而形成惡性破壞循環(huán)[2]。

(3)由于隧道兩洞之間距離較近，導(dǎo)致相互之間的應(yīng)力場、位移場疊加嚴(yán)重。隧道先行洞施工一段時(shí)間后，圍巖應(yīng)力場將調(diào)整到平衡狀態(tài)，在這種擾動(dòng)后的圍巖條件下進(jìn)行后行洞施工，隧道后行洞圍巖的整體穩(wěn)定性必將受到很大的影響，同時(shí)后行洞施工導(dǎo)致的圍巖應(yīng)力場的擾動(dòng)也將反過來影響先行洞，而且這種影響是不對稱性的[3]。

3 中隔壁法開挖工序

中隔壁法(CD開挖法)是目前淺埋偏壓小凈距隧道施工中經(jīng)常采用的開挖方法，它是在隧道開挖過程中，于斷面中間施作豎向支撐，并將整個(gè)隧道斷面在豎向支撐兩側(cè)分割成若干個(gè)臺階單元后分部開挖的施工方法。這種施工方法可有效地控制圍巖大變形，適用于大跨度或特大跨度隧道的施工，尤其是軟弱圍巖和受力不均勻的隧道開挖施工[4]。與此同時(shí)，CD開挖法兼有臺階法及側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有施工進(jìn)度快、工序轉(zhuǎn)換靈活的特點(diǎn)。

圖1 中隔壁法開挖、支護(hù)工序圖

對于小凈距隧道，根據(jù)隧道開挖、支護(hù)順序的不同，又可以分為以下四種開挖工序：左洞先行、正向開挖；左洞先行、反向開挖；右洞先行、正向開挖；右洞先行、反向開挖。其中左洞一側(cè)為溝側(cè)，右洞一側(cè)為山側(cè)。正向開挖，指的是先開挖左洞右側(cè)、右洞左側(cè)，再開挖左洞左側(cè)、右洞右側(cè)；反向開挖的工序則相反。小凈距隧道四種開挖工序如圖2所示。

圖2 中隔壁法四種不同開挖工序

4 淺埋偏壓小凈距隧道開挖有限元模擬

以筆架山隧道為背景，通過有限元軟件模擬計(jì)算，探討中隔壁法四種不同的開挖工序?qū)λ淼绹鷰r和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響。

4.1 工程概況

筆架山隧道位于江西省信豐縣，為一座分離式隧道，其中右線長718m，左線長655m。受地形條件限制，隧道出口段由分離式隧道漸變?yōu)闇\埋偏壓小凈距隧道。根據(jù)地勘資料，隧道出口段為Ⅴ級圍巖，巖性為殘坡積土及全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化變余巖屑雜砂巖，節(jié)理發(fā)育、巖體極破碎、穩(wěn)定性較差。

4.2 有限元模型

采用有限元計(jì)算軟件PLAXIS，取筆架山隧道出口端淺埋偏壓段為計(jì)算剖面，分別對(a)左洞先行，正向開挖、(b)左洞先行，反向開挖、(c)右洞先行，正向開挖、(d)右洞先行，反向開挖四種不同的中隔壁法開挖工序進(jìn)行有限元模擬，計(jì)算分析不同開挖工序下隧道圍巖變形、隧道拱頂與地表沉降及隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況。有限元模型見圖3。

圖3 淺埋偏壓小凈距隧道有限元計(jì)算模型

4.3 有限元模擬結(jié)果與分析

4.3.1隧道圍巖變形分析

(1)隧道圍巖總變形分析

不同開挖工序下隧道圍巖總變形云圖見圖4。

圖4 不同開挖工序下隧道圍巖總變形云圖

通過隧道圍巖總變形云圖(圖4)的對比和分析，可以獲得以下結(jié)論：

①對比開挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)開挖工序引起的隧道圍巖變形范圍和變形量均較小，說明在相同的先行開挖條件下，采用反向開挖工序?qū)λ淼赖膰鷰r總變形影響最小。

②對比開挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(a)、(b)開挖工序?qū)λ淼雷蠖磭鷰r變形范圍和變形量影響較小，而對右洞圍巖變形范圍和變形量影響較大。

③優(yōu)先選擇反向開挖工序，若左洞先行則對右洞的圍巖變形影響較大，相反若右洞先行則對左洞的圍巖變形影響較大。

(2)隧道中夾巖變形分析

通過隧道中夾巖水平位移曲線(圖5)的對比和分析，可以獲得以下結(jié)論：

圖5 不同開挖工序下隧道中夾巖水平位移曲線

①對比開挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)開挖工序引起的隧道中夾巖水平位移較小，說明在相同的先行開挖條件下，采用反向開挖工序?qū)λ淼乐袏A巖水平位移影響最小。

②對比開挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(c)、(d)開挖工序引起的隧道中夾巖水平位移較小，說明在相同的正反方向下，采用右洞先行的開挖工序?qū)λ淼乐袏A巖水平位移影響最小。

③選擇(d)右洞先行，反向開挖的施工工序?qū)λ淼乐袏A巖變形影響最小。

4.3.2隧道拱頂與地表沉降分析

通過隧道拱頂與地表沉降曲線(圖6)的對比和分析，可以獲得以下結(jié)論：

圖6 不同開挖工序下隧道拱頂與地表沉降曲線

(1)對比開挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)開挖工序引起的隧道拱頂與地表沉降較小，說明在相同的先行開挖條件下，采用反向開挖工序?qū)λ淼拦绊斉c地表沉降影響最小。

(2)對比開挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(a)、(b)開挖工序引起的隧道左洞拱頂與地表沉降相對較小，而隧道右洞拱頂與地表沉降相對較大。

(3)優(yōu)先選擇反向開挖工序，若左洞先行則對右洞的拱頂與地表沉降影響較大，若右洞先行則對左洞的拱頂與地表沉降影響較大。

4.3.3隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

通過隧道初期支護(hù)總變形(圖7)對比與分析，可以獲得以下結(jié)論：

圖7 不同開挖工序下隧道初期支護(hù)總變形

(1)對比開挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)開挖工序引起的隧道初期支護(hù)總變形較小，尤其對左洞，影響最為顯著，說明在相同的先行開挖條件下，采用反向開挖工序?qū)λ淼莱跗谥ёo(hù)總變形影響最小。

(2)對比開挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(a)、(b)開挖工序引起的隧道左洞初期支護(hù)總變形相對較小，而隧道右洞初期支護(hù)總變形相對較大。

(3)優(yōu)先選擇反向開挖工序，若左洞先行則對右洞的初期支護(hù)總變形影響較大，若右洞先行則對左洞的初期支護(hù)總變形影響較大。

5 結(jié)語

基于均質(zhì)巖土體假設(shè)，得到如下結(jié)論：

(1)淺埋偏壓小凈距隧道若采用中隔壁法進(jìn)行開挖施工，其開挖工序應(yīng)首先考慮反向開挖。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，反向開挖對隧道圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力影響最小。

(2)對于左洞先行或右洞先行，應(yīng)根據(jù)具體條件綜合考慮選擇。總體而言，若左洞先行則對右洞圍巖變形影響較大，若右洞先行則對左洞的圍巖變形影響較大。

(3)根據(jù)上述結(jié)論，筆架山隧道施工選擇了“左洞先行、反向開挖”的中隔壁法開挖工序，施工過程中未發(fā)生坍塌現(xiàn)象，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)表明隧道拱頂與地表沉降均在控制范圍內(nèi)。