近接疊交隧道施工圍巖力學特性研究

霍 強

(中鐵十一局集團第四工程有限公司，武漢 430062)

1 概述

隨著我國經濟的飛速發展，現有隧道工程并不能完全滿足出行、運輸等需求，需要在現有地下工程附近修建新隧道。因新建隧道的開挖施工對已建地下工程圍巖有不同程度的擾動，為避免對已有工程的穩定性造成不必要的損害，施工工法的選取也是一重大難題。尤其在山區，因受復雜的地質、地形條件的限制，大大提高了工程難度。因此，如何基于現場情況給出合理開挖工法以及支護措施則顯得尤為重要。王志剛[1]通過正交實驗法和FLAC3D數值模擬軟件，模擬不同的開挖順序、施工工法等因素對小間距洞群的影響進行研究，并給出合理的施工方案；段軍朝等[2]運用ABAQUS軟件對雙聯拱隧道進行模擬，研究了隧道應力、應變和塑性變形區域分布，證明了加密拱頂、中導墻處的監控量測和初支加固是雙聯拱隧道的重點工作；陳先國等[3]利用ANSYS程序分析了近接平行隧道施工中地表與拱頂的下沉規律；胡慶安等[4]利用ANSYS軟件分析了雙連拱隧道施工過程中其圍巖和中隔墻的變形及應力變化，證明了中隔墻回填密實能夠有效抑制其變形。李恒一[5]通過對相鄰兩孔平行隧道的近接施工的數值模擬，得出地表位移沉降與兩洞距離以及埋深相關性較大，并對實際工程案例的施工提出合理性建議[6]。綜上所述，不同開挖工法的選取對周圍土體的擾動有著很大影響，嚴重影響著臨近已有隧道的穩定性。前者的研究多集中于對新建隧道的穩定性研究，對近接已有地下工程的穩定性、以及在建隧洞的影響范圍未有一個綜合論述。本文基于重慶某隧道工程，借助FLAC3D數值模擬軟件，對隧道開挖進行不同工況模擬，進行開挖工法的選取對既有隧道影響評價的研究，研究成果可為類似工程的施工設計提供借鑒。

2 工程概況

本項目依托重慶某下穿近接隧道工程。研究區共建有2條隧道，右側為直徑約10 m的圓形既有盾構隧道，總長度為305 m。襯砌環寬度為1.2 m，厚度為0.3 m。左側寬約為15.5 m，高約16.39 m的大斷面新建隧道，總長度約1 km，主要采用三臺階臨時仰拱法施工，采用復合式襯砌支護形式。其中初期支護厚度為0.25 m，二次襯砌厚度為40 cm。2條隧道近接間距為5 m，隧道圍巖條件較差，以IV-V類圍巖為主。兩者縱向平行且兩端延伸方向近似相同?？辈榻衣兜貙訋r性主要為第四系殘坡積土及侏羅系中統上沙溪廟組泥巖、粉砂質泥巖、砂巖互層組成。隧道施工區地下水類型以第四系孔隙水和基巖裂隙水為主，且砂巖具有一定的滲透性。

3 巖石力學試驗

3.1 采樣及試驗流程

本次試驗所采集的巖樣取自研究區所在地層，并將所取芯樣制作為統一標準尺寸。每種巖樣不少于5個，以排除試驗偶然性。試樣尺寸設置直徑為50 mm、高為100 mm。表面進行磨平處理，直徑誤差在0.3 mm內，軸向偏差小于0.25°。采用巖石力學試驗機測試巖塊最大壓應力。將試樣置于儀器承壓板中心，加載速度調整為1 kN/s，直到試樣破壞，記錄所需數據。

3.2 參數確定

經過上述實驗流程以及數據處理，得到不同巖性抗壓強度以及其余力學特性指數(見表1)。

表1 巖體參數

4 模型的建立

4.1 模型建立

如圖1所示，模型尺寸為160 m×15 m×116 m(長×寬×高)。以隧道軸線(正北)為Y軸，水平面上以垂直于洞軸線為X軸。為保證計算的可靠性，在水平面X軸方向上計算邊界取距離隧道邊界4倍洞徑(約40 m)，縱向上根據實際工程概況設置隧道埋深為60 m，下邊界圍巖厚度為40 m，開挖方向上取15 m進行計算。FLAC3D數值模擬時，初期支護與臨時鋼支撐選用Shell單元構建；二次襯砌選用實體單元構建；錨桿選用Cable單元建立。由于現場采用爆破開挖，并開挖后未能立即施加相應支護，在二襯施加時圍巖形變并沒有完全收斂。因此，本文在模擬開挖時，命令采用定義空模型(assign null)模擬實際情況中的爆破開挖，開挖后在施加初期支護與二次襯砌前都進行一定的應力釋放，以此提高模擬精準度。

圖1 隧道三維地質模型示意

在開挖計算過程中,約束左右邊界與下邊界的法向位移,上邊界采用自由面。既有隧道(A型)采用全斷面開挖工法，開挖計算平衡并清除位移后，再對擬建隧道(B型)開展不同工法條件下的隧道開挖模擬分析。同時，開展擬建隧道施工階段對既有隧道的邊墻、拱腰、拱頂等特殊位置進行位移監測。

4.2 參數選取

隧道圍巖為Ⅴ級，在圍巖參數選取中，由于隧道施工區域以砂泥巖互層為主，綜合考慮各層厚比、層厚、傾角等因素對巖體力學參數的影響，取等效巖體參數，而不是僅按照試驗參數選取[7]。且將計算地層采用統一均質地層，在方便計算的同時，提高模擬可靠度(見表2)。在隧道開挖支護過程中，考慮初期支護，二襯支護、臨時鋼支撐、砂漿錨桿等支護。由于在模型計算時，需要設置具體的彈性體積模量K與彈性切變模量G，具體計算方法如式(1)(2)所示:

(1)

(2)

式中：

E——彈性模量；

v——泊松比。

表2 模型參數選取

基于原設計資料，隧道支護措施為掛網噴漿+系統錨桿支護。為簡化建模過程，且不影響數值模擬效果，本文將掛網支護中使用的鋼筋效果等效到隧道襯砌模擬中[8]，也就是將鋼筋彈性模量進行等效，折算到混凝土中，計算方法見式(3)：

(3)

式中：

Es——鋼筋彈性模量；

E0——折算之前的彈性模量；

Ec——折算后的彈性模量；

Ac——折算后襯砌彈性模量；

As——鋼拱架截面積。

4.3 模型地應力平衡

前期在隧道區域附近通過水壓劈裂法測試地應力，結果顯示該區域最大主應力為9.23 MPa，為低地應力區。實測垂直應力分量與自重應力計算值相差不大，表明該區域的地應力受地質構造作用影響不大，以自重應力為主，在數值模擬中主要考慮自重因素即可[9-10]。地應力平衡后，對隧道進行不同工法的開挖模擬研究。

5 模擬結果分析

5.1 不同工法下圍巖位移及力學響應

1) 全斷面開挖

施工順序依次為全斷面開挖、應力釋放、施加初期支護措施、應力釋放、施加二次襯砌、應力平衡。計算平衡后，取中間斷面進行位移場、應力場分析。從圖2可以看出，B型隧道全斷面開挖工法施工過程中，A型隧道臨近邊墻最大位移達到了0.9 mm，最大拉應力值約為0.3 MPa，拱頂沉降位移達到了0.85 mm,且有應力集中現象。B型隧道拱頂沉降值約為6 mm，拱底隆起約7.2 mm，邊墻位移值相對較小約為0.36 mm，在拱底有應力集中現象。

a 位移云示意

2) 臺階法開挖

施工順序依次為上臺階開挖、應力釋放、施加初期支護、應力釋放、下臺階開挖、施加初期支護、應力釋放、施加二次襯砌、應力平衡。取中間斷面進行位移場、應力場分析。從圖3可以看出，B型隧道臺階開挖工法施工過程中，A型隧道臨近邊墻最大位移達到了4.5 mm，最大拉應力值約為0.29 MPa，，拱頂沉降位移最大達到了4.13 mm，且在靠近B型隧道的一側有應力集中現象出現。B型隧道拱頂沉降值約5 mm,拱底圍巖隆起約6.64 mm，邊墻位移值約為3.9～4.9 mm，在隧道邊墻出現不同程度的應力集中。

a 位移云示意

3) CD法開挖

施工順序依次為分塊開挖、各階段進行應力釋放、施加初期支護措施以及中隔壁支撐、應力釋放、施加二次襯砌、應力平衡。計算平衡后，取中間斷面進行位移場、應力場分析。從圖4可以看出， B型隧道CD開挖工法施工過程中，A型隧道臨近邊墻最大位移為0.66 mm，最大拉應力值約0.20 MPa，拱頂沉降位移約為0.48 mm,拱頂與拱底有較小程度的應力集中。B型隧道拱底靠近A型隧道一側隆起程度較大，約為1.75 mm，拱頂沉降約為0.05 mm，側邊墻位移值約為0.5～0.8 mm。

a 位移云示意

5.2 不同工法適應性分析

基于平行近接隧道不同開挖工法的模擬可以看出：對于新建的B型隧道，分別采用全斷面法、臺階法與CD法進行開挖，其拱頂沉降值與最大主應力區依次減??；對于已建的A型隧道，在B型隧道選用臺階開挖法時，其圍巖形變最大，且位移值波動明顯，而選用全斷面法或CD法開挖時，圍巖形變量較小，波動不明顯(圍巖形變監測如圖5所示)。

a 隧道邊墻圍巖形變曲線

通過分析表明：在選用臺階法開挖B型隧道時，由于上臺階開挖的完成，在拱腰會出現明顯的應力集中現象，對兩隧道間圍巖有較大的擠壓作用，下臺階開挖后，又有明顯的應力釋放，對A型已建隧道圍巖造成的擾動較大；在全斷面開挖工法下，由于選用大型機械化施工，開挖次數少、支護施作速度快，極大的減少了對隧道間圍巖的擾動[11-13]；在選用CD法開挖時，優先開挖遠離既有隧道一側，施工面小、獨立成環，且對圍巖等級要求不高，對既有隧道圍巖擾動極小[14]。可見，在平行近接隧道施工時，針對此類型工況CD法適應性最強，全斷面次之，臺階開挖法適應性較差。

6 結語

針對重慶某隧道工程，對不同開挖工法在平行近接隧道工程中適應性進行研究，得出以下結論：

1) 臺階法開挖過程中，由于在拱腰處產生的形變壓力較大，且近接距離較小，對既有隧道的圍巖擾動較強，圍巖形變較嚴重，因此適應性較弱。

2) 全斷面法開挖過程中，由于可以使用大型機械化施工，很大程度上減弱了對圍巖擾動，開挖后產生的形變壓力較小，臨近既有隧道圍巖形變量較小，因此適用性良好。

3) CD法開挖過程中，由于單塊開挖面小，支護施作迅速，隧洞形成閉合單元所用時間較短，對臨近已建隧道的圍巖擾動較弱，圍巖產生的形變量較小，因此適用性較強。