高興隆

隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定[1，2］:兩相鄰單線隧道間的最小凈距，應(yīng)按圍巖地質(zhì)條件、隧道斷面尺寸及施工方法等因素確定，一般情況，在Ⅴ類 ～Ⅳ類圍巖中為(2.0～2.5)B，在Ⅲ類圍巖中為(2.5～3.0)B，B為隧道開挖寬度。隨著我國城市的不斷發(fā)展，淺埋特大斷面小凈距隧道將愈來愈多，因此，研究軟弱圍巖淺埋特大斷面小凈距隧道施工方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

西北某隧道場(chǎng)址區(qū)屬低山丘陵地貌，地形起伏大，線路沿北西向穿越低山丘陵區(qū)，地質(zhì)復(fù)雜，施工難度大。隧道為上下行分離的雙向八車道高速公路隧道，全長860m。隧道最大埋深約為68m，洞口淺埋段埋深6m～15m，從外到內(nèi)穿越Ⅴ，Ⅳ級(jí)圍巖，主要巖性為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。隧道最大毛洞開挖跨度B為18m，高度11m，左右洞最小凈距W為10m，屬于淺埋特大斷面小凈距隧道[3，4］。

2 Ⅴ級(jí)圍巖小凈距隧道開挖支護(hù)方案優(yōu)化

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

隧道淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，表1和表2分別為典型斷面隧道周邊位移和拱頂下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果。

表1 隧道周邊位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 隧道拱頂下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表1，表2可見，初期支護(hù)最大收斂值只有1.45mm，拱頂最大下沉值為5.87mm，都遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的允許限值。可見，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能充分保證隧道圍巖的穩(wěn)定性，但由于設(shè)計(jì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖支護(hù)方法施工工序繁多，工效低，因此，為實(shí)現(xiàn)隧道早日貫通，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，可對(duì)隧道支護(hù)形式進(jìn)行簡(jiǎn)化與優(yōu)化，以加快施工進(jìn)度節(jié)省工期。下面利用數(shù)值模擬技術(shù)[5］對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖段中典型斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，確定合理的優(yōu)化方案。

2.2 支護(hù)優(yōu)化數(shù)值分析

雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法施工工序如下:1)開挖左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階;2)施工上臺(tái)階初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，施工上臺(tái)階鎖腳錨桿;3)開挖左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階;4)施工下臺(tái)階初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)(必要時(shí)邊墻腳設(shè)置鎖腳錨桿);5)開挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階;6)施工上臺(tái)階初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，施工上臺(tái)階鎖腳錨桿;7)開挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階;8)施工下臺(tái)階初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，施工上臺(tái)階(必要時(shí)邊墻腳設(shè)置鎖腳錨桿);9)開挖中部上臺(tái)階上部分;10)施工拱部初期支護(hù);11)開挖中部上臺(tái)階下部分;12)施工中部臨時(shí)仰拱;13)開挖中部下臺(tái)階;14)施工仰拱初期支護(hù);15)施工仰拱第二層初支;16)施工仰拱二次模筑襯砌;17)拆除臨時(shí)支護(hù)(一次拆除縱向長度小于2m);18)施工邊墻及拱部第二層初期支護(hù);19)分步施工防排水系統(tǒng)和邊墻、拱部二次模筑混凝土襯砌。如圖1所示，以下稱作方案1，優(yōu)化變更方案則是在設(shè)計(jì)方案中取消第二層初支結(jié)構(gòu)，將二襯結(jié)構(gòu)厚度調(diào)整為75cm，以下稱作方案2。建立二維有限元模型，對(duì)兩種方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，比較隧道圍巖位移、應(yīng)力變化，進(jìn)而確定科學(xué)合理的優(yōu)化方案。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法示意圖

1)隧道圍巖位移分析。位移場(chǎng)的分析主要考慮開挖后圍巖的豎向位移的大小，同時(shí)考慮中間巖柱側(cè)壁的水平位移，本研究分析左右洞的關(guān)鍵位置拱頂、拱腰和中間巖柱的位移情況。計(jì)算結(jié)果顯示，隧道開挖后，圍巖最大豎向位移為-3.578mm，在右隧道拱頂，圍巖最大水平位移為-1.684mm，同樣是出現(xiàn)在淺埋的右隧道。表3為兩方案開挖引起洞室的主要位移結(jié)果對(duì)比，從表3中可知，方案2對(duì)水平位移影響很小，主要對(duì)拱頂豎向位移有影響，兩洞室的拱頂沉降都比方案1要多下沉0.14mm。拱頂最大下沉為-3.578mm，而已開挖并支護(hù)的同一圍巖級(jí)別的斷面的拱頂下沉監(jiān)測(cè)值為-4.78mm，由于模擬斷面(未開挖)與已開挖斷面隧道埋深不同，可以近似認(rèn)為兩種方法得到的值一致，因此數(shù)值模型參數(shù)取值及邊界條件是合理的。

表3 兩方案主要位移計(jì)算結(jié)果匯總 mm

圖2為拱頂隨開挖步的沉降圖，開挖第2)步～第8)步為左洞開挖和初期支護(hù)段，因此這期間右洞拱頂變化很小，其值主要是由左洞開挖引起的，而在9)步～15)步時(shí)，為右洞開挖和支護(hù)段，因此這期間左洞拱頂變化小。從圖2中可知，兩洞在開挖到靠近中間巖柱一側(cè)時(shí)，拱頂都有較大的變形，尤其是右洞開挖這側(cè)時(shí)(第11)步)拱頂有一個(gè)明顯的下沉，左洞拱頂變化相對(duì)小些，而左洞在挖核心土?xí)r(第6)步)，對(duì)拱頂?shù)南鲁烈惨鹆艘粋€(gè)較大的變化。方案1和方案2由于主要是在第二道支護(hù)和二襯上的不同，因此在洞室的前14步兩洞室拱頂下沉曲線是重合的，而從第15)步拆除臨時(shí)支護(hù)后，方案2的兩洞室拱頂沉降要大于方案1。

圖2 洞室拱頂隨開挖步的沉降圖（單位：mm）

2)隧道圍巖應(yīng)力分析。計(jì)算分析可知隧道開挖后，方案1和方案2的圍巖最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在左隧道的左拱腳處，最大值分別為104 909 Pa和109 784 Pa，方案2比方案1最大主應(yīng)力增加了3.6%，方案2隧道圍巖最大拉應(yīng)力值增大了，圍巖的抗拉強(qiáng)度1mPa;最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在左隧道靠近中間巖柱的墻中處，其值分別為-1.47mPa和-1.46mPa;兩方案在兩隧道的墻角處和中間巖柱中心都出現(xiàn)了應(yīng)力集中。隧道圍巖主要應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總列于表4。由表4可知，方案2在隧道開挖后襯砌應(yīng)力均有增加，但最終襯砌最大壓應(yīng)力值未超過C30混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(13.3mPa)，最大拉應(yīng)力也未超過C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(1.33mPa)。

表4 圍巖主要應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比mPa

3)對(duì)比分析結(jié)果。隧道圍巖的變形、應(yīng)力等方面對(duì)兩種方案對(duì)比分析如下:

a.采用優(yōu)化方案2，在拱頂下沉和水平方向的位移比方案1分別大0.14mm和0.082，兩方案位移變化不大，且最大變形都在規(guī)范規(guī)定以內(nèi)。b.方案2圍巖最大的應(yīng)力要略比方案1大，但沒超過襯砌的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。c.對(duì)于塑性區(qū)的范圍，方案2最大塑性變形為0.403mm，方案1最大塑性變形為0.402m，兩方案塑性區(qū)范圍大致一樣。

通過以上數(shù)據(jù)的對(duì)比，兩方案支護(hù)各方面對(duì)比變化都不大，各種變形都在規(guī)范規(guī)定之內(nèi)，對(duì)此圍巖級(jí)別斷面，所采取的開挖和支護(hù)都是合理的。綜合考慮工程實(shí)踐，優(yōu)化開挖支護(hù)方案2與設(shè)計(jì)方案1相比，通過減少工序與支護(hù)措施[6］，有效提高施工功效，能充分保證圍巖穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)隧道盡早貫通。因此，優(yōu)化開挖支護(hù)方案2是安全可行的。

3 結(jié)語

根據(jù)以上對(duì)已開挖斷面的位移監(jiān)測(cè)分析及數(shù)值分析對(duì)比知，優(yōu)化變更開挖支護(hù)方案能充分保證小凈距隧道圍巖穩(wěn)定，施工功效顯著提高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。Ⅴ級(jí)圍巖下采用優(yōu)化的單層支護(hù)方案，取得直接成本節(jié)約77萬元，工期效益23萬元，共計(jì)節(jié)約100萬元?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示:左側(cè)拱頂測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)下沉3.50mm，水平累計(jì)收斂最大為1.2mm，隧道圍巖穩(wěn)定。

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