師伯泰

(中鐵九局集團第九工程有限公司，吉林長春130033)

雙連拱隧道在地質條件差、展線困難，難以修建分離式小凈距隧道的地段有很強的適應性［1－5］。但由于連拱隧道本身結構的復雜性，使得雙連拱隧道的支護結構系統(tǒng)受力十分復雜。連拱隧道與單洞隧道以及小凈距隧道的主要區(qū)別在于中隔墻以及排水系統(tǒng)，其中隔墻在導洞貫通后立即澆筑，它既是初期支護和二襯的支撐點，又是防水層的支撐結構。因此，中隔墻的受力又是整個支護系統(tǒng)中最為復雜的部分［6－8］。中隔墻的受力除了與上部圍巖的豎向荷載有關外，還與施工中采用的開挖方法有關。雙連拱隧道在左右幅施工時，邊開挖邊支護，圍巖和支護結構之間的荷載轉換頻繁，而且目前連拱隧道的開挖多采用鉆爆法，爆破施工對中隔墻及頂部圍巖的擾動都非常大。另外，由于雙連拱隧道左右洞的非對稱開挖，導致雙洞的應力釋放時間不同，因此在隧道的施工過程中，將會對中隔墻形成一種不平衡的推力和彎矩。因此，雙連拱隧道施工中，根據(jù)隧道地層情況進行施工方案的比選和優(yōu)化意義重大［9－10］。

在建奔龍坪隧道圍巖狀況十分惡劣，其巖體擠壓扭曲，產(chǎn)狀凌亂，且風化性很強，節(jié)理十分發(fā)育，巖體破碎，屬Ⅴ級圍巖。隧道全段連拱隧道總的洞徑有25 m，但隧道最大埋深處也僅有43.3 m，因此，相對來說，隧道所處埋深較淺。隧道進口方向地勢東高西低。整個隧道處于一個偏壓地段中?？紤]到奔龍坪隧道的地形特點和雙連拱隧道自身特點，為確保隧道施工安全、優(yōu)化施工步序，采用數(shù)值模擬方法對隧道施工方案的穩(wěn)定性及二次襯砌的受力特點進行分析、評價，確定了隧道的施工方案，指導了該隧道的施工。

1 工程概況

1.1 隧道工程概況

在建奔龍坪隧道全段埋于青、藏、滇、緬、印尼“歹”字型構造西支中段與三江經(jīng)向構造帶中南段及南嶺緯向構造帶西延部分的復合部位。因此，隧道所處地質構造十分復雜，褶皺，斷裂構造形跡相當發(fā)育，總觀全區(qū)構造，測區(qū)東部以大型斷裂為主，西部緊密褶皺和斷裂構造相間分布，南部構造形跡呈向南撒開的特點。受區(qū)域性地質構造影響，奔龍坪隧道圍巖擠壓破碎，產(chǎn)狀零亂，圍巖穩(wěn)定性較差;隧道圍巖整體劃分為V級，隧道進出口段上覆第四系殘坡積灰黃、灰褐、褐紅色粉質黏土，硬塑狀，厚度4 m～7 m;下伏基巖為寒武系砂質板巖、花崗片麻巖，巖體風化強烈，呈強風化碎石碎片狀，節(jié)理裂隙發(fā)育;隧道中部圍巖多呈強風化碎石碎片狀，局部呈中風化碎石狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖質較堅硬。

1.2 隧道工程地質條件

奔龍坪隧道地處爛寨子村南側下方斜坡中上部，屬構造剝蝕中山切割長垣壟狀山地地形，山體呈單斜坡面，植被很發(fā)育，地形縱坡起伏較大，自然坡度一般30°～40°之間，局部大于50°。隧道區(qū)最高點高程1 480.12 m，坡面沖溝較發(fā)育，切割較淺，屬山嶺重丘區(qū)。根據(jù)地勘報告，奔龍坪隧道地層巖性主要為:第四系殘坡積(Q4el+dl)粉質粘土，下伏基巖為寒武系砂質板巖、片麻巖。主要地層巖性分布如下:

(1)第四系殘坡積(Q4el+dl)粉質粘土:灰黃、灰褐、褐紅色、硬塑狀，土質很不均勻，含約20% ～25%白云巖碎石角礫，分布較連續(xù)，主要分布于坡面表層，厚度一般2.8 m～4.7 m，承載力基本容許值200 kPa。

(2)寒武系砂質板巖夾變質砂巖:褐灰、灰白、褐黃、灰褐色，上部強風化碎石碎片狀，下部呈中風化碎石狀，強、中風化界限一般15 m～30 m;節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖質較堅硬。其巖層產(chǎn)狀280°∠58°。該巖層承載力基本容許值強風化砂質板巖500 kPa，中風化砂質板巖900 kPa。

(3)寒武系片麻巖:褐灰、褐黃、灰黃色，上部全～強風化碎石碎片狀，下部呈中風化碎石狀，強、中風化界線一般15 m～30 m，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體很破碎，巖質較堅硬，巖層產(chǎn)狀280°∠58°，對圍巖穩(wěn)定不利;該巖層承載力基本容許值強風化片麻巖600 kPa，中風化片麻巖1 200 kPa。

2 數(shù)值模型及計算

2.1 三維(3D)數(shù)值模擬方案及模擬參數(shù)選取

根據(jù)該工程較差段的實際地質條件和周邊環(huán)境，結合相關設計資料，考慮地表的起伏并同時兼顧模型計算精度，在建立模型的過程中，按照連續(xù)介質模型的建模思路，考慮足夠的模型尺寸，完全模擬現(xiàn)場主要的工程環(huán)境。分別考慮出口段施工情況和進口段施工情況，模型全長取了80 m進行計算，隧道計算模型網(wǎng)格劃分見圖1(a)和圖1(b)所示。施工方案優(yōu)化分析及施工穩(wěn)定性評價對比分析了如下兩種工況:

(1)一次貫通方案，即:中導洞開挖→右幅正洞開挖→左幅正洞開挖，右幅正洞貫通后再施工左幅正洞。

(2)交錯開挖方案，即:中導洞開挖→右幅正洞超前開挖→左幅正洞開挖，右幅、左幅正洞開挖交錯40 m先后施工。

圖1 奔龍坪隧道模型圖

奔龍坪隧道數(shù)值模擬分析中，巖體模型按彈塑性理論，破壞選取摩爾－庫侖破壞準則。巖土體及隧道襯砌結構均采用實體單元，模擬邊界條件的選取，除模型上邊界為地表取為自由邊界，其余各面均采取法向約束［11－13］，采用 Midas－GTS軟件進行模擬分析;隧道計算中巖土體及隧道結構力學參數(shù)見表1所示。

表1 模型計算參數(shù)

2.2 三維(3D)數(shù)值模擬結果及分析

2.2.1 中隔墻應力對比分析

圖2(a)和圖2(b)分別給出了不同開挖方法模型的中隔墻應力云圖對比分析，由圖2可見:

(1)兩種開挖方式平均應力分布和大小差別不大，即交錯開挖最大壓應力值的絕對值與一次貫通的大小幾乎沒有區(qū)別;

(2)一次貫通最大拉應力的絕對值與交錯開挖的大小幾乎沒有區(qū)別;但是對比兩種主要應力分布區(qū)，交錯開挖法大部分應力為壓應力(占27.1%)集中在1.33 MPa，一次貫通法大部分應力為壓應力(占27.3%)集中在為1.35 MPa。兩者差別不大。

2.2.2 二襯應力對比分析

圖3給出了不同開挖方法模型的右洞應力云圖對比分析，由圖3可見:一次貫通的最大拉應力為1.25 MPa，交錯開挖的最大拉應力為 1.31 MPa，相對大小差別不大;一次貫通的最大壓應力為3.70 MPa，交錯開挖的最大壓應力為6.92 MPa，交錯開挖比一次貫通大47%;一次貫通的主要拉應力(占10.1%)為 0.481 MPa，交錯開挖的主要拉應力(占16.7%)為 0.491 MPa，相對大小差別不大;一次貫通的主要壓應力(占14.3%)為0.607 MPa，交錯開挖的主要壓應力(占23.2%)為0.882 MPa，交錯開挖比一次貫通大31.1%。

圖2 一次貫通法中隔墻平均應力變化云圖(單位:kPa)

圖3 二襯平均應力變化云圖(單位:kPa)

圖4給出了不同開挖方法模型的左洞應力云圖對比分析，由圖4可見:一次貫通的最大拉應力為0.085 MPa，交錯開挖的最大拉應力為 0.455 MPa，交錯開挖比一次貫通開挖大81%;一次貫通的最大壓應力為0.118 MPa，交錯開挖的最大壓應力為4.614 MPa，交錯開挖比一次貫通大97%;一次貫通的主要拉應力(占13.3%)為 0.047 MPa，交錯開挖的主要拉應力(占62%)為0.158 MPa，交錯開挖比一次貫通大70%，且所占百分比也大很多;一次貫通的主要壓應力(占13.2%)為 0.010 MPa，交錯開挖的主要壓應力(占4.7%)為0.653 MPa，交錯開挖比一次貫通大98%，但所占百分比要稍小一些。

圖4 左洞二襯平均應力變化云圖(單位:kPa)

2.2.3 位移對比分析

圖5給出了不同開挖方法模型的左洞位移變化云圖對比分析，由圖5可見:一次貫通與交錯開挖方法的整體位移變化趨勢相差不大，兩者的最大位移都發(fā)生在左洞的洞口位置。一次貫通拱頂最大沉降為2.85 cm，交錯開挖的拱頂最大沉降為2.76 cm。差別不大，交錯開挖稍微小點。一次貫通拱底最大隆起為2.08 cm，交錯開挖的拱底最大隆起為2.06 cm。差別不大，交錯開挖稍微小點。

圖5 左洞豎向位移變化云圖(單位:m)

2.3 基于三維(3D)數(shù)值模擬分析的施工建議

通過對奔龍坪隧道進行的三維數(shù)值模擬試驗，并考慮地表偏壓的影響，討論兩種不同開挖方案時隧道結構的應力以及位移情況，可以看出，就中隔墻的受力分析以及隧道的位移變化而言，兩種開挖方案的差別不大。但從二襯的受力狀況看，尤其是左洞二襯的受力狀況看，采用右幅正洞貫通后再施工左幅正洞方案，二襯的受力狀態(tài)要優(yōu)于采用交錯開挖法時二襯受力狀況。因此，在不考慮兩洞爆破影響時，由于地層偏壓影響，采用“中導洞開挖→右幅正洞開挖→左幅正洞開挖，右幅正洞貫通后再施工左幅正洞”方案二襯的受力狀態(tài)要優(yōu)于采用交錯開挖法時二襯受力狀況。因此目前采用該方案組織施工。

根據(jù)目前施工揭示地質條件和巖層出露情況分析，隧道左幅圍巖整體性差，右幅貫通襯砌完成后進行左幅開挖中，工程將采用由左向右分塊起爆的弱爆破來配合人工開挖，爆破時將嚴格控制炮眼深度及裝藥量，各部開挖循環(huán)進尺控制在0.5 m左右。同時在施工過程中將加強爆破震動監(jiān)測，做到一炮一檢，嚴格按設計圖紙要求，將爆破振動速度控制在規(guī)范和圖紙要求的范圍之內(nèi)，確保右幅已完成襯砌結構的安全。

但由于隧道埋深淺，且處于偏壓狀態(tài)，考慮爆破振動影響、工程地質條件及水文地質條件的變化等的影響［14－15］，施工中我集團公司將加強隧道的施工監(jiān)測;強化施工中的襯砌受力監(jiān)測，確保施工安全及二次襯砌結構的質量和安全。

3 結論

通過對奔龍坪隧道進行三維數(shù)值模擬試驗，并考慮地表偏壓的影響，討論兩種不同開挖方案時隧道結構的應力以及位移情況，可以得出如下結論:

(1)從中隔墻的受力分析以及隧道的位移變化可以看出兩種開挖方案的差別不大。

(2)從二襯的受力狀況看，尤其是左洞二襯的受力狀況看，采用右幅正洞貫通后再施工左幅正洞方案，二襯的受力狀態(tài)要優(yōu)于采用交錯開挖法時二襯受力狀況。

綜上所述，在不考慮兩洞爆破影響時，由于地層偏壓影響，采用“中導洞開挖→右幅正洞開挖→左幅正洞開挖，右幅正洞貫通后再施工左幅正洞”方案二襯的受力狀態(tài)要優(yōu)于采用交錯開挖法時二襯受力狀況。

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