馬敬夫

(中交第四公路工程局有限公司， 北京市 100022)

1 概述

小凈距隧道是指相鄰隧洞的間隔巖壁厚度小于規(guī)范中獨(dú)立雙洞的最小凈距要求，布置形式較為特殊的一種隧道。其設(shè)計(jì)和施工技術(shù)難點(diǎn)為：小凈距隧道合適凈距的確定，支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的選定，不同地質(zhì)條件各施工方法的比較和確定，兩隧洞施工時(shí)的相互影響，以及中夾巖加固技術(shù)等。針對這類問題，中國國內(nèi)很多學(xué)者已經(jīng)開始了探索，如戴俊等對小凈距隧道的施工方法進(jìn)行了模擬研究;羅玉虎等對小凈距隧道施工力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究;龔建伍等對小凈距隧道施工方案進(jìn)行了優(yōu)化分析等。但是地質(zhì)條件千差萬別導(dǎo)致不同實(shí)際工程必須進(jìn)行實(shí)事求是的研究。

該文依托福州繞城項(xiàng)目隧道，全長為879 m，高度為8.255 m，含仰拱的總高度為10.5 m，最大開挖寬度達(dá)16.792 m，位于兩個(gè)斷裂帶中間的次級斷塊。隧道洞口從內(nèi)向外依次為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，中部的斷層為60 m Ⅳ、Ⅴ級圍巖，剩余都是凝灰熔巖的Ⅲ級圍巖。兩個(gè)獨(dú)立雙洞的最小距離為24.6 m，小于規(guī)范要求的Ⅲ級圍巖2B、Ⅳ級圍巖2.5B、Ⅴ級圍巖3.5B(B為開挖斷面的寬度)，屬于小凈距隧道。由于隧道大部分巖層傾向與縱向軸向夾角較小，存在施工難度大、易于塌方、控制難度大等問題。

針對依托工程特殊的地質(zhì)條件，該文采用 “開挖卸載模擬方法”對地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行模擬分析，采用“施加虛擬支撐力逐步釋放法” 對施工全過程應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行模擬分析，應(yīng)用Ansys開發(fā)施工過程施加虛擬的支撐力命令數(shù)據(jù)流，并自動(dòng)完成對地應(yīng)力逐步釋放的過程分析，且采用單元對施工各個(gè)工序進(jìn)行過程模擬分析。以兩腰收斂和拱頂沉降為監(jiān)控量測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證施工方案的最優(yōu)性，從而選取最優(yōu)的實(shí)施方案，以科學(xué)指導(dǎo)施工，保障施工安全。

2 隧道Ⅴ級圍巖不同開挖方法的模擬

針對Ⅴ級圍巖，根據(jù)3種可行的工法：單側(cè)壁導(dǎo)洞法(圖1)、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法(圖2)、CD法(圖3)，使用Ansys軟件，分別建立有限元分析模型(圖4)，進(jìn)行施工過程模擬，通過分析不同工法的圍巖應(yīng)變和應(yīng)力，比選小凈距隧道Ⅴ級圍巖最科學(xué)的工法。圖1～3中，所標(biāo)數(shù)字為各施工方案的施工工序。

圖1 單側(cè)導(dǎo)坑法

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

圖3 CD法

圖4 有限元計(jì)算網(wǎng)格圖

(1) 單側(cè)導(dǎo)坑法工序：① 右側(cè)先行導(dǎo)坑開挖；② 右側(cè)錨噴支護(hù)；③ 左側(cè)開挖；④ 左側(cè)錨噴支護(hù)；⑤ 左側(cè)導(dǎo)坑開挖；⑥ 左側(cè)錨噴支護(hù)；⑦ 右側(cè)開挖；⑧ 右側(cè)錨噴支護(hù)；⑨ 全斷面襯砌完成。

(2) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工序：① 右側(cè)導(dǎo)坑開挖；② 右側(cè)導(dǎo)坑錨噴支護(hù)；③ 左側(cè)導(dǎo)坑開挖；④ 左側(cè)導(dǎo)坑錨噴支護(hù)；⑤ 中間上導(dǎo)坑開挖；⑥ 中間上導(dǎo)坑錨噴支護(hù)；⑦ 中間下導(dǎo)坑開挖；⑧ 中間下導(dǎo)坑錨噴支護(hù)；⑨ 上臺階開挖；⑩ 上臺階錨噴支護(hù)；下臺階開挖；下臺階錨噴支護(hù)；全斷面襯砌完成。

(3) CD法工序：① 右側(cè)上導(dǎo)洞開挖；② 右側(cè)上導(dǎo)洞錨噴支護(hù)；③ 右側(cè)下導(dǎo)洞開挖；④ 右側(cè)下導(dǎo)洞錨噴支護(hù)；⑤ 左側(cè)上導(dǎo)洞開挖；⑥ 左側(cè)上導(dǎo)洞錨噴支護(hù)；⑦ 左側(cè)下導(dǎo)洞開挖；⑧ 左側(cè)下導(dǎo)洞錨噴支護(hù)；⑨ 上臺階開挖；⑩ 上臺階錨噴支護(hù)；下臺階開挖；下臺階錨噴支護(hù)；全斷面襯砌完成。

小凈距隧道施工的彈塑性動(dòng)態(tài)過程分析中，考慮了材料的非線性，以真實(shí)模擬巖石、混凝土和土體等材料。由數(shù)據(jù)表輸入材料特性值，輸入值為3個(gè)：內(nèi)摩擦角(φ)、黏聚力(c)、膨脹角(φf)。膨脹角φf用來指示體積膨脹大小，該文對Ⅴ級圍巖采用保守方法，不考慮膨脹角φf的影響，即其取值為0。

依據(jù)施工圖設(shè)計(jì)文件，確定圍巖、混凝土的力學(xué)參數(shù)，有限元計(jì)算的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 采用有限元計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

由設(shè)計(jì)文件可知：該隧道Ⅴ級圍巖兩洞的凈距為11 m、單洞的跨徑為15.60 m、掌子面的開挖高度為11.67 m、初噴厚25 cm、仰拱厚40 cm，依據(jù)數(shù)據(jù)構(gòu)建Ansys模型，錨桿的長度為3.5 m、直徑為2.5 cm、環(huán)向間距為1.0 m，其中，地質(zhì)破碎帶夾巖采用超前小導(dǎo)管的方式注漿加固，模擬計(jì)算時(shí)使用直徑3.0 cm錨桿替換。模型的下邊界取值52 m，左右的邊界均取值62 m，上邊界取值淺埋39 m。對模型使用施加約束法建立邊界條件， 使用加固定支座法約束模型底面自由度，使用滑動(dòng)支座法約束隧道平行走向兩側(cè)水平自由度，放任垂直自由度，從而仿真模擬隧道拱頂?shù)某两颠^程。

實(shí)際隧道開挖時(shí)，洞內(nèi)位移觀測點(diǎn)常規(guī)布置一般如圖5所示，因此，該文也選取這些點(diǎn)示出其有限元計(jì)算結(jié)果。

圖5 拱頂沉降和水平收斂測點(diǎn)布置圖

按3種施工方法模擬的拱頂沉降和水平收斂位移量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 3種開挖方法的拱頂沉降和水平收斂位移

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 單側(cè)壁導(dǎo)坑法

從表2可以看出：

(1) 單側(cè)壁導(dǎo)坑施工法，在隧道左洞掌子面完成支護(hù)(工序③)時(shí)，拱頂沉降a為-7.92 mm，c點(diǎn)沉降為-9.88 mm，b點(diǎn)的位移相對較小。左洞右邊墻的a2水平方向位移相對較大，累計(jì)達(dá)到-8.79 mm，但均小于規(guī)范要求累計(jì)100 mm。

(2) 左洞掌子面開挖支護(hù)(工序⑤)完成后，拱頂下沉a點(diǎn)變化最大，為-16.48 mm，隧道拱頂左側(cè)的c點(diǎn)變化值相對較大，為-14.77 mm，右側(cè)的b點(diǎn)變化位移較小。左洞右側(cè)水平向位移值較小，a2水平向的位移值為-8.14 mm,a1水平向的位移值為10.56 mm，兩側(cè)水平位移越來越趨于平緩。右洞的內(nèi)側(cè)導(dǎo)坑完成支護(hù)(工序①)時(shí)，左洞a點(diǎn)的拱頂沉降變?yōu)?19.64 mm，其他兩點(diǎn)(c、b)沉降分別為-15.61、-16.86 mm。右洞d點(diǎn)沉降量為-16.33 mm，f點(diǎn)沉降量為-12.43 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

(3) 隧道右洞的全斷面開挖完成(工序⑨)時(shí)，左洞拱頂?shù)腶點(diǎn)最大沉降量為-21.26 mm，右洞的d點(diǎn)最大沉降量為-22.78 mm，經(jīng)分析，右洞最終的沉降量要大于左洞。左洞右洞水平向位移整體趨于對稱分布，數(shù)值也趨于接近，a1點(diǎn)的水平向位移最終為10.52 mm，a2為-7.37 mm，a3為10.33 mm，a4為-11.66 mm，但均小于規(guī)范要求100 mm。

3.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

由表2可知：

(1) 左洞內(nèi)側(cè)的平行導(dǎo)坑支護(hù)完畢(工序③)時(shí)，內(nèi)側(cè)拱部的c點(diǎn)沉降值為-3.58 mm。左洞右邊墻a2點(diǎn)的水平位移相對較大，為-4.81 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

(2) 隧道的左洞外側(cè)支護(hù)完畢(工序⑤)時(shí)，拱頂b點(diǎn)沉降量為-4.75 mm，拱頂c點(diǎn)沉降量為-4.38 mm。左洞a2的水平位移變?yōu)?5.41 mm，a1點(diǎn)水平位移為2.08 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

(3) 左洞上臺階支護(hù)完成(工序⑦)時(shí)，左洞a點(diǎn)拱頂沉降最大為-10.21 mm，其他兩個(gè)觀測點(diǎn)(b、c)的沉降值也有不同增加，分別為-6.48、-6.12 mm，水平位移的數(shù)值變小，均小于規(guī)范要求100 mm。

(4) 左洞全斷面開挖全部完成后(工序⑨)，左洞a點(diǎn)拱頂沉降值為-12.21 mm，拱頂?shù)腷、c兩點(diǎn)沉降值分別為-8.61、-8.22 mm，相對平衡。左右洞水平位移值分別為-1.09、-3.41 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

3.3 CD法

由表2可知：

(1) 隧道左洞的內(nèi)側(cè)上導(dǎo)坑完成初期支護(hù)后(工序③)，右側(cè)拱部的c點(diǎn)沉降量為-4.88 mm，拱頂a點(diǎn)沉降值為-4.48 mm,左側(cè)的拱頂沉降變化較小，左洞的右邊墻a2水平向位移量變化不明顯，為-1.79 mm，小于規(guī)范要求100 mm。

(2) 隧道的左洞內(nèi)側(cè)支護(hù)完畢時(shí)(工序⑤)，拱部右邊的c點(diǎn)沉降量達(dá)到最大，為-5.41 mm，拱頂?shù)腶點(diǎn)變化很小。左洞右側(cè)的水平位移變大，為-3.55 mm，小于規(guī)范要求100 mm。

(3) 隧道左洞外側(cè)開挖上導(dǎo)坑支護(hù)完成時(shí)(工序⑦)，左洞拱頂沉降a點(diǎn)變?yōu)?.69 mm，拱部兩腰兩點(diǎn)沉降增幅相對較大，分別為-8.48、-7.83 mm，小于規(guī)范要求100 mm。水平向位移值變化相對不大。

(4) 隧道整個(gè)斷面開挖完成后(工序⑨)，左洞拱頂a點(diǎn)的沉降為-9.91 mm，拱頂b、c兩處沉降為-9.33、-7.85 mm。水平方向位移、左洞洞壁兩側(cè)水平向位移為3.37、-3.05 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

3.4 3種施工方法模擬結(jié)果比較

(1) 從水平收斂位移來看，單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工產(chǎn)生的位移量最大，其次是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，CD法施工水平位移量最小，而且各測點(diǎn)的位移量不盡相同。

(2) 從拱頂3點(diǎn)沉降值來看，單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工產(chǎn)生的位移量最大，其次是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，CD法施工產(chǎn)生的拱頂位移量最小，而且拱頂a、d測點(diǎn)的位移量最大。

4 施工過程實(shí)測結(jié)果分析

福州繞城項(xiàng)目隧道實(shí)際施工采用的是CD法開挖,施工過程中對洞內(nèi)位移進(jìn)行了監(jiān)測。圍巖水平收斂位移及拱頂沉降位移見表3。

表3 CD法實(shí)測拱頂沉降位移和水平收斂位移

由表3可知：

(1) 隧道左洞的內(nèi)側(cè)上導(dǎo)坑完成初期支護(hù)后(工序③)，右側(cè)拱部的c點(diǎn)沉降量為-4.95 mm，拱頂a點(diǎn)沉降值為4.40 mm,左側(cè)的拱頂沉降變化較小，左洞的右邊墻a2水平向位移量變化不明顯，為-1.81 mm，小于規(guī)范要求的100 mm。

(2) 隧道的左洞內(nèi)側(cè)支護(hù)完成時(shí)(工序⑤)，拱部右邊的c點(diǎn)沉降量達(dá)到最大，為-5.50 mm，拱頂?shù)腶點(diǎn)變化很小。左洞右側(cè)的水平位移變大，為-3.70 mm，小于規(guī)范要求100 mm。

(3) 隧道左洞外側(cè)開挖上導(dǎo)坑支護(hù)完成時(shí)(工序⑦)，左洞拱頂沉降a點(diǎn)變?yōu)?8.61 mm，拱部兩腰兩點(diǎn)(b、c)沉降增幅相對較大，分別為-6.90、-7.50 mm，小于規(guī)范要求100 mm。水平向位移值變化相對不大。

(4) 隧道整個(gè)斷面開挖完成后(工序⑨)，左洞拱頂a點(diǎn)沉降為-9.90 mm，b、c兩處沉降為-8.70、-7.75 mm。水平方向位移、左洞洞壁兩側(cè)水平向位移為3.34、-3.11 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

對比表2、3可知：經(jīng)理論值和實(shí)測值對比，CD法開挖大斷面、小凈距隧道，可以較好地控制沉降和水平位移，更接近理論計(jì)算模擬的過程分析，可以較好地指導(dǎo)隧道全過程施工，以此為依據(jù)可以更好地防控隧道安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

以福州繞城項(xiàng)目大斷面、小凈距隧道施工實(shí)例為依托，采用有限元軟件Ansys建立實(shí)體模型，針對Ⅴ級圍巖條件，分別以單側(cè)壁導(dǎo)洞法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法、CD法3種施工方法進(jìn)行施工模擬，通過施工全過程中拱頂3點(diǎn)的沉降以及周邊收斂數(shù)據(jù)的對比分析可知：對于Ⅴ級圍巖的大斷面、小凈距隧道施工，采取CD法比較合適，安全性較好，可以有效規(guī)避隧道施工過程的高風(fēng)險(xiǎn)。其次為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。對于單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，位移數(shù)值變化較大，安全性較差，經(jīng)濟(jì)投入也大，應(yīng)盡量避免采用。