錢文斐

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

0 前言

某城市隧道功能定位為機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道服務(wù)，其中機(jī)動(dòng)車道采用3車道，設(shè)計(jì)速度為40km/h，隧道開挖凈寬度約16m，考慮到隧道如采用分離形式，不僅拆遷量及占地量較大進(jìn)而影響到居民的生活，而且不利于城市景觀，故該隧道采用超小凈距形式，中夾巖寬度約6m（0.375倍開挖寬度）。本文擬通過對(duì)V級(jí)圍巖條件下的施工過程模擬分析，探究施工過程中中夾巖、支護(hù)的受力性能及圍巖的變形趨勢(shì)，并且通過對(duì)承載拱形成的分析，推導(dǎo)出中夾巖及二次襯砌的受力模型，以更好地為小凈距隧道的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 邊界條件

為避免邊界條件過小造成對(duì)模擬過程的失真，參照目前大多學(xué)者對(duì)邊界的選取原則，此模擬圍巖范圍取開挖范圍外3D(毛洞開挖寬度)，同時(shí)左、右側(cè)邊界采用水平固定支座、底面邊界采用豎向固定支座。

1.2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

Ⅴ級(jí)圍巖物理力學(xué)參數(shù)取現(xiàn)行《規(guī)范》提供的參考值的中值，圍巖本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型。

1.3 施工工序

該隧道采用左、右主洞均采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法以確保隧道施工安全及盡可能減少對(duì)中夾巖的擾動(dòng)，具體施工工序如圖1所示、表1所列。

2 分析與研究

2.1 圍巖變形性能

小凈距隧道圍巖的穩(wěn)定性能主要受拱頂下沉值及中夾巖水平位移值的影響，因此重點(diǎn)針對(duì)以上兩處圍巖變形值進(jìn)行分析。

2.1.1主洞拱頂下沉

由圖2中反映得知：左洞拱頂下沉值在工況10~13，17~18、右洞拱頂在工況14~18增大趨勢(shì)較為明顯。這說明左、右洞拱頂在各自中導(dǎo)洞開挖支護(hù)過程中及臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)圍巖變形較大。這一變化規(guī)律較容易理解，但需指出的是，對(duì)于臨時(shí)支護(hù)的拆除過程需密切關(guān)注拱頂下沉的監(jiān)測(cè)，并禁止較大范圍同時(shí)拆除臨時(shí)支護(hù)，這要求在拆除部分臨時(shí)支護(hù)后應(yīng)及時(shí)施作二襯，只有二襯強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可繼續(xù)拆除臨時(shí)支護(hù)。

左洞拱頂最終下沉值大于右洞拱頂，這是因?yàn)樽蠖礊橄刃卸?，后行洞右洞開挖時(shí)會(huì)對(duì)左洞拱頂產(chǎn)生疊加效應(yīng)，因此在施工過程中對(duì)左洞拱頂下沉的監(jiān)測(cè)相對(duì)右洞而言更為重要。

2.1.2中夾巖水平位移

由圖3中反映可知：左側(cè)中夾巖水平位移值在工況2~10,17~18、右側(cè)中夾巖在工況4~10、17~18變化趨勢(shì)平緩。而左、右側(cè)中夾巖在工況10~17存在一個(gè)完全相反的變化趨勢(shì)。左側(cè)在工況10~14逐漸增大，在工況14~17逐漸減小。而右側(cè)在工況10~13逐漸減小，而在工況13~17逐漸增大。

經(jīng)分析認(rèn)為：在工況10~14過程中，左洞中導(dǎo)洞在進(jìn)行開挖，而右洞尚未開挖，因此左側(cè)中導(dǎo)洞的開挖對(duì)于左側(cè)中夾巖而言增加臨空范圍，中夾巖有向左發(fā)生變形的趨勢(shì)，所以當(dāng)中夾巖整體向左發(fā)生位移時(shí)，右側(cè)相對(duì)位移必然減小。在工況14~17過程中右洞中導(dǎo)洞進(jìn)行開挖，相對(duì)于前工況，右側(cè)中導(dǎo)洞的開挖對(duì)于右側(cè)中夾巖而言增加臨空范圍，則中夾巖便有向右發(fā)生變形的趨勢(shì)，于是左側(cè)中夾巖水平位移減小，而右側(cè)增大。

圖1 施工工序示意圖

表1 施工工序過程一覽表

圖2 拱頂下沉變化曲線圖

圖3 中夾巖水平位移變化曲線圖

此外，位移變化曲線還反映出臨時(shí)支護(hù)的拆除對(duì)中夾巖的變性影響不大。

2.2 支護(hù)受力性能

小凈距隧道支護(hù)的穩(wěn)定性能主要受拱頂及中夾巖處支護(hù)內(nèi)力及對(duì)拉錨桿受力的影響，因此重點(diǎn)針對(duì)以上三處內(nèi)力值進(jìn)行分析。

2.2.1中夾巖處初期支護(hù)內(nèi)力

由圖4中反映可知：左洞工況4~9、14~18、右洞工況5~13中夾巖初期支護(hù)軸力增大趨勢(shì)較緩，左洞工況9~13、右洞工況13~18軸力增大趨勢(shì)較大。這說明在各主洞中導(dǎo)洞開挖過程中中夾巖處初期支護(hù)內(nèi)力變化較大。左側(cè)中夾巖初期支護(hù)內(nèi)力值在開挖過程中始終大于右側(cè)，左側(cè)中夾巖處最終初期支護(hù)軸力比右側(cè)大約18%。經(jīng)分析認(rèn)為：左洞為先行洞，在施工中不僅承受自身圍巖的壓力，且由于兩主洞間距過小，后行洞開挖過程中圍巖的變形不可避免影響到先行洞，從而使得先行洞的初期支護(hù)也承擔(dān)了部分后行洞圍巖變形所產(chǎn)生的內(nèi)力。

圖4 中夾巖處初期支護(hù)內(nèi)力變化曲線圖

2.2.2拱頂處初期支護(hù)內(nèi)力

由圖5中反映可知：左洞工況11~13、右洞工況15~17拱頂初期支護(hù)內(nèi)力增大趨勢(shì)明顯，這說明在各主洞中導(dǎo)洞開挖過程中拱頂處初期支護(hù)內(nèi)力變化較大。其中左洞拱頂初期支護(hù)內(nèi)力變化占整個(gè)施工階段的67%，右洞變化占到87%。且右洞拱頂初期支護(hù)內(nèi)力增長幅度大于左洞。

圖5 拱頂處初期支護(hù)內(nèi)力變化曲線圖

左洞拱頂初期支護(hù)內(nèi)力始終大于右洞，這一規(guī)律同中夾巖處初期支護(hù)內(nèi)力變化，左洞拱頂最終初期支護(hù)內(nèi)力比右洞大約6.7%，分析原因同上。這兩者從理論上說明對(duì)于左洞的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)強(qiáng)于右洞，而目前小凈距隧道的設(shè)計(jì)思路為左、右洞初期支護(hù)參數(shù)相同，因此設(shè)計(jì)中主洞初期支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)參照左洞初期支護(hù)。

2.2.3對(duì)拉錨桿內(nèi)力

由圖6中反映可知：工況4~5中夾巖對(duì)拉錨桿軸力突然增大、而工況14~18中夾巖錨桿軸力趨勢(shì)明顯減小。這說明對(duì)拉錨桿在進(jìn)入工作狀態(tài)后直到右洞中導(dǎo)洞開挖時(shí)，其受力性狀變化很??；而自右洞中導(dǎo)洞支護(hù)后直至施工結(jié)束，從力學(xué)性能而言，對(duì)拉錨桿對(duì)中夾巖的約束作用逐漸減小。這是因?yàn)橛叶粗袑?dǎo)洞的開挖后的支護(hù)改變了圍巖及支護(hù)體系的受力不均衡狀態(tài)，這一變化規(guī)律從中夾巖左、右側(cè)的水平位移變化曲線也同樣反映出來。但整體降低程度并不明顯，僅降低約6.67%。

2.3 中夾巖最大主應(yīng)力

由于中夾巖是小凈距隧道的“核心”區(qū)域，因此這次分析其最大主應(yīng)力的變化情況。

圖6 對(duì)拉錨桿軸力變化曲線圖

由圖7中反映可知：工況10~16中夾巖最大主應(yīng)力增長幅度相對(duì)較大，且中夾巖最大主應(yīng)力方向幾乎為垂直向下，這說明在左、右洞中導(dǎo)洞開挖支護(hù)過程中，中夾巖所承受的壓力呈較快增長，增長的幅度約占總增長幅度的75%。經(jīng)分析認(rèn)為，這是因?yàn)樽?、右洞中?dǎo)洞的開挖使得左、右洞分別形成各自的承載拱，而中夾巖頂部則作為承載拱的拱腳，從而大大增加了中夾巖的所承受的壓力。這一方面要求在左、右洞中導(dǎo)洞開挖過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)中夾巖內(nèi)力的監(jiān)測(cè)，另一方面設(shè)計(jì)中應(yīng)采取必要措施提高中夾巖承受壓力的能力。

圖7 中夾巖最大主應(yīng)力變化曲線圖

2.4 中夾巖及襯砌受力模型

在此模擬中初始應(yīng)力中僅考慮圍巖的自重而不考慮地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，因此開挖前主應(yīng)力方向分別為水平方向及豎直方向。開挖過程中，圍巖主應(yīng)力方向隨著洞身的開挖逐步改變方向。待隧道施工結(jié)束，由圍巖應(yīng)力圖可以看出，兩側(cè)主洞開挖輪廓附近主應(yīng)力方向幾乎平行于開挖輪廓，在中夾巖頂處呈大角度幾乎正交，如圖8所示。這說明作用于兩側(cè)承載拱范圍內(nèi)的圍巖壓力將通過承載拱部分作用于中夾巖頂部，中夾巖的受力特性類似為連拱隧道中墻。因此，中夾巖的受壓性能決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性，這要求設(shè)計(jì)中必須增強(qiáng)中夾巖的抗壓強(qiáng)度。

左、右洞形成的承載拱高度相近，均約8m，承載拱范圍內(nèi)圍巖壓力將由承載拱及隧道襯砌共同承擔(dān)，理論上當(dāng)圍巖為各向同性連續(xù)介質(zhì)，則隧道深淺埋的臨界深度為8m。但考慮到實(shí)際圍巖受節(jié)理、裂隙及開挖擾動(dòng)影響，巖體之間聯(lián)系遠(yuǎn)不如理想狀態(tài)下那樣緊密，承載拱的高度將比理論值大很多。因此建議設(shè)計(jì)中一方面可適當(dāng)提高承載拱高度，另一方面為確保襯砌結(jié)構(gòu)安全，圍巖自承作用作為安全儲(chǔ)備僅考慮襯砌的支撐作用。建議小凈距隧道中夾巖及二次襯砌的內(nèi)力分析如圖9、圖10所示的模型進(jìn)行分析，從而可驗(yàn)證中夾巖及二次襯砌的承載能力是否能滿足要求。

圖8 中夾巖最大主應(yīng)力方向示意圖

圖9 中夾巖及二次襯砌受力模型一

圖10 中夾巖及二次襯砌受力模型二

3 結(jié)論

（1）在施工過程中，先行洞拱頂部位的下沉量、初期支護(hù)內(nèi)力均大于后行洞，因此施工中先行洞相對(duì)后行洞而言的監(jiān)測(cè)工作更為重要。

（2）從理論上而言，目前小凈距隧道主洞均采用相同的初期支護(hù)的參數(shù)比較浪費(fèi)，后行洞的初期支護(hù)參數(shù)根據(jù)監(jiān)測(cè)成果可以適當(dāng)降低。

（3）主洞中導(dǎo)洞的開挖及支護(hù)過程是小凈距隧道施工過程中的重點(diǎn)工序，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以確保施工安全。

（4）中夾巖在施工過程中主要承受壓應(yīng)力，對(duì)于硬巖而言，由于其抗壓能力較強(qiáng)，其穩(wěn)定性主要受節(jié)理、裂隙影響，因此采用注漿進(jìn)行充填，加強(qiáng)巖體之間的聯(lián)系，充分利用圍巖的抗壓能力，同時(shí)對(duì)拉錨桿改變了中夾巖的受力狀態(tài)，形成了阻礙中夾巖變形的“側(cè)限”。對(duì)于軟巖而言，由于其抗壓能力較弱，對(duì)拉錨桿與巖體之間的摩擦力所起到的“加筋”作用對(duì)中夾巖的約束作用可改善中夾巖抗壓能力弱的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中可增加對(duì)拉錨桿以增強(qiáng)中夾巖的穩(wěn)定性。

（5）中夾巖頂部的圍巖的整體性及穩(wěn)定性對(duì)中夾巖及二次襯砌的受力性能有密切關(guān)系，如中夾巖頂部圍巖整體穩(wěn)定性較差，則會(huì)在左、右洞之間形成一個(gè)大拱，中夾巖及二次襯砌的的受力將大大增加，如圖10所示。因此建議在以后的設(shè)計(jì)中中夾巖的頂部可考慮采用加固措施以利于二次襯砌及中夾巖的受力。

4 結(jié)語

本文從理論上對(duì)V級(jí)圍巖條件下小凈距隧道開挖過程進(jìn)行了分析與研究，其計(jì)算結(jié)果數(shù)值與實(shí)際數(shù)值可能存在較大差異，但反映的是支護(hù)及圍巖體系的變形及內(nèi)力變化的一種趨勢(shì)，這將對(duì)施工過程有一定的參考價(jià)值。

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