王云龍，譚忠盛，陳 鷹

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程系，北京 100044;2.中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

1 前言

小間距隧道開(kāi)挖支護(hù)導(dǎo)致兩隧道間巖土體的移動(dòng)方向不一樣，相互影響作用劇烈，較之標(biāo)準(zhǔn)分離式隧道，其應(yīng)力重分布更加復(fù)雜，多次擾動(dòng)使得巖石容易發(fā)生失穩(wěn)，因此特別需要研究以找到合理的開(kāi)挖支護(hù)方法和支護(hù)措施。在我國(guó)，小間距隧道的出現(xiàn)和研究較晚，目前還沒(méi)有較明確的規(guī)范，仍處于邊施工邊探討的總結(jié)階段，理論研究滯后于工程建設(shè)需求的發(fā)展[1～3]。陳先國(guó)等利用有限元分析兩平行近距離隧道施工的力學(xué)行為，初步探討了小間距隧道地表和拱頂?shù)南鲁烈?guī)律[4];靳曉光等利用數(shù)值模擬分析了小間距隧道同一開(kāi)挖方法不同支護(hù)形式下圍巖變形特征，認(rèn)為同一開(kāi)挖方法時(shí)采用不同支護(hù)形式對(duì)圍巖變形影響不大，但該結(jié)論只局限于相應(yīng)工程[5];秦峰結(jié)合數(shù)值模擬及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)凈距5 m左右的小間距隧道進(jìn)行分析，給出了不同圍巖條件下隧道開(kāi)挖方法的建議，有較大的參考價(jià)值[6];李云鵬等對(duì)不同圍巖類(lèi)別小間距隧道的施工過(guò)程進(jìn)行模擬研究，通過(guò)中隔墻的變形與塑性破壞規(guī)律分析，比選出了三車(chē)道隧道中隔墻最小間距的工程設(shè)計(jì)參考值[7];龔建伍等通過(guò)對(duì)淺埋小間距隧道圍巖壓力的解析和實(shí)測(cè)，分析了小間距隧道的圍巖壓力特征[8，9]。近些年來(lái)對(duì)于小間距隧道理論及施工方法的探索較多，且都具有較大的意義，但小間距隧道因其圍巖、間距的不同存在較多的差別，青島膠州灣海底隧道團(tuán)島段小間距隧道最小間距為25 cm，且兩隧道斷面大小不一，這種超小間距不對(duì)稱(chēng)隧道鮮有實(shí)例，因此對(duì)其施工過(guò)程中的穩(wěn)定性控制方法進(jìn)行總結(jié)對(duì)小間距隧道的設(shè)計(jì)和施工有較大的借鑒意義。

2 工程概況

青島膠州灣海底隧道團(tuán)島段大斷面處小間距隧道的剖面圖如圖1所示。小間距隧道的最小間距為25 cm，對(duì)于如此小的間距，維護(hù)施工期間中間巖柱的穩(wěn)定性以及兩隧道上覆巖層的穩(wěn)定性都是較為重大的課題。

隧道左洞寬 15.82 m，高 11.89 m，右洞寬11.8 m，高9.67 m，該斷面所處地勢(shì)較平坦，覆蓋層主要為雜填土及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，隧道埋深16～19 m。隧道上部到地表共18 m，其中第一層為2.5 m的雜填土，其下為強(qiáng)風(fēng)化巖石，隧道圍巖裂隙較為發(fā)育，裂隙被泥質(zhì)膠結(jié)物充填，遇水強(qiáng)度降低嚴(yán)重。根據(jù)小間距隧道的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，率先對(duì)隧道左洞進(jìn)行開(kāi)挖，在左洞行進(jìn)30 m后右洞開(kāi)始施工。鑒于文獻(xiàn)[9]中先行洞受后行洞影響較大的計(jì)算結(jié)果，對(duì)兩隧道尤其是先行洞進(jìn)行了較強(qiáng)的支護(hù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖如圖2和圖3所示。設(shè)計(jì)中為控制圍巖穩(wěn)定性采取的最主要措施即為先行洞布設(shè)間距為40 cm的φ108大管棚，后行洞布設(shè)環(huán)向間距40 cm的φ42超前小導(dǎo)管。

圖1 小間距隧道剖面圖Fig.1 Profile of the tunnel

圖2 先行洞的支護(hù)參數(shù)Fig.2 Support parameters of the first-excavation tunnel

圖3 后行洞的支護(hù)參數(shù)Fig.3 Support parameters of the after-excavation tunnel

3 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)

利用以上支護(hù)參數(shù)，對(duì)先行洞采用三臺(tái)階法進(jìn)行施工，前進(jìn)30 m后對(duì)后行洞利用中隔壁法(CD)施工，但后行洞開(kāi)挖后因掌子面巖過(guò)于破碎，加之監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示后行洞左側(cè)拱腰圍巖壓力較大，立即對(duì)掌子面進(jìn)行封閉。選取剛剛進(jìn)入小間距時(shí)斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖4～圖8所示。

圖4 先行洞圍巖壓力歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.4 Rock pressure of the first-excavation tunnel

圖5 先行洞拱架鋼筋應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.5 Steel stress of the first-excavation tunnel

圖6 后行洞圍巖壓力歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.6 Rock pressure of the after-excavation tunnel

圖7 后行洞鋼筋應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.7 Steel stress of the after-excavation tunnel

圖8 圍巖壓力分布特征(單位:kPa)Fig.8 Distribution characteristic ofrock pressure(unit:kPa)

通過(guò)以上圖示可以看出如下幾點(diǎn)。

1)先行洞的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在施工20 m(2倍洞徑)左右后，監(jiān)測(cè)斷面的圍巖壓力結(jié)果與鋼拱架鋼筋應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定階段，穩(wěn)定后圍巖壓力基本呈現(xiàn)左右兩拱腰處最大，拱頂次之，邊墻壓力最小的狀態(tài)，而鋼筋應(yīng)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果與圍巖壓力結(jié)果基本符合。穩(wěn)定時(shí)的圍巖壓力最大值為90 kPa，鋼拱架最大軸力為103 MPa，圍巖壓力較小，鋼拱架鋼筋處于安全狀態(tài)，可見(jiàn)在較強(qiáng)的支護(hù)前提下，先行洞的進(jìn)洞過(guò)程是安全的。

2)后行洞施工后，先行洞各處圍巖壓力均發(fā)生變化，邊墻處變化不顯著，其中變化最明顯處為右側(cè)拱腰，在15 d內(nèi)圍巖壓力增加30 kPa，并仍有繼續(xù)增加的勢(shì)頭;先行洞鋼拱架鋼筋軸力以右拱腰處變化最大，應(yīng)力值達(dá)129 MPa?？梢?jiàn)后行洞的開(kāi)挖對(duì)先行洞影響最大處為右側(cè)拱腰即靠近后行洞一側(cè)，考慮到上覆土層共厚16 m，其整體松動(dòng)產(chǎn)生的極限壓力值為320 kPa左右，而鋼筋應(yīng)力仍離屈服應(yīng)力較遠(yuǎn)，加之先行洞二次襯砌已經(jīng)跟進(jìn)，先行洞的穩(wěn)定性仍在控制范圍。

3)后行洞的圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在其進(jìn)洞初期圍巖壓力即快速增長(zhǎng)，當(dāng)在10 d左右發(fā)現(xiàn)掉塊現(xiàn)象后，左側(cè)拱腰及拱頂?shù)膰鷰r壓力仍呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，左側(cè)拱腰最大圍巖壓力達(dá)182 kPa，拱頂圍巖壓力也達(dá)160 kPa，表明圍巖穩(wěn)定并未得到良好控制，而鋼筋應(yīng)力雖最大值為93 MPa，但仍處于高速增長(zhǎng)狀態(tài)。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，后行洞臨近先行洞一側(cè)是穩(wěn)定控制的重點(diǎn)區(qū)域。

4 后行洞穩(wěn)定性控制

4.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)文獻(xiàn)[9]的分析結(jié)果，小間距隧道后行洞開(kāi)挖后先行洞左側(cè)與后行洞右側(cè)的圍巖壓力可表示為

式(1)中，q'和q分別為先行洞左側(cè)與后行洞右側(cè)的垂直圍巖壓力;r為圍巖重度;H為隧道埋深;B為隧道跨度;λ和λ'為水平側(cè)壓力系數(shù)。

按照文獻(xiàn)[9]的推演過(guò)程，因λ'小于λ，后行洞開(kāi)挖后，先行洞的垂直壓力受到較大的影響。但是青島膠州灣海底隧道小間距隧道的監(jiān)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖8)顯示，本隧道后行洞圍巖壓力明顯大于先行洞，這與理論分析結(jié)果略有出入。為分析這一現(xiàn)象，運(yùn)用FLAC3D軟件建立相應(yīng)的分析模型，得到后行洞開(kāi)挖后圍巖的變形趨勢(shì)，如圖9所示。

圖9 圍巖速度流向Fig.9 Velocity of surrounding rock

通過(guò)分析結(jié)果可以看出，后行洞開(kāi)挖后兩隧道上方的“三角區(qū)域”圍巖變形趨勢(shì)多向后行洞集中，這時(shí)更多的形變壓力作用于后行洞左側(cè)，導(dǎo)致其圍巖壓力大于其他部分，因此必須對(duì)后行洞左側(cè)的徑向支護(hù)能力進(jìn)行加強(qiáng)以制約圍巖的變形趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)中增加間距40 cm的φ108大管棚以控制圍巖穩(wěn)定性，如圖10所示。

圖10 后行洞增設(shè)管棚示意圖Fig.10 After-excavation tunnel additional pipe roof

4.2 穩(wěn)定性控制效果

為保證及時(shí)反饋施工過(guò)程中圍巖及襯砌的受力變化并分析支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后的支護(hù)效果，對(duì)兩隧道的圍巖壓力、鋼拱架鋼筋應(yīng)力和先行洞二襯混凝土應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果分別如圖11～圖15所示。

圖11 調(diào)整參數(shù)后先行洞圍巖壓力曲線(xiàn)Fig.11 Rock pressure of the first-excavation tunnel after adjusting the support parameters

圖12 調(diào)整參數(shù)后先行洞鋼筋計(jì)應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.12 Steel stress of the first-excavation tunnel after adjusting the support parameters

圖13 調(diào)整參數(shù)后后行洞圍巖壓力曲線(xiàn)Fig.13 Rock pressure of the after-excavation tunnel after adjusting the support parameters

圖14 調(diào)整參數(shù)后后行洞鋼筋應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.14 Steel stress of the after-excavation tunnel after adjusting the support parameters

圖15 調(diào)整參數(shù)后后行洞二襯混凝土應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.15 Concrete stress of the after-excavation tunnel after adjusting the support parameters

從以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出如下幾點(diǎn)。

1)兩隧道臨近中間巖柱一側(cè)的拱腰處圍巖壓力較其他部位大很多，說(shuō)明即使有超前管棚的徑向支護(hù)作用，小間距隧道“三角區(qū)域”處仍有較大壓力，但其數(shù)值比未加徑向支護(hù)的應(yīng)力值有明顯減小。從數(shù)值上看，先行洞的圍巖壓力值最大為122 kPa，與未作后行洞管棚支護(hù)時(shí)相當(dāng)，可見(jiàn)后行洞管棚支護(hù)對(duì)先行洞圍巖壓力影響甚微;后行洞圍巖壓力最大值不足70 kPa，較增加管棚前明顯減小，可見(jiàn)增強(qiáng)后行洞的徑向支護(hù)能力對(duì)于維護(hù)隧道穩(wěn)定意義重大。

2)通過(guò)先行洞鋼拱架鋼筋應(yīng)力可以看出，拱腰、拱頂、邊墻處的鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)值有明顯差異，規(guī)律為:右側(cè)拱腰(臨近小間距)＞左側(cè)拱腰＞拱頂＞邊墻。鋼筋應(yīng)力值多在鋼拱架施作70 d后穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)最大值為120 MPa，遠(yuǎn)低于鋼筋抗拉強(qiáng)度。而后行洞鋼筋應(yīng)力與先行洞鋼筋應(yīng)力大小相當(dāng)，左側(cè)拱腰處(臨近小間距)應(yīng)力值最大，但均處于安全狀態(tài)。

3)二襯混凝土受力經(jīng)歷3 d左右受拉過(guò)程后，拉應(yīng)力逐漸減小甚至受壓(即初凝完成后)，這與混凝土的初期收縮有關(guān)，二襯混凝土拉力值較小。

施工過(guò)程中，并未再出現(xiàn)圍巖掉塊等現(xiàn)象，且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察，初支與二襯均無(wú)破壞跡象。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)非對(duì)稱(chēng)超小間距隧道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究得出以下結(jié)論。

1)后行洞開(kāi)挖使先行洞圍巖壓力增加20 kPa左右，由于本隧道施工時(shí)考慮了這種影響，對(duì)先行洞進(jìn)行超前管棚支護(hù)，施工中先行洞穩(wěn)定性較好。

2)對(duì)于非對(duì)稱(chēng)小間距隧道，后行洞開(kāi)挖后其自身臨近巖柱一側(cè)圍巖壓力大于其他部位，實(shí)測(cè)結(jié)果表明巖柱上方的“三角區(qū)域”穩(wěn)定性較差，制約著小間距隧道圍巖的整體穩(wěn)定。

3)通過(guò)增設(shè)后行洞管棚進(jìn)而提高后行洞的徑向支護(hù)能力，能夠有效維護(hù)小間距隧道圍巖的穩(wěn)定性，利用這一方法保證了青島膠州灣海底隧道小間距段的順利貫通。

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