師伯泰

(中鐵九局集團(tuán)第九工程有限公司，吉林長(zhǎng)春130033)

雙連拱隧道在地質(zhì)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(qiáng)的適應(yīng)性［1－5］。但由于連拱隧道本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得雙連拱隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受力十分復(fù)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(dǎo)洞貫通后立即澆筑，它既是初期支護(hù)和二襯的支撐點(diǎn)，又是防水層的支撐結(jié)構(gòu)。因此，中隔墻的受力又是整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)中最為復(fù)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(guān)外，還與施工中采用的開(kāi)挖方法有關(guān)。雙連拱隧道在左右幅施工時(shí)，邊開(kāi)挖邊支護(hù)，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的荷載轉(zhuǎn)換頻繁，而且目前連拱隧道的開(kāi)挖多采用鉆爆法，爆破施工對(duì)中隔墻及頂部圍巖的擾動(dòng)都非常大。另外，由于雙連拱隧道左右洞的非對(duì)稱開(kāi)挖，導(dǎo)致雙洞的應(yīng)力釋放時(shí)間不同，因此在隧道的施工過(guò)程中，將會(huì)對(duì)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(jìn)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(fēng)化性很強(qiáng)，節(jié)理十分發(fā)育，巖體破碎，屬Ⅴ級(jí)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(duì)來(lái)說(shuō)，隧道所處埋深較淺。隧道進(jìn)口方向地勢(shì)東高西低。整個(gè)隧道處于一個(gè)偏壓地段中?？紤]到奔龍坪隧道的地形特點(diǎn)和雙連拱隧道自身特點(diǎn)，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(duì)隧道施工方案的穩(wěn)定性及二次襯砌的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，確定了隧道的施工方案，指導(dǎo)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(gòu)造西支中段與三江經(jīng)向構(gòu)造帶中南段及南嶺緯向構(gòu)造帶西延部分的復(fù)合部位。因此，隧道所處地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，褶皺，斷裂構(gòu)造形跡相當(dāng)發(fā)育，總觀全區(qū)構(gòu)造，測(cè)區(qū)東部以大型斷裂為主，西部緊密褶皺和斷裂構(gòu)造相間分布，南部構(gòu)造形跡呈向南撒開(kāi)的特點(diǎn)。受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)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(jí)，隧道進(jìn)出口段上覆第四系殘坡積灰黃、灰褐、褐紅色粉質(zhì)黏土，硬塑狀，厚度4 m～7 m;下伏基巖為寒武系砂質(zhì)板巖、花崗片麻巖，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，呈強(qiáng)風(fēng)化碎石碎片狀，節(jié)理裂隙發(fā)育;隧道中部圍巖多呈強(qiáng)風(fēng)化碎石碎片狀，局部呈中風(fēng)化碎石狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)較堅(jiān)硬。

1.2 隧道工程地質(zhì)條件

奔龍坪隧道地處爛寨子村南側(cè)下方斜坡中上部，屬構(gòu)造剝蝕中山切割長(zhǎng)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(diǎn)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(bào)告，奔龍坪隧道地層巖性主要為:第四系殘坡積(Q4el+dl)粉質(zhì)粘土，下伏基巖為寒武系砂質(zhì)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(zhì)粘土:灰黃、灰褐、褐紅色、硬塑狀，土質(zhì)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(zhì)板巖夾變質(zhì)砂巖:褐灰、灰白、褐黃、灰褐色，上部強(qiáng)風(fēng)化碎石碎片狀，下部呈中風(fēng)化碎石狀，強(qiáng)、中風(fēng)化界限一般15 m～30 m;節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)較堅(jiān)硬。其巖層產(chǎn)狀280°∠58°。該巖層承載力基本容許值強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖500 kPa，中風(fēng)化砂質(zhì)板巖900 kPa。

(3)寒武系片麻巖:褐灰、褐黃、灰黃色，上部全～強(qiáng)風(fēng)化碎石碎片狀，下部呈中風(fēng)化碎石狀，強(qiáng)、中風(fēng)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(zhì)較堅(jiān)硬，巖層產(chǎn)狀280°∠58°，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利;該巖層承載力基本容許值強(qiáng)風(fēng)化片麻巖600 kPa，中風(fēng)化片麻巖1 200 kPa。

2 數(shù)值模型及計(jì)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(shí)際地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)資料，考慮地表的起伏并同時(shí)兼顧模型計(jì)算精度，在建立模型的過(guò)程中，按照連續(xù)介質(zhì)模型的建模思路，考慮足夠的模型尺寸，完全模擬現(xiàn)場(chǎng)主要的工程環(huán)境。分別考慮出口段施工情況和進(jìn)口段施工情況，模型全長(zhǎng)取了80 m進(jìn)行計(jì)算，隧道計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)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(píng)價(jià)對(duì)比分析了如下兩種工況:

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

(2)交錯(cuò)開(kāi)挖方案，即:中導(dǎo)洞開(kāi)挖→右幅正洞超前開(kāi)挖→左幅正洞開(kāi)挖，右幅、左幅正洞開(kāi)挖交錯(cuò)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(kù)侖破壞準(zhǔn)則。巖土體及隧道襯砌結(jié)構(gòu)均采用實(shí)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(jìn)行模擬分析;隧道計(jì)算中巖土體及隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.2 三維(3D)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1 中隔墻應(yīng)力對(duì)比分析

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

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

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

2.2.2 二襯應(yīng)力對(duì)比分析

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

圖2 一次貫通法中隔墻平均應(yīng)力變化云圖(單位:kPa)

圖3 二襯平均應(yīng)力變化云圖(單位:kPa)

圖4給出了不同開(kāi)挖方法模型的左洞應(yīng)力云圖對(duì)比分析，由圖4可見(jiàn):一次貫通的最大拉應(yīng)力為0.085 MPa，交錯(cuò)開(kāi)挖的最大拉應(yīng)力為 0.455 MPa，交錯(cuò)開(kāi)挖比一次貫通開(kāi)挖大81%;一次貫通的最大壓應(yīng)力為0.118 MPa，交錯(cuò)開(kāi)挖的最大壓應(yīng)力為4.614 MPa，交錯(cuò)開(kāi)挖比一次貫通大97%;一次貫通的主要拉應(yīng)力(占13.3%)為 0.047 MPa，交錯(cuò)開(kāi)挖的主要拉應(yīng)力(占62%)為0.158 MPa，交錯(cuò)開(kāi)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(yīng)力(占13.2%)為 0.010 MPa，交錯(cuò)開(kāi)挖的主要壓應(yīng)力(占4.7%)為0.653 MPa，交錯(cuò)開(kāi)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(yīng)力變化云圖(單位:kPa)

2.2.3 位移對(duì)比分析

圖5給出了不同開(kāi)挖方法模型的左洞位移變化云圖對(duì)比分析，由圖5可見(jiàn):一次貫通與交錯(cuò)開(kāi)挖方法的整體位移變化趨勢(shì)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(cuò)開(kāi)挖的拱頂最大沉降為2.76 cm。差別不大，交錯(cuò)開(kāi)挖稍微小點(diǎn)。一次貫通拱底最大隆起為2.08 cm，交錯(cuò)開(kāi)挖的拱底最大隆起為2.06 cm。差別不大，交錯(cuò)開(kāi)挖稍微小點(diǎn)。

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(guò)對(duì)奔龍坪隧道進(jìn)行的三維數(shù)值模擬試驗(yàn)，并考慮地表偏壓的影響，討論兩種不同開(kāi)挖方案時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(kāi)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(cuò)開(kāi)挖法時(shí)二襯受力狀況。因此，在不考慮兩洞爆破影響時(shí)，由于地層偏壓影響，采用“中導(dǎo)洞開(kāi)挖→右幅正洞開(kāi)挖→左幅正洞開(kāi)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(cuò)開(kāi)挖法時(shí)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(zhì)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(jìn)行左幅開(kāi)挖中，工程將采用由左向右分塊起爆的弱爆破來(lái)配合人工開(kāi)挖，爆破時(shí)將嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量，各部開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m左右。同時(shí)在施工過(guò)程中將加強(qiáng)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，做到一炮一檢，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙要求，將爆破振動(dòng)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(jié)構(gòu)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(dòng)影響、工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件的變化等的影響［14－15］，施工中我集團(tuán)公司將加強(qiáng)隧道的施工監(jiān)測(cè);強(qiáng)化施工中的襯砌受力監(jiān)測(cè)，確保施工安全及二次襯砌結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)奔龍坪隧道進(jìn)行三維數(shù)值模擬試驗(yàn)，并考慮地表偏壓的影響，討論兩種不同開(kāi)挖方案時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及位移情況，可以得出如下結(jié)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(kāi)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(cuò)開(kāi)挖法時(shí)二襯受力狀況。

綜上所述，在不考慮兩洞爆破影響時(shí)，由于地層偏壓影響，采用“中導(dǎo)洞開(kāi)挖→右幅正洞開(kāi)挖→左幅正洞開(kāi)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(cuò)開(kāi)挖法時(shí)二襯受力狀況。

［1］劉 生，李寧軍，劉紅平.基于無(wú)導(dǎo)洞方法的連拱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010，8(4):107-110.

［2］李曉洪.軟弱圍巖雙連拱隧道施工力學(xué)研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2003.

［3］王文正.公路雙連拱隧道開(kāi)挖方法及施工過(guò)程數(shù)值模擬研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2003.

［4］周玉宏，趙燕明，程崇國(guó).連拱隧道施工方案的應(yīng)力分析［J］.公路交通技術(shù)，2003，(3):83-85.

［5］李地元，李夕兵，張 偉，等.基于流固耦合理論的連拱隧道圍巖穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(5):1056-1064.

［6］丁文其，王曉形，朱合華，等.連拱隧道設(shè)計(jì)荷載的確定方法［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2007，20(5):78-82.

［7］許崇幫，夏才初，朱合華.雙向八車道連拱隧道施工方案優(yōu)化分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(1):66-73.

［8］王建秀，朱合華，唐益群，等.連拱隧道邊坡耦合作用:滑坡連拱隧道［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(9):120-124.

［9］傅鶴林，韓汝才.隧道襯砌荷載計(jì)算理論及巖溶處治技術(shù)［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2005.

［10］朱合華，張晨明，王建秀，等.龍山雙連拱隧道動(dòng)態(tài)位移反分析與預(yù)測(cè)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(1):67-73.

［11］宋戰(zhàn)平，綦彥波，趙國(guó)祝，等.巖溶隧道施工關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用研究［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

［12］劉 濤，沈明榮，陶履彬，等.連拱隧道動(dòng)態(tài)施工模型試驗(yàn)與三維數(shù)值仿真模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(9):1802-1808.

［13］王亞瓊，張少兵，謝永利，等.淺埋偏壓連拱隧道非對(duì)稱支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性狀分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(S1):3265-3272.

［14］賀麗娟.鉆爆法施工對(duì)既有連拱隧道的影響分析及施工措施［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12(3):185-188.

［15］宋戰(zhàn)平，郗舉科，范留明，等.復(fù)雜地質(zhì)條件下水工隧道新奧法施工實(shí)踐探究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2003，1(3):5-9.