王建國，王渭明，賀廣良，呂顯州

(山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266590)

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資不斷增大，隧道工程建設(shè)也進入了飛速發(fā)展時期。許多新的隧道施工原理、施工技術(shù)、施工工法和支護材料開始涌現(xiàn)。大斷面小凈距隧道作為一種新型隧道結(jié)構(gòu)形式[1-3]，能較好地解決雙線隧道受地形條件限制，隧道分建帶來的施工困難、占地較多等弊端，以及連拱隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝難度大、工期長、成本較高的缺點，從而越來越受到國內(nèi)有關(guān)學(xué)者的關(guān)注[4-7]。

唐明明等[8]采用FLAC 3D軟件建立了偏壓小凈距雙線隧道模型，對比分析了不同方案下隧道塑性區(qū)和圍巖變形；王輝等[9]針對隧道間近接施工力學(xué)問題，基于精確罰函數(shù)法及Melder-Mead優(yōu)化算法，對大斷面小凈距雙線隧道扁平率及合理間距進行了探討；陳秋南等[10]結(jié)合大跨度小凈距雙線隧道偏壓特性，對隧道施工方法和不同偏壓率對合理凈距的影響進行了研究，并與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行了對比；李金奎等[11]基于Soil-works有限元數(shù)值分析軟件，建立了4種不同施工順序的模型，對比分析了不同施工順序下大斷面小凈距隧道的圍巖變形和洞周應(yīng)力。

我國對于大斷面小凈距雙線隧道的研究已有一定的經(jīng)驗和成果，而對于大斷面小凈距三孔并行隧道的研究相對較少。本文以重慶新中梁山大斷面小凈距三孔并行隧道段為研究對象，針對地質(zhì)條件復(fù)雜多變等難題，采用FLAC 3D數(shù)值軟件，對比分析不同方案下隧道的圍巖變形、塑性區(qū)分布以及地表沉降規(guī)律，同時結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定最優(yōu)開挖順序，為類似工程提供參考。

1 工程概況

新中梁山隧道位于壁山-沙坪壩段，該段位于中梁山山脈中部，屬長江侵蝕河谷形成的低山丘陵地區(qū)。主隧道采用左右線分修方案，全長 4 119 m，左線隧道進口里程為DK290+296，出口里程為DK294+420；右線隧道進口里程為YDK290+305，出口里程為YDK294+424。

該隧道群為1條主隧道與2條輔助隧道并行的三孔隧道，其中，主隧道開挖跨度為12.35 m，高度為8.55 m，輔助隧道開挖跨度為7.06 m，高度為7.62 m。隧道群圍巖巖性從上到下依次為表土層、粉質(zhì)黏土、細砂巖、風(fēng)化花崗巖、花崗巖。地下水位線在地表以下17 m處。圍巖較破碎，地質(zhì)情況復(fù)雜多變，節(jié)理發(fā)育。Ⅴ級圍巖占到88%，為保證施工過程主隧道圍巖穩(wěn)定，初期支護由格柵鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)片和噴射混凝土組成。其中：拱墻設(shè)置格柵鋼架，間距1 m；拱部設(shè)置φ22組合中空錨桿，錨桿環(huán)向間距0.8 m，縱向間距1 m，單根長3 m；邊墻設(shè)置φ6鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；超前支護采用φ42小導(dǎo)管，環(huán)向間距50 cm，縱向間距20 cm，單根長3 m。初期支護厚度為25 cm，二次襯砌厚度為40 cm。隧道斷面與支護見圖1。

圖1 隧道斷面與支護示意(單位：cm)

2 數(shù)值分析

2.1 計算模型的建立

采用有限元軟件FLAC 3D建立數(shù)值模型，模型尺寸為130 m(長)×80 m(寬)×60 m(高)，見圖2，對其四周進行水平約束，底面采用豎向約束，上邊界為自由邊界，圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，初期支護采用Shell單元，二次支護采用實體單元，超前支護采用Pile單元。

圖2 數(shù)值模型

2.2 參數(shù)的確定

圍巖與支護力學(xué)參數(shù)主要依據(jù)現(xiàn)行隧道設(shè)計規(guī)范[12]，同時參考實際隧道工程勘查、施工報告綜合選取，見表1。

表1 圍巖及支護參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 大斷面主隧道施工方案優(yōu)選

該隧道段圍巖等級為Ⅴ級，巖體較為破碎，主隧道為大斷面隧道，為保證主隧道圍巖穩(wěn)定，根據(jù)工程經(jīng)驗和大斷面小凈距隧道特點，選取4種不同的主隧道施工方案。各方案施工步驟見圖3。其中，臺階法上下臺階施工斷面高度分別為4.55,4.00 m；核心土法各個斷面高度從上到下依次為2.80,3.00,2.75 m；中隔壁法左右施工斷面跨度分別取6.00,6.35 m；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩側(cè)導(dǎo)坑的跨度均為4 m，略小于隧道總跨度的1/3。從圍巖塑性區(qū)分布、隧道關(guān)鍵點位移以及施工引起的地表沉降對施工方案進行優(yōu)選。

圖3 各方案施工步驟

1)塑性區(qū)分布

大斷面隧道一般為扁平狀，由于隧道開挖的擾動作用，圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布。隨著隧道開挖面的增大，圍巖穩(wěn)定性降低，應(yīng)力集中現(xiàn)象愈加明顯，局部區(qū)域應(yīng)力集中超過了其屈服強度而發(fā)生塑性破壞。

圖4 不同施工方案下塑性區(qū)分布

不同施工方案下塑性區(qū)分布見圖4?？芍?種施工方案在拱肩處塑性區(qū)分布差異較大；從塑性區(qū)分布范圍來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和中隔壁法要優(yōu)于核心土法和臺階法。這是由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和中隔壁法減小了一次性開挖跨度，并且有中隔墻作為臨時支護可以有效防止圍巖變形過大。相對于中隔壁法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法導(dǎo)坑開挖斷面的面積和跨度更小，能較早地與中隔墻閉合成環(huán)，所以雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱肩處塑性區(qū)分布范圍又小于中隔壁法。

2)隧道關(guān)鍵點位移

隧道關(guān)鍵點位移的控制是施工中的重點和難點，也是隧道監(jiān)測的關(guān)鍵。表2為不同施工方案下隧道關(guān)鍵點的位移。

表2 不同施工方案下隧道關(guān)鍵點的位移 mm

從表2可以看出：隧道拱頂沉降量遠大于左、右拱腰和仰拱的位移；4種施工方案在隧道關(guān)鍵點處引起的位移大小排序均為臺階法>核心土法>中隔壁法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；臺階法的拱頂沉降量約為核心土法的1.2倍、中隔壁法的2.1倍、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的2.5倍。

3)地表沉降

圖5為不同施工方案下地表沉降變化曲線?？芍?種方案所引起的地表沉降曲線走勢基本一致，且曲線關(guān)于主隧道中心軸線基本對稱；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降量為12.2 mm，而臺階法、核心土法、中隔壁法引起的地表沉降分別比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大130%，95%，25%。

圖5 不同施工方案下地表沉降變化曲線

從塑性區(qū)分布、隧道關(guān)鍵點位移以及地表沉降規(guī)律可知，中隔壁法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在控制圍巖變形方面明顯優(yōu)于臺階法和核心土法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法又略優(yōu)于中隔壁法，臺階法最為不利。主要原因是由于軟弱圍巖環(huán)境下，采用導(dǎo)洞開挖方案在隧道施工過程中可充分發(fā)揮初期支護和中隔墻的支護作用，能較好地控制隧道圍巖變形。從施工角度分析，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分塊多，施工作業(yè)面小，施工速度慢，成本較高；中隔壁法的施工作業(yè)面較大，有利于加快施工速度；而臺階法施工作業(yè)面最大，施工速度最快，成本最低，但臺階法施工對圍巖地質(zhì)條件的要求較高。結(jié)合新中梁山隧道群施工進度要求和圍巖地質(zhì)情況，擬定中隔壁法為大斷面主隧道最終施工方案。

2.3.2 三孔并行隧道開挖順序優(yōu)化

在確定大斷面主隧道施工方案的基礎(chǔ)上，分析小凈距三孔并行隧道不同開挖順序?qū)κ┕にa(chǎn)生的影響。考慮工程現(xiàn)場技術(shù)水平和安全性以及現(xiàn)場人力、物力條件，選取4種開挖順序(對應(yīng)4種工況)，見表3。主隧道采用中隔壁法施工，左、右、中分別表示左右輔助隧道和中間主隧道。由于兩側(cè)輔助隧道施工斷面跨度較小，在保證施工安全的情況下，為節(jié)約施工成本和加快施工進度，兩側(cè)輔助隧道采用上下臺階法施工。

表3 小凈距三孔并行隧道4種開挖順序

1)隧道圍巖位移

從4種不同工況模擬出的結(jié)果可以得出：4種工況主隧道拱頂圍巖沉降最大，并且變形不斷向兩側(cè)延伸，影響左右隧道上部圍巖的變形，最終形成一定區(qū)域的變形貫通區(qū)。從貫通區(qū)的面積來看，工況1>工況2 >工況4>工況3。

表4為不同工況下主隧道關(guān)鍵點位移?？梢钥闯觯汗r3拱頂最大沉降量為20.17 mm，工況1、工況2、工況4分別比工況3大22.2%,16.8%,10.9%；4種工況仰拱拱起量相差不大;工況3周邊收斂量小于其他3種工況。說明主隧道拱頂處圍巖應(yīng)力狀態(tài)較差，所以施工過程中應(yīng)對主隧道拱頂處圍巖沉降量進行重點監(jiān)測，及時采取一定的支護措施，避免產(chǎn)生過大沉降，引起圍巖失穩(wěn)破壞。

表4 不同工況下主隧道關(guān)鍵點位移

2)圍巖應(yīng)力

隧道圍巖塑性區(qū)面積大小與其所受剪應(yīng)力有關(guān)。剪應(yīng)力計算公式為τ=(σ1-σ3)/2。σ1,σ3分別為最大、最小主應(yīng)力。

表5為不同工況下各隧道拱頂主應(yīng)力對比?？傻茫汗r3左、中、右隧道拱頂剪應(yīng)力分別為54.1，51.7,109.9 kN/m2，均為4種工況中的最小值，說明工況3隧道拱頂圍巖應(yīng)力釋放后能迅速達到平衡狀態(tài)，從而使得應(yīng)力集中程度相對于其他工況要小，有利于隧道圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

表5 不同工況下各隧道拱頂主應(yīng)力對比 kN/m2

從隧道圍巖位移和圍巖應(yīng)力分析結(jié)果來看，工況3的施工順序最佳。

3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

該隧道采用工況3的順序施工，即左隧道—右隧道—中間隧道。中間主隧道采用中隔壁法施工。左右輔助隧道采用上下臺階法施工。

結(jié)合施工進度，在三孔并行隧道施工過程中進行了地表沉降、隧道拱頂沉降、隧道關(guān)鍵點位移、襯砌應(yīng)力等多項監(jiān)測。限于篇幅，本文僅對地表沉降和隧道拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)加以分析。

選取K6+625斷面進行監(jiān)測分析，地表沉降監(jiān)測點布置見圖6。各監(jiān)測點地表沉降變化曲線見圖7。從圖7可見：距離主隧道拱頂水平距離越近，地表沉降量越大；中間監(jiān)測點A4的沉降量最大，其值為14.75 mm。 40 d后，各監(jiān)測點地表沉降量趨于穩(wěn)定。

圖6 地表沉降監(jiān)測點布置

圖7 各監(jiān)測點地表沉降變化曲線

選取4個與計算斷面埋深和圍巖性質(zhì)相近的斷面進行監(jiān)測。施工期間4個監(jiān)測斷面以及模似計算斷面拱頂沉降變化曲線見圖8?？梢姡?個監(jiān)測斷面拱頂沉降變化規(guī)律與模似計算斷面相似，并且隨著施工的進行隧道拱頂沉降趨于平緩，隨著支護的施作各監(jiān)測斷面的沉降基本穩(wěn)定，沉降量在18.0～22.5 mm，在規(guī)范允許的變形值(30 mm)之內(nèi)。

圖8 監(jiān)測斷面拱頂沉降變化曲線

表4中工況3模擬所得到的拱頂最大沉降量為20.17 mm，與實際監(jiān)測值相差不大，說明數(shù)值分析結(jié)果具有一定的可靠性。

4 結(jié)論

1)中隔壁法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在控制地表沉降、隧道關(guān)鍵點位移及隧道圍巖塑性區(qū)分布方面要明顯優(yōu)于臺階法和核心土法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法又略優(yōu)于中隔壁法。從施工角度來看，中隔壁法相對于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工作業(yè)面更大，施工速度更快，施工成本也相對較低。綜合考慮實際情況后優(yōu)先選取中隔壁法為主隧道施工方案。

2)4種工況中工況3(左隧道—右隧道—中間隧道)產(chǎn)生的最大、最小主應(yīng)力和圍巖位移量最小，應(yīng)力分布也最為均勻，所以從力學(xué)角度來看，工況3具有較好的可行性。

3)數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)接近，說明數(shù)值分析結(jié)果具有一定的可靠性。經(jīng)實施，該隧道順利完成施工。

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