唐勇三

(平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)交通投資集團(tuán)有限公司，福建 福州 350400)

小凈距隧道是介于分離式與連拱式之間的一種隧道型式。交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，小凈距隧道因其節(jié)約建設(shè)用地、利于線路展線等優(yōu)點(diǎn)，已在各類公路、鐵路隧道中廣泛運(yùn)用。因雙洞之間凈距較小，其隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的圍巖壓力與傳統(tǒng)分離式隧道不同。許多學(xué)者采用理論解析、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬等方法對小凈距隧道的圍巖壓力分布進(jìn)行了研究。龔建伍[1]等人結(jié)合小凈距隧道的特點(diǎn)，提出了考慮隧道雙洞先、后施工過程的圍巖壓力分析模型和計(jì)算方法，并將工程監(jiān)測值與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比和驗(yàn)證。鐘祖良[2]等人建立了淺埋雙側(cè)偏壓小凈距圍巖壓力荷載計(jì)算的力學(xué)模型，研究了該類型小凈距隧道圍巖壓力的大小及分布規(guī)律。Lei[3]等人基于相似理論，建立了典型非對稱荷載條件下的隧道開挖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并據(jù)此分析了小凈距淺埋偏壓隧道圍巖的破壞機(jī)理和荷載特性。彭從文[4]等人針對Ⅲ級圍巖，利用彈塑性三維有限元模型，分析了小凈距隧道在不同凈距下，隧道圍巖、中隔墻、錨桿及初支的受力性狀。騰俊洋[5]等人根據(jù)淺埋偏壓小凈距隧道受力特點(diǎn)，推導(dǎo)了考慮施工工序和地形坡度的淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力公式，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Wang[6]等人采用D-FEM 模擬小凈距隧道開挖過程，并將該結(jié)果同F(xiàn)LAC3D的計(jì)算結(jié)果相比較，得到開挖過程中圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和力學(xué)特性。吳才軒[7]推導(dǎo)出淺埋小凈距隧道圍巖壓力的計(jì)算公式，并在實(shí)際工程中進(jìn)行驗(yàn)算，得到了襯砌安全系數(shù)。夏才初[8]等人基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了大斷面小凈距隧道圍巖與支護(hù)系統(tǒng)變形和受力特點(diǎn)。蔣坤[9]等人通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，探討了大斷面小凈距隧道的拱頂下沉、洞周收斂、錨桿軸力和圍巖壓力的分布特征，以及其變化規(guī)律。孫振宇[10]等人通過多座小凈距隧道圍巖壓力的實(shí)測數(shù)據(jù)，對其圍巖壓力的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，并驗(yàn)證其合理性與適用性。王茜[11]等人采用了FLAC3D軟件，建立了隧道穿越斷層破碎帶的數(shù)值模型，分析了不同施工方案對小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。蘇寶[12]結(jié)合工程實(shí)例，分析了凈距、埋深和地形偏壓對圍巖壓力的影響，得出了隧道水平側(cè)壓力與豎向壓力表現(xiàn)出的不同變化特征。隨著市政交通需求激增和城市建設(shè)用地緊張，隧道橫斷面的布置形式多采用多孔大斷面小凈距，而針對該類型隧道的研究鮮見。因此，作者以福建省平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)龍興嶺隧道為依托，擬采用數(shù)值模擬方法，研究淺埋條件下多孔大斷面小凈距隧道的圍巖壓力分布模式，以期為此類隧道的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和參考。

1 淺埋大斷面小凈距隧道的數(shù)值模擬

1.1 工程概況

龍興嶺隧道位于福建省平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)，為市政一級公路隧道。隧道總長約為500 m，由2 個機(jī)動車主洞、2 個非機(jī)動車人行輔洞和1 個電力隧道構(gòu)成，其橫斷面布置圖如圖1 所示。

圖1 龍興嶺隧道橫斷面布置(單位：m)Fig.1 The cross-section layout of Longxingling tunnel (unit:m)

主洞采用曲墻三心圓內(nèi)輪廓，其凈空尺寸為14.20 m×9.46 m(寬×高)，左、右主洞內(nèi)輪廓間的最小距離為7.31 m。輔洞采用曲墻單心圓內(nèi)輪廓，其凈空尺寸為7.69 m×6.40 m(寬×高)，左、右側(cè)主輔洞內(nèi)輪廓間的最小距離為9.66 m。其中，一處電力隧道因其開挖面積較小，距離主、輔洞相對較遠(yuǎn)(大于16.40 m)，不做考慮。

根據(jù)相關(guān)勘察設(shè)計(jì)文件[13]，龍興嶺隧道進(jìn)口段為V 級圍巖，地層由上到下依次分布為：坡積粉質(zhì)黏土(約3～5 m)、砂土狀全風(fēng)化凝灰熔巖(約3～5 m)、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖(約5～25 m)、微風(fēng)化凝灰熔巖。以K0+800斷面為例，其主洞埋深為10.03 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖；其輔洞埋深為10.24 m，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。

主洞初期支護(hù)采用C25 噴射混凝土+I22b 鋼拱架，厚32 cm，并輔以系統(tǒng)錨桿和4 道鎖腳錨桿。二次襯砌為C35 模筑鋼筋混凝土，厚55 cm。臨時(shí)支撐采用C25 噴射混凝土+I14 鋼支撐，厚20 cm。

輔洞初期支護(hù)采用C25 噴射混凝土+I18 鋼拱架，厚26 cm，并輔以系統(tǒng)錨桿。二次襯砌為C35模筑鋼筋混凝土，厚45 cm。臨時(shí)支撐采用C25 混凝土+I14 鋼支撐，厚20 cm。

1.2 數(shù)值模型

以K0+800 斷面為原型，在FLAC3D數(shù)值平臺上建立數(shù)值模型，如圖2 所示。數(shù)值模型整體尺寸為169 m×87 m×3 m(寬度×高度×進(jìn)深)，地層由上到下依次為：坡積粉質(zhì)黏土(3 m)、砂土狀全風(fēng)化凝灰熔巖(3 m)、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖(18 m)、中風(fēng)化凝灰熔巖。各層巖土體均采用6 節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，共計(jì)34 082 個實(shí)體單元，45 611 節(jié)點(diǎn)。隧道初支(包括臨時(shí)豎向支撐和臨時(shí)水平支撐)采用Liner 單元模擬，共計(jì)1 054 個節(jié)點(diǎn)和2 160 個單元。根據(jù)陳培煌[14]等人的研究成果，通過提高20%洞身圍巖參數(shù)的方法，近似等效模擬周邊系統(tǒng)錨桿和中夾巖加固。模型頂面(即地表面)取自由邊界，其側(cè)面為法向位移約束邊界，底面為全約束邊界。

1.3 本構(gòu)參數(shù)

各層巖土體均采用摩爾?庫倫本構(gòu)模型，其主要物性參數(shù)根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)文件選取，見表1。隧道初期支護(hù)(臨時(shí)豎撐和臨時(shí)橫撐)采用線彈性本構(gòu)模型，其重度、泊松比、彈性模量、主洞初支厚度、輔洞初支厚度和臨時(shí)支撐厚度分別為：25 kN/m3、0.2 、28 MPa、0.32 m、0.26 m、0.22 m。

圖2 淺埋大斷面小凈距隧道的數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of large section neighbor tunnel with shallow cover depth

表1 各層巖土體的物性參數(shù)Table 1 Properties of different rock (soil) mass

1.4 開挖工況

按照設(shè)計(jì)文件中預(yù)定的開挖過程與施工工序，分四步驟進(jìn)行數(shù)值模擬：(1)完成開挖前，計(jì)算初始地應(yīng)力；(2)開挖左、右輔洞，完成相應(yīng)的初期支護(hù)；(3)開挖右主洞，完成相應(yīng)初期支護(hù)；(4)開挖左主洞，完成相應(yīng)初期支護(hù)。

以右輔洞為例，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖如圖3所示。具體工序?yàn)椋?1)完成主輔洞間中夾巖加固；(2)開挖左導(dǎo)坑上臺階Ⅰ，施作左拱腰初支、上部臨時(shí)豎撐和左側(cè)臨時(shí)橫撐①；(3)開挖左導(dǎo)坑下臺階Ⅱ，施作左邊墻初支、下部臨時(shí)豎撐和左側(cè)仰拱②；(4)開挖右導(dǎo)坑上臺階Ⅲ，施作拱頂、右拱腰初支、右側(cè)臨時(shí)橫撐③；(5)開挖右導(dǎo)坑下臺階Ⅳ，施作右邊墻初支和右側(cè)仰拱④；(6)拆除所有臨時(shí)支護(hù)，施作二次仰拱和二次襯砌。

以右主洞為例，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖如圖4所示。具體工序?yàn)椋?1)完成主洞間中夾巖加固；(2)開挖左導(dǎo)坑上臺階Ⅰ，施作左拱腰初支、左上部臨時(shí)豎撐和左側(cè)臨時(shí)橫撐①；(3)開挖左導(dǎo)坑下臺階Ⅱ，施作左邊墻初支、左下部臨時(shí)豎撐和左側(cè)仰拱②；(4)開挖右導(dǎo)坑上臺階Ⅲ，施作右拱腰初支、右上部臨時(shí)豎撐和右側(cè)臨時(shí)橫撐③；(5)開挖右導(dǎo)坑下臺階Ⅳ，施作右邊墻初支、右下部臨時(shí)豎撐和右側(cè)仰拱④；(6)開挖隧道中部上臺階Ⅴ，施作拱頂初支和中部臨時(shí)橫撐⑤；(7)開挖隧道中部下臺階Ⅵ，施作中部仰拱⑥；(8)拆除所有臨時(shí)支護(hù)，施作二次仰拱和二次襯砌。

圖3 單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖工況及圍巖壓力監(jiān)測Fig.3 The excavation sequence of unilateral pilot tunneling method and the pressure monitoring points

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖工況及圍巖壓力監(jiān)測Fig.4 The excavation sequence of bilateral pilot tunneling method and the pressure monitoring points

通過二維模型模擬分部開挖的三維過程，應(yīng)注意荷載釋放率。根據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究成果，每個分部開挖時(shí)的荷載釋放率取30%。每個分部開挖后，在開挖內(nèi)輪廓面上反向施加虛擬支護(hù)力，為初始地應(yīng)力的70%，計(jì)算至平衡。再施作初支Liner 單元，撤銷虛擬支護(hù)力后計(jì)算至平衡。則初始地應(yīng)力的30%由圍巖自身承擔(dān)，70%由初支承擔(dān)。

1.5 圍巖壓力測點(diǎn)的布設(shè)

為研究作用在隧道初支上的圍巖壓力分布，沿隧道初支Liner 單元，每隔約1 m，布置圍巖壓力監(jiān)測點(diǎn)。數(shù)值模擬中，可直接讀取作用在初支Liner單元上的法向壓力和切向壓力。但為了與常規(guī)隧道設(shè)計(jì)中圍巖壓力的概念相一致，可將法向壓力和切向壓力分別沿豎直方向(z 方向)和水平方向(x 方向)進(jìn)行分解。

2 淺埋常規(guī)斷面隧道的圍巖壓力分布

2.1 左、右輔洞開挖和圍巖壓力分布

左、右輔洞先行施工，中軸線之間相距62.6 m，因此，可將左、右輔洞作為常規(guī)分離式隧道進(jìn)行分析。右輔洞二襯施工完畢后，讀取作用在初期支護(hù)上的法向壓力和切向壓力，并轉(zhuǎn)化為豎直方向和水平方向的圍巖壓力，如圖5 所示。常規(guī)隧道設(shè)計(jì)中(假定全斷面一次性開挖)，通常認(rèn)為豎向圍巖壓力呈矩形分布，水平向圍巖壓力呈梯形分布。實(shí)際上，作用在初期支護(hù)的圍巖壓力，其分布受開挖方式的影響很大。

從圖5 可以看出，左、右輔洞的豎向圍巖壓力呈“單峰折線型”分布，其最大值約為0.139 MPa，發(fā)生在臨時(shí)豎撐附近。單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖過程中，臨時(shí)豎撐承擔(dān)豎向圍巖壓力；臨時(shí)豎撐拆除后，該部分圍巖壓力由支撐點(diǎn)附近(拱頂附近)的初期支護(hù)承擔(dān)。左、右輔洞的水平向圍巖壓力也呈“單峰折線型”分布，其最大值約為0.258 MPa(先行側(cè))和0.204 MPa(后行側(cè))，也發(fā)生在臨時(shí)橫撐附近。

先行開挖的單側(cè)壁導(dǎo)坑位于左、右輔洞的內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致其內(nèi)側(cè)水平壓力峰值略大于外側(cè)。

圖5 常規(guī)分離式隧道的圍巖壓力分布Fig.5 The pressure distribution of regular separated tunnel

2.2 與規(guī)范法計(jì)算圍巖的壓力比較

對于埋深介于1.0～2.5 倍等效荷載高度hq之間的淺埋無偏壓單洞隧道，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范( JTG D70—2004)》[16]規(guī)定的豎向圍巖壓力和水平向圍巖壓力的計(jì)算公式，將龍興嶺隧道左、右輔洞的相關(guān)數(shù)據(jù)帶入其計(jì)算公式，得到規(guī)范法圍巖壓力的分布，如圖6(a)所示。其豎向圍巖壓力q=0.213 MPa，最小和最大水平圍巖壓力分別為emin=0.028 MPa 和emax=0.035 MPa，平均水平圍巖壓力為em=0.030 MPa。

將數(shù)值模擬所得的圍巖壓力，按單峰形態(tài)擬合成雙折線如圖6(b)所示。圍巖壓力的最大值為規(guī)范方法的0.65 倍，內(nèi)側(cè)水平圍巖壓力的最大值為規(guī)范方法(平均水平圍巖壓力)的8.60 倍，外側(cè)水平圍巖壓力的最大值為規(guī)范方法的6.80 倍。相對于規(guī)范方法，數(shù)值模擬方法考慮了開挖順序與臨時(shí)支撐的影響和圍巖與襯砌之間協(xié)調(diào)變形的相互作用，其計(jì)算所得圍巖壓力分布模式，更接近真實(shí)值。

圖6 規(guī)范法與數(shù)值模擬法圍巖壓力Fig.6 The comparison of ground pressure calculated by code’s method and numerical simulation

3 淺埋大斷面小凈距隧道的圍巖壓力分布

3.1 右主洞圍巖壓力分布

左、右輔洞開挖及支護(hù)完成后，繼續(xù)施作右主洞。右主洞與右輔洞之間，中夾巖厚度約為9.75 m。右主洞與左輔洞之間，中夾巖厚度約為31.2 m，均小于3.5 倍自身開挖洞徑，可視作小凈距隧道進(jìn)行研究。將三洞開挖及支護(hù)完成后的圍巖壓力，沿垂直方向(y 方向)和水平方向(x 方向)進(jìn)行分解，繪制其圍巖壓力分布如圖7 所示。

右主洞豎向圍巖壓力受雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩道臨時(shí)豎撐的影響，近似呈“雙峰折線型”分布：拱頂范圍內(nèi)壓力較大，在臨時(shí)豎撐附近，其豎向圍巖壓力達(dá)到最大值0.146 MPa；左、右兩端的豎向圍巖壓力驟減，接近于矩形均勻分布，其平均值為0.038 MPa。右主洞水平向圍巖壓力受雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的兩道臨時(shí)豎撐和一道臨時(shí)橫撐的影響，也近似呈“雙峰折線型”分布，其最大值約為0.309 MPa(先行側(cè))和0.299 MPa(后行側(cè))，發(fā)生在臨時(shí)橫撐附近。

受右主洞開挖的影響，右輔洞的豎向圍巖壓力有所增長，臨近右主洞側(cè)(即小凈距側(cè))的增幅約為50%；遠(yuǎn)離右主洞側(cè)的增幅為10%～20%。右輔洞的水平圍巖壓力亦有所增長，如：小凈距側(cè)的拱腳處，其增幅約為50%。

3.2 左主洞圍巖壓力分布

右主洞開挖及支護(hù)完成后，繼續(xù)施作左主洞。四洞開挖和支護(hù)完成后，對圍巖壓力沿垂直方向(y方向)和水平方向(x 方向)進(jìn)行分解，繪制其圍巖壓力分布，如圖8 所示。

左主洞與右主洞類似，其豎向圍巖壓力亦呈“雙峰折線型”分布，臨時(shí)豎撐附近其豎向圍巖壓力達(dá)到最大值0.142 MPa，左、右兩端豎向圍巖壓力驟減，其平均值為0.041 MPa。左主洞的水平向圍巖壓力也呈“雙峰折線型”分布，其最大值約為0.339 MPa(先行側(cè))和0.304 MPa(后行側(cè))，發(fā)生在臨時(shí)橫撐附近。

圖7 小凈距隧道(三洞)的圍巖壓力分布Fig.7 The pressure distribution for neighborhood tunnels (triple)

圖8 小凈距隧道(四洞)的圍巖壓力分布Fig.8 The pressure distribution of neighborhood tunnels (quadruple)

受左主洞開挖的影響，右主洞的豎向圍巖壓力有所增長(平均增幅為20%～40%)，水平圍巖壓力亦有所增長(平均增幅為10%～20%)。受左主洞開挖的影響，左輔洞的水平圍巖壓力出現(xiàn)較大增長，尤其是小凈距側(cè)的拱腳處，其增幅約為50%。

4 結(jié)論

以平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)龍興嶺隧道為工程背景，采用FLAC3D軟件，對四洞小凈距隧道的分步開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了初期支護(hù)上的圍巖壓力分布規(guī)律，得出的結(jié)論為：

1) 開挖左、右輔洞時(shí)，可將其視為常規(guī)分離式隧道，其圍巖壓力分布受開挖方式的影響較大。單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖過程中，因臨時(shí)豎撐與臨時(shí)橫撐的存在，作用在初期支護(hù)上的豎向圍巖壓力和水平圍巖壓力均呈“單峰折線型”分布。本數(shù)值模擬方法考慮了開挖順序與臨時(shí)支撐的影響和圍巖與襯砌之間協(xié)調(diào)變形的相互作用，其計(jì)算所得圍巖壓力分布與實(shí)際情況較為契合。

2) 開挖左、右主洞時(shí)，可將其視為多孔小凈距隧道，其圍巖壓力分布同樣受開挖方式影響。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中的兩道臨時(shí)豎撐與一道臨時(shí)橫撐，使得主洞初期支護(hù)上的豎向圍巖壓力與水平圍巖壓力均呈“雙峰折線型”分布。同時(shí)，左、右主洞開挖，使得臨近小凈距隧道初支上的圍巖壓力有所增長，尤其是小凈距側(cè)的最大圍巖壓力增幅可高達(dá)50%。