董 梁

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018）

1 引言

在國內(nèi)外研究中，關(guān)于小凈距隧道之間施工相互影響的研究有很多[1-2]，但對于兩小凈距隧道不等跨的研究極少。相關(guān)文獻有:以有限元軟件為基礎(chǔ)，從變形特性、塑性區(qū)分布及施工方法與工序的角度，得到優(yōu)化的不等跨小凈距隧道施工順序，同時對不同開挖方法進行對比[3-4]；分岔隧道的施工關(guān)鍵技術(shù)進行詳細(xì)的描述與探究[5-6]；從周邊圍巖位移、塑性區(qū)的分布及支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力等方面，明確保證施工安全穩(wěn)定時，先施工小跨度隧道更合理[7]。

在不等跨小凈距施工力學(xué)方面的研究中，提出圍巖壓力計算方法，同時利用數(shù)值模擬及相似性試驗，對施工過程中的圍巖變形及支護內(nèi)力進行探究，總結(jié)其施工時的規(guī)律及特征，對施工有一定指導(dǎo)意義[8]；提出圍巖壓力計算公式，并將理論結(jié)果同實際工程監(jiān)測做對比[9]。針對城市地區(qū)淺埋非對稱小凈距隧道施工時對城市地表變形的影響，分別從施工順序及支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力等方面進行研究[10-12]。

本文則針對不等跨小凈距隧道施工時相互影響方面進行研究，以大橫琴山一號隧道里程YK1+115斷面為模型藍(lán)本，建立二維數(shù)值模型，其中主線斷面最大開挖寬度14.10 m，而匝道斷面最大開挖寬度12.34 m，且兩斷面間距為10.02 m。本文使用有限元模擬軟件，分析不等跨小凈距隧道施工時相互影響，并研究不同圍巖條件下的相互影響規(guī)律，進一步分析不同施工工序的影響。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 有限元參數(shù)的選取

本模型基于大橫琴山一號隧道分叉段，根據(jù)大橫琴山工程地勘說明書，選取表1所示參數(shù)設(shè)計值，土體本構(gòu)選取摩爾庫倫本構(gòu)，支護結(jié)構(gòu)及錨桿以彈性模型模擬。

2.2 模型的建立

創(chuàng)建二維平面模型模擬土體結(jié)構(gòu)；創(chuàng)建梁單元模擬錨桿及支護結(jié)構(gòu)；對土體模型下部邊界的豎向及橫向進行約束，對左右邊界的橫向進行約束，主線與匝道采用臺階法不同時開挖。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 位移分析

如圖1、圖2所示，后開挖隧道施工后，先開挖隧道圍巖會產(chǎn)生二次變形，所以對后開挖隧道(即主線）時，需要對同斷面匝道處進行監(jiān)測，防止出現(xiàn)不利情況；同時因主線斷面略大于匝道斷面，因此主線上方豎向位移較大，所以不等跨小凈距隧道施工時，斷面較大的隧道上方位移較大；但對于地表沉降來說，主線開挖使地表沉降量整體增大，而最大沉降處位于兩洞中間略偏向主線方向處，因此監(jiān)控量測時需要注意兩洞中間地表沉降量。

圖1 特征線豎向位移曲線

圖2 地表沉降曲線

小凈距隧道施工時的關(guān)鍵在于中夾巖柱的穩(wěn)定。為分析中夾巖柱變化特點，采集中夾巖柱中間線位移值，提取水平及豎向位移，如圖3所示。圍巖位移在豎向方向上呈現(xiàn)明顯的上部下沉、下部隆起的特征，而B特征線上的豎向位移則相對較小，普遍小于0.2 mm，這就要求中夾巖柱有一定的抗壓能力。從水平位移來看，雖然值較小，普遍小于0.5 mm，但是從位移分布規(guī)律可以看出，由于洞室開挖，中夾巖柱向兩隧道方向膨脹，這對中夾巖柱的穩(wěn)定性也有一定影響，而從B特征線水平位移來看，中夾巖柱并非在斷面較大的大跨度隧道側(cè)水平位移大，而是在小跨度隧道側(cè)的水平位移加大，所以在加固時應(yīng)該注意小跨度側(cè)的水平方向加固。

圖3 中夾巖柱水平位移

2.3.2 主應(yīng)力分析

隧道開挖后引起的最大和最小主應(yīng)力見圖4、圖5。

圖4 最大主應(yīng)力云圖

(1）拱腳與兩隧道間的中夾巖柱存在應(yīng)力集中區(qū)，施工時鎖腳錨桿與中夾巖柱支護要保證質(zhì)量，注意其穩(wěn)定性，防止該部分發(fā)生破壞。

(2）后面開挖的隧道會造成前面先行開挖隧道應(yīng)力集中影響范圍擴大，其中小跨度隧道處的應(yīng)力集中更明顯，其最大、最小主應(yīng)力值更大。因此在施工中需要著重對匝道段進行監(jiān)測，防止失穩(wěn)。

圖5 最小主應(yīng)力云圖

2.3.3 支護結(jié)構(gòu)軸力、彎矩分析

對支護結(jié)構(gòu)各特征點軸力彎矩進行提取，各特征點位置如圖6所示。從表2中可以看出小跨度隧道上各特征點的軸力值比主線上軸力值較小，而彎矩值卻較大；對比匝道與主線內(nèi)外側(cè)的軸力值，可以看出，匝道上⑥、⑦、⑧號點的軸力值比②、③、④號點的軸力值大，而主線上卻正相反，②、③、④號點的軸力值比⑥、⑦、⑧號點的軸力值大，說明無論是匝道還是主線，在靠近中夾巖柱側(cè)的支護結(jié)構(gòu)上軸力較大。因此在施工支護結(jié)構(gòu)時，對支護結(jié)構(gòu)進行監(jiān)控，保證施工安全進行。

表2 主線與匝道各斷面軸力及彎矩值

圖6 各特征點位置

2.4 不同圍巖級別下對比分析

從表3中位移對比可以看出由于圍巖條件的變差，隧道周邊位移明顯變大，可以看到匝道斷面從Ⅲ級圍巖與Ⅳ級圍巖拱頂沉降相對偏差為28.77%，Ⅳ級圍巖與Ⅴ級圍巖拱頂沉降相對偏差為46.48%，同樣主線斷面從Ⅲ級圍巖與Ⅳ級圍巖拱頂沉降相對偏差為28.04%，Ⅳ級圍巖與Ⅴ級圍巖拱頂沉降相對偏差為43.55%，在同等圍巖級別對比，匝道與主線相對偏差一致，而Ⅳ級圍巖與Ⅴ級圍巖明顯比Ⅲ級圍巖與Ⅳ級圍巖的相對偏差大，所以隨著圍巖條件的變差，會對周邊位移產(chǎn)生更不利的影響，在支護時需要針對弱圍巖加強支護；但在Ⅲ級圍巖條件，匝道與主線絕對偏差為0.38 mm，相對偏差為14.62%，Ⅳ級圍巖條件為0.48 mm與13.87%，Ⅴ級圍巖條件為0.59 mm與10.80%，圍巖條件越差絕對偏差越大，因此在圍巖變差時，匝道與主線隧道周邊位移差距增大，在必要時需要進行不對稱支護，同時圍巖越差，兩隧道互相影響越明顯。

表3 不同圍巖級別位移對比mm

2.5 不同開挖順序?qū)Ρ确治?/h3>

為了對比不同開挖順序的影響，根據(jù)大橫琴山隧道的工程實際，設(shè)定兩種開挖方式:方式1為先開挖小跨度匝道；方式2為先開挖大跨度主線。如圖7匝道與主線拱頂沉降所示，主線普遍比匝道的拱頂沉降大，對比兩種開挖方式可以看到，雖然兩種開挖方式拱頂沉降大致相等，但匝道斷面在使用方式2開挖時拱頂沉降較大，而主線斷面在使用方式1時拱頂沉降較大。因此從位移來看，在開挖不等跨隧道時，先開挖小跨度斷面較好。

圖7 拱頂沉降曲線

圖8為隧道匝道段拱頂沉降監(jiān)測圖，圖中為匝道段3斷面在主線隧道未施工情況的拱頂沉降時程曲線，圖中最大位移為10 mm左右，而一般情況位移為5 mm左右，因此使用先匝道后主線施工方式施工時隧道處于安全狀態(tài)。其拱頂沉降監(jiān)測值見表4及表5。

圖8 拱頂沉降監(jiān)測曲線

表4 11月份A匝道拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總

表5 12月份A匝道拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總

3 隧道施工優(yōu)化調(diào)整與機械化施工

根據(jù)以上模型數(shù)據(jù)分析結(jié)論及時調(diào)整施工方案。

(1）優(yōu)選開挖順序。調(diào)整施工順序，將原定的優(yōu)先開挖主線的方案調(diào)整為優(yōu)先開挖匝道部分，確保減少周邊圍巖擾動，降低施工風(fēng)險。

(2）調(diào)整爆破參數(shù)。針對臨近段落調(diào)整爆破參數(shù)，加密周邊眼的數(shù)量，減少裝藥量，優(yōu)化爆破順序，提高爆破效率；對超欠挖進行嚴(yán)格控制，減小對巖體擾動，保證施工安全。

(3）采用先進裝備。通過使用三臂鑿巖臺車、拱架支立臺車、自動噴漿機等先進工裝設(shè)備提高施工效率，緊跟支護施工，防止圍巖變形過大，提高施工安全。

4 結(jié)論

(1）開挖不等跨小凈距隧道后，大跨度斷面隧道上部位移較大，同時其地表沉降極值位于隧道中間偏向大跨度隧道處。但從應(yīng)力分布來看，在施工時需要著重對小跨度隧道進行監(jiān)測，同時需要注意兩隧道內(nèi)側(cè)的支護結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測。

(2）中夾巖柱在小跨度隧道側(cè)的水平位移較大，因此在支護時，增加小跨度隧道側(cè)中夾巖柱的水平方向支護。

(3）對比不同圍巖條件變形受力特性，較弱圍巖條件施工時，需要進行不對稱支護，同時先施工小跨度隧道較優(yōu)。

(4）通過提前進行模型模擬與后續(xù)施工驗證，優(yōu)先開挖匝道有利于減少圍巖變形，能有效地降低施工風(fēng)險；同時利用先進設(shè)備，可以加快施工進度，保證施工安全，為今后類似不等跨小凈距隧道施工提供成功案例。