馬敬夫

(中交第四公路工程局有限公司， 北京市 100022)

1 概述

小凈距隧道是指相鄰隧洞的間隔巖壁厚度小于規(guī)范中獨立雙洞的最小凈距要求，布置形式較為特殊的一種隧道。其設計和施工技術難點為：小凈距隧道合適凈距的確定，支護設計參數的選定，不同地質條件各施工方法的比較和確定，兩隧洞施工時的相互影響，以及中夾巖加固技術等。針對這類問題，中國國內很多學者已經開始了探索，如戴俊等對小凈距隧道的施工方法進行了模擬研究;羅玉虎等對小凈距隧道施工力學響應進行了研究;龔建伍等對小凈距隧道施工方案進行了優(yōu)化分析等。但是地質條件千差萬別導致不同實際工程必須進行實事求是的研究。

該文依托福州繞城項目隧道，全長為879 m，高度為8.255 m，含仰拱的總高度為10.5 m，最大開挖寬度達16.792 m，位于兩個斷裂帶中間的次級斷塊。隧道洞口從內向外依次為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，中部的斷層為60 m Ⅳ、Ⅴ級圍巖，剩余都是凝灰熔巖的Ⅲ級圍巖。兩個獨立雙洞的最小距離為24.6 m，小于規(guī)范要求的Ⅲ級圍巖2B、Ⅳ級圍巖2.5B、Ⅴ級圍巖3.5B(B為開挖斷面的寬度)，屬于小凈距隧道。由于隧道大部分巖層傾向與縱向軸向夾角較小，存在施工難度大、易于塌方、控制難度大等問題。

針對依托工程特殊的地質條件，該文采用 “開挖卸載模擬方法”對地下結構的應力應變場進行模擬分析，采用“施加虛擬支撐力逐步釋放法” 對施工全過程應力應變進行模擬分析，應用Ansys開發(fā)施工過程施加虛擬的支撐力命令數據流，并自動完成對地應力逐步釋放的過程分析，且采用單元對施工各個工序進行過程模擬分析。以兩腰收斂和拱頂沉降為監(jiān)控量測數據來驗證施工方案的最優(yōu)性，從而選取最優(yōu)的實施方案，以科學指導施工，保障施工安全。

2 隧道Ⅴ級圍巖不同開挖方法的模擬

針對Ⅴ級圍巖，根據3種可行的工法：單側壁導洞法(圖1)、雙側壁導洞法(圖2)、CD法(圖3)，使用Ansys軟件，分別建立有限元分析模型(圖4)，進行施工過程模擬，通過分析不同工法的圍巖應變和應力，比選小凈距隧道Ⅴ級圍巖最科學的工法。圖1～3中，所標數字為各施工方案的施工工序。

圖1 單側導坑法

圖2 雙側壁導坑法

圖3 CD法

圖4 有限元計算網格圖

(1) 單側導坑法工序：① 右側先行導坑開挖；② 右側錨噴支護；③ 左側開挖；④ 左側錨噴支護；⑤ 左側導坑開挖；⑥ 左側錨噴支護；⑦ 右側開挖；⑧ 右側錨噴支護；⑨ 全斷面襯砌完成。

(2) 雙側壁導坑法工序：① 右側導坑開挖；② 右側導坑錨噴支護；③ 左側導坑開挖；④ 左側導坑錨噴支護；⑤ 中間上導坑開挖；⑥ 中間上導坑錨噴支護；⑦ 中間下導坑開挖；⑧ 中間下導坑錨噴支護；⑨ 上臺階開挖；⑩ 上臺階錨噴支護；下臺階開挖；下臺階錨噴支護；全斷面襯砌完成。

(3) CD法工序：① 右側上導洞開挖；② 右側上導洞錨噴支護；③ 右側下導洞開挖；④ 右側下導洞錨噴支護；⑤ 左側上導洞開挖；⑥ 左側上導洞錨噴支護；⑦ 左側下導洞開挖；⑧ 左側下導洞錨噴支護；⑨ 上臺階開挖；⑩ 上臺階錨噴支護；下臺階開挖；下臺階錨噴支護；全斷面襯砌完成。

小凈距隧道施工的彈塑性動態(tài)過程分析中，考慮了材料的非線性，以真實模擬巖石、混凝土和土體等材料。由數據表輸入材料特性值，輸入值為3個：內摩擦角(φ)、黏聚力(c)、膨脹角(φf)。膨脹角φf用來指示體積膨脹大小，該文對Ⅴ級圍巖采用保守方法，不考慮膨脹角φf的影響，即其取值為0。

依據施工圖設計文件，確定圍巖、混凝土的力學參數，有限元計算的相關參數見表1。

表1 采用有限元計算物理力學參數

由設計文件可知：該隧道Ⅴ級圍巖兩洞的凈距為11 m、單洞的跨徑為15.60 m、掌子面的開挖高度為11.67 m、初噴厚25 cm、仰拱厚40 cm，依據數據構建Ansys模型，錨桿的長度為3.5 m、直徑為2.5 cm、環(huán)向間距為1.0 m，其中，地質破碎帶夾巖采用超前小導管的方式注漿加固，模擬計算時使用直徑3.0 cm錨桿替換。模型的下邊界取值52 m，左右的邊界均取值62 m，上邊界取值淺埋39 m。對模型使用施加約束法建立邊界條件， 使用加固定支座法約束模型底面自由度，使用滑動支座法約束隧道平行走向兩側水平自由度，放任垂直自由度，從而仿真模擬隧道拱頂的沉降過程。

實際隧道開挖時，洞內位移觀測點常規(guī)布置一般如圖5所示，因此，該文也選取這些點示出其有限元計算結果。

圖5 拱頂沉降和水平收斂測點布置圖

按3種施工方法模擬的拱頂沉降和水平收斂位移量計算結果見表2。

表2 3種開挖方法的拱頂沉降和水平收斂位移

3 計算結果分析

3.1 單側壁導坑法

從表2可以看出：

(1) 單側壁導坑施工法，在隧道左洞掌子面完成支護(工序③)時，拱頂沉降a為-7.92 mm，c點沉降為-9.88 mm，b點的位移相對較小。左洞右邊墻的a2水平方向位移相對較大，累計達到-8.79 mm，但均小于規(guī)范要求累計100 mm。

(2) 左洞掌子面開挖支護(工序⑤)完成后，拱頂下沉a點變化最大，為-16.48 mm，隧道拱頂左側的c點變化值相對較大，為-14.77 mm，右側的b點變化位移較小。左洞右側水平向位移值較小，a2水平向的位移值為-8.14 mm,a1水平向的位移值為10.56 mm，兩側水平位移越來越趨于平緩。右洞的內側導坑完成支護(工序①)時，左洞a點的拱頂沉降變?yōu)?19.64 mm，其他兩點(c、b)沉降分別為-15.61、-16.86 mm。右洞d點沉降量為-16.33 mm，f點沉降量為-12.43 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

(3) 隧道右洞的全斷面開挖完成(工序⑨)時，左洞拱頂的a點最大沉降量為-21.26 mm，右洞的d點最大沉降量為-22.78 mm，經分析，右洞最終的沉降量要大于左洞。左洞右洞水平向位移整體趨于對稱分布，數值也趨于接近，a1點的水平向位移最終為10.52 mm，a2為-7.37 mm，a3為10.33 mm，a4為-11.66 mm，但均小于規(guī)范要求100 mm。

3.2 雙側壁導坑法

由表2可知：

(1) 左洞內側的平行導坑支護完畢(工序③)時，內側拱部的c點沉降值為-3.58 mm。左洞右邊墻a2點的水平位移相對較大，為-4.81 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

(2) 隧道的左洞外側支護完畢(工序⑤)時，拱頂b點沉降量為-4.75 mm，拱頂c點沉降量為-4.38 mm。左洞a2的水平位移變?yōu)?5.41 mm，a1點水平位移為2.08 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

(3) 左洞上臺階支護完成(工序⑦)時，左洞a點拱頂沉降最大為-10.21 mm，其他兩個觀測點(b、c)的沉降值也有不同增加，分別為-6.48、-6.12 mm，水平位移的數值變小，均小于規(guī)范要求100 mm。

(4) 左洞全斷面開挖全部完成后(工序⑨)，左洞a點拱頂沉降值為-12.21 mm，拱頂的b、c兩點沉降值分別為-8.61、-8.22 mm，相對平衡。左右洞水平位移值分別為-1.09、-3.41 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

3.3 CD法

由表2可知：

(1) 隧道左洞的內側上導坑完成初期支護后(工序③)，右側拱部的c點沉降量為-4.88 mm，拱頂a點沉降值為-4.48 mm,左側的拱頂沉降變化較小，左洞的右邊墻a2水平向位移量變化不明顯，為-1.79 mm，小于規(guī)范要求100 mm。

(2) 隧道的左洞內側支護完畢時(工序⑤)，拱部右邊的c點沉降量達到最大，為-5.41 mm，拱頂的a點變化很小。左洞右側的水平位移變大，為-3.55 mm，小于規(guī)范要求100 mm。

(3) 隧道左洞外側開挖上導坑支護完成時(工序⑦)，左洞拱頂沉降a點變?yōu)?.69 mm，拱部兩腰兩點沉降增幅相對較大，分別為-8.48、-7.83 mm，小于規(guī)范要求100 mm。水平向位移值變化相對不大。

(4) 隧道整個斷面開挖完成后(工序⑨)，左洞拱頂a點的沉降為-9.91 mm，拱頂b、c兩處沉降為-9.33、-7.85 mm。水平方向位移、左洞洞壁兩側水平向位移為3.37、-3.05 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

3.4 3種施工方法模擬結果比較

(1) 從水平收斂位移來看，單側壁導坑法施工產生的位移量最大，其次是雙側壁導坑法，CD法施工水平位移量最小，而且各測點的位移量不盡相同。

(2) 從拱頂3點沉降值來看，單側壁導坑法施工產生的位移量最大，其次是雙側壁導坑法，CD法施工產生的拱頂位移量最小，而且拱頂a、d測點的位移量最大。

4 施工過程實測結果分析

福州繞城項目隧道實際施工采用的是CD法開挖,施工過程中對洞內位移進行了監(jiān)測。圍巖水平收斂位移及拱頂沉降位移見表3。

表3 CD法實測拱頂沉降位移和水平收斂位移

由表3可知：

(1) 隧道左洞的內側上導坑完成初期支護后(工序③)，右側拱部的c點沉降量為-4.95 mm，拱頂a點沉降值為4.40 mm,左側的拱頂沉降變化較小，左洞的右邊墻a2水平向位移量變化不明顯，為-1.81 mm，小于規(guī)范要求的100 mm。

(2) 隧道的左洞內側支護完成時(工序⑤)，拱部右邊的c點沉降量達到最大，為-5.50 mm，拱頂的a點變化很小。左洞右側的水平位移變大，為-3.70 mm，小于規(guī)范要求100 mm。

(3) 隧道左洞外側開挖上導坑支護完成時(工序⑦)，左洞拱頂沉降a點變?yōu)?8.61 mm，拱部兩腰兩點(b、c)沉降增幅相對較大，分別為-6.90、-7.50 mm，小于規(guī)范要求100 mm。水平向位移值變化相對不大。

(4) 隧道整個斷面開挖完成后(工序⑨)，左洞拱頂a點沉降為-9.90 mm，b、c兩處沉降為-8.70、-7.75 mm。水平方向位移、左洞洞壁兩側水平向位移為3.34、-3.11 mm，均小于規(guī)范要求100 mm。

對比表2、3可知：經理論值和實測值對比，CD法開挖大斷面、小凈距隧道，可以較好地控制沉降和水平位移，更接近理論計算模擬的過程分析，可以較好地指導隧道全過程施工，以此為依據可以更好地防控隧道安全風險。

5 結語

以福州繞城項目大斷面、小凈距隧道施工實例為依托，采用有限元軟件Ansys建立實體模型，針對Ⅴ級圍巖條件，分別以單側壁導洞法、雙側壁導洞法、CD法3種施工方法進行施工模擬，通過施工全過程中拱頂3點的沉降以及周邊收斂數據的對比分析可知：對于Ⅴ級圍巖的大斷面、小凈距隧道施工，采取CD法比較合適，安全性較好，可以有效規(guī)避隧道施工過程的高風險。其次為雙側壁導坑法施工。對于單側壁導坑法施工，位移數值變化較大，安全性較差，經濟投入也大，應盡量避免采用。