周貴兵

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200000)

新建隧道開挖將引起周邊圍巖應(yīng)力重分布，繼而影響到鄰近建、構(gòu)筑物的受力及變形[1-4]。鑒于此，需對(duì)新建隧道開挖所產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行分析并加以控制，以保證鄰近建、構(gòu)筑物的安全。

現(xiàn)狀二峨山隧道為國(guó)道G213的一部分，是連接成都、仁壽的主要通道之一；現(xiàn)狀二峨山隧道全長(zhǎng)約2.3 km，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向兩車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，隧道于2012年1月建成通車，隧道建成后將原來的上路減少20 km，將兩地的通行時(shí)間減少約20 min，社會(huì)效益明顯。近幾年兩地的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，成都與仁壽的聯(lián)系愈加頻繁，現(xiàn)狀二峨山隧道已經(jīng)成為兩地交流的交通瓶頸，需進(jìn)行擴(kuò)容改建，擴(kuò)容改建方式采取在現(xiàn)狀隧道南側(cè)新建一條隧道。

1 工程概況

1.1 隧道概況

新建二峨山隧道位于成都平原南部的仁壽縣鋼鐵鄉(xiāng)境內(nèi)，隧址處地貌為低山與丘陵區(qū)。新建隧道設(shè)計(jì)為單向兩車道，與現(xiàn)狀隧道形成雙向四車道道路功能。新建隧道與現(xiàn)狀隧道洞徑保持一致，內(nèi)輪廓洞徑11.1 m，開挖洞徑12.5～12.8 m。新建隧道與現(xiàn)狀隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道，新舊隧道之間水平凈距為28～30 m，隧道凈距小于2.5D，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)時(shí)為小凈距隧道；隧道最大埋深約224 m(圖1)。

圖1

1.2 工程水文地質(zhì)情況

1.2.1 地質(zhì)情況

隧址區(qū)域?qū)偎拇ㄅ璧財(cái)嗔褬?gòu)造活動(dòng)較弱區(qū)，褶皺構(gòu)造較為發(fā)育，同時(shí)伴生有巖體裂隙，對(duì)隧道洞身影響較大的因素主要為龍泉山背斜和圍巖裂隙。隧址山體寬緩，地層以侏羅系上統(tǒng)遂寧組及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖夾砂巖為主，無煤系地層瓦斯、采空區(qū)等影響，巖質(zhì)成分以石英、長(zhǎng)石、云母為主，黏土礦物成分次之，不具備圍巖膨脹性破壞。

隧址處表層主要為人工填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖，深層地層主要為中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化砂巖。隧道圍巖主要以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主。

1.2.2 地表水

隧址區(qū)內(nèi)屬亞熱帶氣候，溫暖濕潤(rùn)，夏季雨量充沛，降雨多集中在7～9月雨季。隧址區(qū)為單一背斜構(gòu)造，兩側(cè)斜坡發(fā)育有縱向沖溝，多為季節(jié)性流水溝，且在山坡上沿溝多修筑池塘水池，沖溝中流水受季節(jié)和人為影響較大，沖溝在兩側(cè)坡腳位置匯合后，形成溪流，枯水季節(jié)溝水下滲溝底后無地表水流匯集，常形成斷流。

1.2.3 地下水

擬建區(qū)地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，按其所處構(gòu)造、地形部位及含水介質(zhì)、賦存條件、補(bǔ)、排條件和水動(dòng)力特性基本可分為三種含水巖組：松散堆積層孔隙含水帶、基巖風(fēng)化裂隙含水帶和泥巖、砂巖孔隙裂隙含水組。隧址區(qū)地下水主要儲(chǔ)存于砂巖及泥巖裂隙、孔隙及第四系松散堆積層孔隙之中，一般沿淺表基巖層間裂隙或龍泉山箱型背斜構(gòu)造裂隙發(fā)育段運(yùn)移、徑流，再由地勢(shì)低洼處以滲漏或泉水形式排泄于地表，隧道穿越地下水補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)兩段區(qū)域。

(4) 模型修正： 檢驗(yàn)或修正(不同種群的起始數(shù)量不同，所以起始數(shù)量修正為N0)模型修正為Nt=N0×λt。然后，教師總結(jié)。用數(shù)學(xué)模型來描述野兔種群增長(zhǎng)的規(guī)律，用N0表示野兔種群的起始數(shù)量。λ表示野兔種群數(shù)量每年的增長(zhǎng)倍數(shù),Nt表示t年后野兔種群的數(shù)量,那么t年后野兔種群的數(shù)量可用數(shù)學(xué)公式可表示為Nt=N0×λt。也可用年份為橫坐標(biāo)，以種群數(shù)量為縱坐標(biāo)，繪制成曲線，該曲線形似字母“J”。所以，把該曲線稱為J型曲線。顯然，曲線圖能更直觀地反映種群數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但沒有數(shù)學(xué)公式表示的數(shù)學(xué)模型精確。綜合這兩種模型,學(xué)生就不難理解野兔數(shù)量增長(zhǎng)為什么如此之快。

2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)及開挖設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有隧道設(shè)計(jì)資料、工程水文地質(zhì)資料，新建隧道采用新奧法設(shè)計(jì)，襯砌結(jié)構(gòu)根據(jù)圍巖情況采用復(fù)合襯砌。新建隧道及老隧道典型襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2、圖3、表1所示。

圖2 新建隧道Ⅴ級(jí)圍巖襯砌斷面(單位:mm)

圖3 新建隧道Ⅳ級(jí)圍巖襯砌斷面(單位:mm)

表1 隧道主要結(jié)構(gòu)參數(shù)一覽

新建隧道根據(jù)圍巖等級(jí)分別采用CD法(Ⅴ級(jí)圍巖)、臺(tái)階法(Ⅳ級(jí)圍巖)，兩種工法開挖斷面示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 新建隧道Ⅴ級(jí)圍巖CD法開挖斷面

圖5 新建隧道Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法開挖斷面

3 開挖計(jì)算分析

3.1 模型建立

為研究新建二峨山隧道開挖對(duì)現(xiàn)狀隧道的影響，分別對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法的工況和Ⅴ級(jí)圍巖CD法的工況進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算模型長(zhǎng)120 m，高60 m，左側(cè)為現(xiàn)狀隧道，右側(cè)為新建隧道，根據(jù)隧道縱斷面地質(zhì)圖，埋深選取22 m，兩隧道內(nèi)輪廓跨度為11.1 m，高為8.5 m。對(duì)于約束條件，模型上方為自由端，其余端設(shè)置法向約束。不同圍巖條件下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸見表2。模型均采用2D單元?jiǎng)澐?圖6、圖7)。

圖6 模型尺寸(單位:m)

圖7 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

圍巖和加固區(qū)考慮為彈塑性材料采用摩爾庫倫模型，初支和二襯考慮為彈性模型。根據(jù)地勘資料和相關(guān)規(guī)范[5-6]綜合確定計(jì)算參數(shù)，Ⅴ級(jí)圍巖加固區(qū)相比Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù)提高一個(gè)亞級(jí)，Ⅳ級(jí)圍巖不考慮超前支護(hù)對(duì)圍巖的加固效果，初支進(jìn)行了等效剛度，具體參數(shù)見表2。

表2 物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算模型中，現(xiàn)狀隧道完成后，新建隧道根據(jù)圍巖等級(jí)按臺(tái)階法(Ⅳ級(jí)圍巖)和CD法(Ⅴ級(jí)圍巖)開挖進(jìn)行計(jì)算，分析新建隧道完成后對(duì)現(xiàn)狀隧道的影響?，F(xiàn)狀隧道修建完成后將其變形清零，以便更好分析新建隧道對(duì)其影響。

3.3.1 應(yīng)力

圖8 Ⅳ級(jí)圍巖現(xiàn)狀隧道完成時(shí)現(xiàn)狀隧道最大主應(yīng)力

圖9 Ⅳ級(jí)圍巖現(xiàn)狀隧道完成時(shí)現(xiàn)狀隧道最小主應(yīng)力

圖10 Ⅴ級(jí)圍巖現(xiàn)狀隧道完成時(shí)現(xiàn)狀隧道最大主應(yīng)力

圖11 Ⅴ級(jí)圍巖現(xiàn)狀隧道完成時(shí)現(xiàn)狀隧道最小主應(yīng)力

圖12 Ⅳ級(jí)圍巖新建隧道完成時(shí)現(xiàn)狀隧道最大主應(yīng)力

圖13 Ⅳ級(jí)圍巖新建隧道完成時(shí)現(xiàn)狀隧道最小主應(yīng)力

圖14 Ⅴ級(jí)圍巖新建隧道完成時(shí)現(xiàn)狀隧道最大主應(yīng)力

圖15 Ⅴ級(jí)圍巖新建隧道完成時(shí)現(xiàn)狀隧道最小主應(yīng)力

由圖8～圖15可知，兩種工法新建隧道施工完成后，現(xiàn)狀隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布形態(tài)基本不變但應(yīng)力值增大。其中Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法現(xiàn)狀隧道結(jié)構(gòu)均受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力增加0.25 MPa；Ⅴ級(jí)圍巖CD法最大、最小主應(yīng)力分別增加0.052 MPa(拉應(yīng)力)和0.31 MPa(壓應(yīng)力)。新建隧道完成后現(xiàn)狀隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力值增幅小于襯砌應(yīng)力增加的容許標(biāo)準(zhǔn)值(拉應(yīng)力0.3 MPa，壓應(yīng)力1 MPa)[4]且未超過現(xiàn)狀隧道混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度(C30)。

3.3.2 塑性區(qū)

根據(jù)計(jì)算模型，得到Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法和Ⅴ級(jí)圍巖CD法修建新隧道下圍巖的塑性區(qū)分布情況(圖16)。

表3 現(xiàn)狀隧道各階段應(yīng)力結(jié)果 kPa

(a) Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法

(b) Ⅴ級(jí)圍巖CD法圖16 新建隧道完成時(shí)圍巖塑性區(qū)

由圖16可知，兩種工況均未使得現(xiàn)狀隧道附近圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)。

3.3.3 位移

根據(jù)計(jì)算模型，得到Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法和Ⅴ級(jí)圍巖采用CD法完成新建隧道后現(xiàn)狀隧道的位移變形情況，變形云圖見圖17～圖20。

圖17 Ⅳ級(jí)圍巖現(xiàn)狀隧道水平位移(單位:m)

圖18 Ⅳ級(jí)圍巖現(xiàn)狀隧道豎向位移(單位:m)

圖19 Ⅴ級(jí)圍巖現(xiàn)狀隧道水平位移(單位:m)

圖20 Ⅴ級(jí)圍巖現(xiàn)狀隧道豎向位移(單位:m)

由圖17～圖20可知，新建隧道完成后，現(xiàn)狀隧道水平位移往右朝新建隧道方向變形；豎向位移向下，且靠近新建隧道側(cè)的變形大于另一側(cè)。Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開挖施工時(shí)，現(xiàn)狀隧道水平和豎向位移最大值分別為0.05 mm和0.17 mm；Ⅴ級(jí)圍巖采用CD法開挖施工時(shí)，現(xiàn)狀隧道水平和豎向位移最大值分別為0.15 mm和0.28 mm。根據(jù)以上結(jié)果，兩種工況現(xiàn)狀隧道的變形均小于3 mm[7]，符合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀隧道變形控制要求。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出新建隧道對(duì)現(xiàn)狀隧道的影響結(jié)論如下：

(1)新建隧道按照設(shè)計(jì)開挖工法所引起的現(xiàn)狀隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加及位移變形均較小且現(xiàn)狀隧道周圍未出現(xiàn)塑性區(qū)，可滿足現(xiàn)狀隧道的安全運(yùn)行。

(2)新建隧道與現(xiàn)狀隧道雖為小凈距隧道，但隧道凈距總體較大，新建隧道開挖斷面大小適中，新建隧道施工過程中對(duì)現(xiàn)狀隧道的影響是可控且易控的。施工中加強(qiáng)對(duì)爆破振速的控制，并嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”方針進(jìn)行施工，可保證現(xiàn)狀隧道的安全。