譚 鵬， 王福聰， 肖 昌， 俞 凡， 馬龍祥*

(1.中鐵二局第五工程有限公司， 成都 610091； 2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司， 成都 610000； 3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 成都 610031)

近年來(lái)，中國(guó)城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的不斷提高對(duì)公共交通尤其是高速公路的建設(shè)提出了更高的要求。新建高速公路的規(guī)模越來(lái)越大，大量的三車(chē)道、四車(chē)道超大斷面高速公路隧道先后建成。與此同時(shí)，在山區(qū)高速公路選線時(shí)由于受地形限制，使得小凈距隧道越來(lái)越多地出現(xiàn)在工程實(shí)踐中。在小凈距群洞隧道施工過(guò)程中，圍巖由于受多次擾動(dòng)，更易破壞，從而給施工安全帶來(lái)隱患，對(duì)施工技術(shù)提出了更高要求[1-4]。小凈距隧道群施工的主要技術(shù)內(nèi)容包括施工順序選擇、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、中巖柱加固等。針對(duì)這一問(wèn)題，中外對(duì)并行小凈距隧道的施工開(kāi)展了大量研究。田志宇等[5]通過(guò)數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等研究手段，從靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面，對(duì)小凈距隧道中夾巖的破壞模式進(jìn)行了研究，得到了小凈距隧道中夾巖的破壞始于靠先行洞一側(cè)拱腰位置的結(jié)論。范曉真等[6]采用ABAQUS有限元軟件對(duì)小凈距上下重疊盾構(gòu)隧道的施工擾動(dòng)進(jìn)行了研究，得出了不同上下行隧道施工順序?qū)σr砌結(jié)構(gòu)受力無(wú)顯著影響，但會(huì)顯著影響已建隧道的襯砌位移的結(jié)論，并提出了先開(kāi)挖下行隧道，再開(kāi)挖上行隧道的施工順序。吳夢(mèng)軍等[7]通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段，對(duì)卵石層小凈距隧道不同開(kāi)挖凈距與掌子面縱向間距下襯砌結(jié)構(gòu)受力變形與地表沉降進(jìn)行了研究，提出了左右洞合理凈距與先后行洞掌子面安全縱向間距。王春國(guó)[8]針對(duì)偏壓大跨小凈距隧道在施工過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律展開(kāi)研究，并利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比論證分析，為偏壓大跨小凈距公路隧道的設(shè)計(jì)和施工提供了科學(xué)依據(jù)。

雖然中外學(xué)者對(duì)小凈距隧道施工設(shè)計(jì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果，但大多局限于兩線隧道施工的相互影響，而對(duì)四洞并行大斷面山嶺隧道群建設(shè)過(guò)程中的施工相互影響問(wèn)題的研究還極為少見(jiàn)，并無(wú)一套成熟的技術(shù)可供參考。為此，采用FLAC3D有限差分軟件，依托成都天府機(jī)場(chǎng)高速公路龍泉山隧道工程建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬群洞動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程，研究后行隧道施工對(duì)先行隧道圍巖塑性區(qū)特征及支護(hù)結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力大小與分布的影響，以期為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

成都新機(jī)場(chǎng)高速公路主線全長(zhǎng)56 km，共設(shè)置兩座隧道，分別為龍泉山1號(hào)隧道(2 236 m)和龍泉山2號(hào)隧道(2 381 m)，兩隧道均采用雙向10車(chē)道客貨分流設(shè)計(jì)(車(chē)道布置為2+3+3+2形式，各洞室按線路前進(jìn)方向自左向右依次為D1、K、D2、D3)，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h。龍泉山地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為砂巖與泥巖薄層及透鏡體，隧址區(qū)圍巖等級(jí)為Ⅳ、V級(jí)為主。隧道最大開(kāi)挖斷面達(dá)到190 m2，隧道間距10～40 m，屬小凈距大斷面隧道，如圖1所示。

隧道群各洞室開(kāi)挖斷面面積分別為120、180、180、120 m2圖1 龍泉山1號(hào)隧道出口情況Fig.1 Exit of Longquan Mountain No.1 Tunnel

2 數(shù)值計(jì)算方案

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)龍泉山隧道施工設(shè)計(jì)方案，采用FLAC3D軟件對(duì)隧道群開(kāi)挖和支護(hù)進(jìn)行三維數(shù)值模擬。模型計(jì)算范圍水平方向及隧道底板以下圍巖取4倍洞跨或洞高(三車(chē)道隧道最大跨度達(dá)到19.8 m，兩車(chē)道隧道開(kāi)挖跨度為14.2 m)，計(jì)算模型隧道凈距均取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際典型凈距15 m，上邊界取至地表[9-11]，沿隧道軸線方向長(zhǎng)90 m，模型總體尺寸為長(zhǎng)(沿隧道橫斷面方向)×寬(沿隧道軸向)×高(沿隧道群豎向)=200 m×90 m×90 m。模型邊界施加約束條件，上邊界為自由面。地層采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，初期支護(hù)及二次襯砌均采用實(shí)體單元模擬，錨桿采用錨索單元，鋼架作用則按剛度等效方法將鋼架彈性模量折算給噴射混凝土，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 隧道群計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of tunnel group

2.2 群洞施工順序模擬

為確保安全施工，避免相鄰兩洞之間相互干擾，確保中巖墻穩(wěn)定不被破壞，在隧道群開(kāi)挖時(shí)，控制先行洞與后行洞的開(kāi)挖步距。龍泉山隧道四洞開(kāi)挖順序及錯(cuò)距控制如下：兩側(cè)2車(chē)道隧道先同時(shí)開(kāi)挖，接著中間兩3車(chē)道隧道依次開(kāi)挖，相鄰隧道掌子面錯(cuò)開(kāi)距離控制在30 m。數(shù)值模擬過(guò)程中，考慮隧道在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力調(diào)整和初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)，通過(guò)采取應(yīng)力釋放的方法模擬實(shí)際開(kāi)挖。Ⅳ級(jí)圍巖條件下應(yīng)力釋放率控制在30%，并在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施作后，釋放所有剩余荷載[12-13]。

2.3 計(jì)算參數(shù)

本工程的地質(zhì)情況主要以粉砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，為方便分析及計(jì)算，以Ⅳ級(jí)圍巖地質(zhì)條件為主進(jìn)行研究分析。隧道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，二襯采用C30混凝土，圍巖及支護(hù)的物理學(xué)參數(shù)參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)[14]取值，具體如表1所示。其中，隧道超前小導(dǎo)管注漿加固等效為圍巖材料性質(zhì)的提高[15]，鋼架作用則按剛度等效方法將其彈性模量折算給噴射混凝土[16]。

表1 圍巖及支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock and support materials

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 圍巖塑性區(qū)分布特征分析

圖3給出了隧道群開(kāi)挖過(guò)程中的塑性區(qū)分布：在兩側(cè)2車(chē)道隧道開(kāi)挖初始，圍巖塑性區(qū)主要分布在隧道拱肩、邊墻和拱腳部位，由于兩隧道距離較遠(yuǎn)，在塑性區(qū)分布上未產(chǎn)生明顯相互影響。隨著中間兩3車(chē)道隧道的開(kāi)挖，兩側(cè)先行洞左右拱肩及拱腳部位塑性區(qū)變大，且在靠近后行洞一側(cè)的變化較大。綜上，可以發(fā)現(xiàn)隧道群開(kāi)挖過(guò)程中并不會(huì)引起較大范圍的塑性區(qū)發(fā)展，進(jìn)而不會(huì)導(dǎo)致處于薄弱部位的中巖柱出現(xiàn)塑性區(qū)貫通現(xiàn)象，說(shuō)明在該開(kāi)挖順序下隧道群施工的相互影響有限，最終塑性區(qū)在可控范圍，能滿足施工開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性的要求。

圖3 隧道群開(kāi)挖過(guò)程中圍巖塑性區(qū)Fig.3 Plastic zone of surrounding rock in the tunnel group excavation process

3.2 洞周監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力及變形分析

為了對(duì)隧道群開(kāi)挖過(guò)程中先行洞初支的變形及受力情況進(jìn)行研究，特在每個(gè)隧道斷面布置8個(gè)監(jiān)控點(diǎn)[17]，如圖4所示。

圖4 洞周監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of monitoring points around primary lining

圖5～圖8為隧道群開(kāi)挖過(guò)程中隧道初支受力及變形情況。從圖5、圖6隧道群開(kāi)挖過(guò)程中各洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力變化來(lái)看，隧道初支受力受相鄰隧道開(kāi)挖影響較大，在初支受壓方面表現(xiàn)更為明顯。而先行洞初支受力在相鄰后行洞開(kāi)挖完成后即趨于穩(wěn)定，其受力隨后續(xù)隧道開(kāi)挖不再發(fā)生顯著變化，這主要是由于后續(xù)隧道與先行洞間距離增大，對(duì)先行洞圍巖造成的擾動(dòng)有限。先行隧道初支壓應(yīng)力增量較大的部位主要分布在先行洞靠近后行洞一側(cè)的邊墻位置；而拉應(yīng)力增量較大的部位則主要分布在拱頂部位且其量值較大。同時(shí)，上述量值大小均隨后行洞開(kāi)挖斷面的增加及隧道凈距的減小而增大。

圖5 隧道群開(kāi)挖過(guò)程中各洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力變化Fig.5 Maximum principal stress change diagram of monitoring points in the tunnel group excavation process

圖6 隧道群開(kāi)挖過(guò)程中各洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)最小主應(yīng)力變化Fig.6 Minimum principal stress change diagram of monitoring points in the tunnel group excavation process

由圖7、圖8可見(jiàn)，在隧道群開(kāi)挖過(guò)程中，隧道初支均產(chǎn)生向隧道內(nèi)收斂的變形，且變形量較大值集中在隧道拱頂部位。隧道初支變形同受力變化規(guī)律基本一致，先行隧道初支變形受到后行隧道開(kāi)挖的影響，且影響程度隨隧道凈距的減小和開(kāi)挖斷面的增大而增大。

圖7 隧道群開(kāi)挖過(guò)程中各洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化Fig.7 Displacement change diagram of monitoring points in the tunnel group excavation process

圖8 隧道群開(kāi)挖完成后圍巖及初支變形Fig.8 Surrounding rock and primary lining deformation after tunnel group excavation

總體上看，隧道初支受力和變形均處在合理范圍值以內(nèi)，滿足隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力承載和變形要求，表明在該施工工序下能夠滿足施工安全性要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，采用兩側(cè)2車(chē)道隧道先同時(shí)開(kāi)挖，接著中間兩3車(chē)道隧道依次開(kāi)挖，同時(shí)相鄰隧道掌子面錯(cuò)開(kāi)距離控制在30 m的施工工序能夠滿足施工安全性要求，故在現(xiàn)場(chǎng)采用該施工工序進(jìn)行開(kāi)挖?，F(xiàn)場(chǎng)各隧道具體施工順序如圖9所示。各隧道均采用臺(tái)階法施工，上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在15 m(1～1.5倍洞徑)，在地層失去自穩(wěn)能力之前盡快開(kāi)挖下臺(tái)階，并且及時(shí)施作初期支護(hù)，如圖10所示。

圖9 隧道群施工順序示意圖Fig.9 Construction sequence sketch of tunnel group

采用在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)初期支護(hù)變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，監(jiān)控點(diǎn)布置如圖11所示。

圖11 初支監(jiān)控點(diǎn)布置Fig.11 Layout of initial support monitoring point

通過(guò)對(duì)4個(gè)隧道里程D1K22+174、D3K22+252、K22+730、D2K22+760典型斷面隧道拱頂變形分別進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到各隧道拱頂沉降實(shí)測(cè)曲線如圖12所示?？梢钥闯觯焊魉淼拦绊敵两惦S隧道開(kāi)挖過(guò)程逐漸收斂，沉降最終量值均比數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏大，主要表現(xiàn)在三車(chē)道隧道K線和D2線上，最大偏差在32%左右；隧道拱頂沉降變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果類(lèi)似，即先行隧道拱頂沉降受后行相鄰隧道開(kāi)挖的影響較明顯，先行隧道拱頂沉降有明顯增大現(xiàn)象。

圖12 各隧道拱頂沉降實(shí)測(cè)曲線Fig.12 Measured curve of settlement of each tunnel vault

總體上看，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，在一個(gè)量級(jí)范圍內(nèi)且變形規(guī)律基本一致，故此數(shù)值計(jì)算能較好模擬龍泉山隧道群的實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程。

5 結(jié)論

以龍泉山大斷面小凈距隧道群為工程依托，運(yùn)用數(shù)值模擬手段并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，分析后行隧洞開(kāi)挖對(duì)先行隧洞圍巖塑性區(qū)、初支受力及變形產(chǎn)生的影響。得出如下主要結(jié)論。

(1)先行隧道初支受力及變形受后行相鄰隧道開(kāi)挖影響較大，且其影響隨著隧道凈距的減小和后行隧道斷面的增大而增大；先行隧道初支壓應(yīng)力最大增量發(fā)生在靠后行隧道一側(cè)的邊墻部位，拉應(yīng)力最大增量發(fā)生在拱頂部位。

(2)從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，采用先開(kāi)挖兩側(cè)兩車(chē)道隧道，再依次開(kāi)挖中間兩個(gè)三車(chē)道隧道，且各相鄰隧道開(kāi)挖掌子面錯(cuò)距30 m的施工方案，可將各隧道初支結(jié)構(gòu)受力及變形等安全性指標(biāo)保持在可控范圍。

(3)鑒于后行隧道對(duì)先行隧道的初支受力及變形的擾動(dòng)影響，建議先行隧道不宜過(guò)早施作剛性初支，以免隧道群后行隧道開(kāi)挖引發(fā)先行隧道初支破壞開(kāi)裂，至于對(duì)隧道群初支施作時(shí)機(jī)則有待進(jìn)一步的研究。