劉德兵 王振興 王付華 宋戰(zhàn)平 陳興周

（1.中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司 陜西西安 710016；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 陜西西安 710055；3.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司 北京 100011；4.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／西安建筑科技大學(xué) 陜西西安 710055；5.西安科技大學(xué)土木工程學(xué)院 陜西西安 710054）

1 引言

我國(guó)西南地區(qū)許多隧道洞口段存在淺埋、偏壓、地質(zhì)條件差等工程問題［1－4］。然而隧道洞口段施工步驟繁雜以及在淺埋、偏壓的影響下，導(dǎo)致洞口段圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)［5］和邊坡穩(wěn)定性差［6－8］，并且洞口段圍巖壓力［9－10］和變形特性受施工開挖方法的影響較大，當(dāng)前許多隧道洞口段開挖采用CRD法和CD法。但對(duì)于采用全斷面施工方法進(jìn)行圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響的研究較少；同時(shí)有關(guān)并行隧道的研究雖然較多，但對(duì)于一種受地形地貌和既有建筑物影響而形成的雙洞隧道以錯(cuò)開一段距離同時(shí)開挖的研究尚屬空白。因此，研究錯(cuò)距雙洞隧道洞口段同時(shí)采用全斷面開挖法施工時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)和邊、仰坡變形及受力特性，對(duì)確保隧道經(jīng)濟(jì)、合理建設(shè)具有很大的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文以宜畢高速公路范閣梁1號(hào)隧道進(jìn)口段工程項(xiàng)目為依托，以確保隧道施工時(shí)邊、仰坡以及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)，采用Midas GTS NX建立數(shù)值模型，分析隧道施工時(shí)邊、仰坡以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力特性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步研究該方案的合理性，從而指導(dǎo)工程施工，并為類似隧道建設(shè)提供參考依據(jù)和解決思路［11－12］。

2 工程概況

范閣梁1＃隧道進(jìn)口段位于昭通市威信縣羅坭村，隧道處于山體斜坡地帶。施工時(shí)為了降低兩條隧道洞口處邊、仰坡的高度，設(shè)計(jì)成一種前后錯(cuò)距的雙洞隧道，右線隧道長(zhǎng)2 725 m，左線隧道長(zhǎng)2 741 m，兩條隧道前后錯(cuò)距16 m，左右相距12 m。

根據(jù)隧道工程地質(zhì)條件、圍巖特征，隧道采用全斷面法同時(shí)進(jìn)行開挖，然而由于1＃隧道存在16 m的錯(cuò)距段導(dǎo)致兩隧道之間夾有的巖柱缺失，且該段隧道在偏壓作用影響下穩(wěn)定性較差。

3 隧道施工數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

研究區(qū)域右線隧道里程為K44＋540～K44＋604的區(qū)間，左線隧道里程為K44＋556～K44＋604。建模確定左線隧道距離左側(cè)邊界39 m，右線隧道距離右側(cè)邊界49 m，隧道距離底部邊界25 m。模型只考慮在自重條件下隧道開挖對(duì)圍巖及邊、仰坡的影響，模型四周及底面邊界分別設(shè)置水平約束和豎向約束。在數(shù)值分析中，Y軸負(fù)方向?yàn)樗淼篱_挖支護(hù)方向，Z軸負(fù)方向?yàn)檫?、仰坡開挖支護(hù)方向。三維數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

3.2 屈服準(zhǔn)則及計(jì)算參數(shù)

本文選擇簡(jiǎn)單實(shí)用且參數(shù)容易獲得的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則作為巖土體本構(gòu)模型。

采用等效彈性模量對(duì)初期支護(hù)鋼拱架、鋼筋網(wǎng)格和噴射混凝土進(jìn)行計(jì)算，具體公式描述如下：

式中：E為等效后初支彈性模量；E0為噴射混凝土彈性模量；Eg為鋼筋彈性模量；Sg為鋼筋橫截面面積；S0為混凝土橫截面面積。具體材料支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)

3.3 數(shù)值分析方案

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)情況確定兩條隧道的洞口及邊、仰坡位置，然后對(duì)洞口處土層自上而下進(jìn)行第一層邊、仰坡開挖，開挖完成后及時(shí)進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)，按此順序直至開挖支護(hù)到第三層邊、仰坡。

（2）在兩隧道將要開挖的隧道正洞洞口處山體外側(cè)進(jìn)行長(zhǎng)6 m、厚0.9 m的支護(hù)。

（3）破除兩條隧道正洞方向洞口處仰坡混凝土支護(hù)，并以2 m進(jìn)尺進(jìn)行全斷面開挖及支護(hù)。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 位移特征分析

選取右線隧道K44＋560和左線隧道K44＋586作為特征斷面進(jìn)行分析。

（1）邊、仰坡位移分析

隧道開挖完成前后邊、仰坡豎向位移云圖如圖2和圖3所示。

由圖2可知，隧道開挖之前，邊、仰坡豎向位移主要表現(xiàn)為邊、仰坡土體向上隆起，且邊、仰坡沉降范圍主要為距離地表較近的第一層土體處，而在土體受下滑力及自身重力的耦合影響下，越靠近即將開挖的右線隧道右側(cè)下方的邊、仰坡土體隆起越明顯，最大值達(dá)到0.388 cm。

由圖3可知，隧道開挖完成后，在土體下滑力及自身重力的耦合影響下，土體隆起最大值為0.024 cm，且隆起最大范圍主要集中在最下層的邊、仰坡；最大豎向位移沉降值為－0.215 cm，沉降主要表現(xiàn)在距離地表較近的第一層土體上，且較隧道開挖前的沉降范圍有所集中。

（2）拱頂沉降位移分析

圖4為隧道拱頂沉降曲線。由圖4可知，右線隧道拱頂豎向位移經(jīng)歷了變形緩慢增長(zhǎng)、變形急劇增加和變形逐漸趨于穩(wěn)定三個(gè)階段；而左線隧道拱頂豎向位移只有變形急劇增加和變形逐漸趨于穩(wěn)定兩個(gè)階段。當(dāng)隧道開挖至第23施工步時(shí)，即右線隧道開挖至34 m時(shí)，其拱頂沉降已達(dá)到最終沉降的95.5%，此后沉降量增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸放緩；而在第23～第40施工步之間，左線隧道沉降量大于右線隧道沉降量。

總體而言，錯(cuò)距雙洞隧道以全斷面法同時(shí)開挖，拱頂沉降變形主要分為變形緩慢增加、變形急劇增加、變形趨于穩(wěn)定3階段。

4.2 受力特征分析

（1）邊、仰坡受力分析

隧道開挖完成前后邊、仰坡最大剪應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示。

由圖5可知，在隧道開挖前仰、邊坡最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在靠近兩隧道洞口下面的支護(hù)結(jié)構(gòu)上，且在各級(jí)坡面上從下向上最大剪應(yīng)力逐漸減小。

由圖6可知，由于隧道開挖卸荷，從而使得仰、邊坡的最大剪應(yīng)力逐漸減小，此時(shí)最大剪應(yīng)力發(fā)生在右線隧道錯(cuò)開段16 m距離的隧道內(nèi)部，而且在隧道開挖后邊、仰坡受到的剪應(yīng)力整體上大于隧道開挖之前邊、仰坡的最大剪應(yīng)力值。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

圖7為右線隧道K44＋560和左線隧道K44＋586特征斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)受力云圖。

由圖7可知，左線隧道初支正彎矩最大值為108.260 kN·m，負(fù)彎矩最大值為－120.828 kN·m，且右線隧道和左線隧道二襯拱腳處分別出現(xiàn)了正負(fù)彎矩的最大值。這就表明，后開挖完成的右線隧道對(duì)先開挖完成的左線隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生一定的影響，即對(duì)兩條隧道之間的巖柱產(chǎn)生影響。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了能更好地了解錯(cuò)距雙洞隧道在全斷面法施工過程中的變形特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)洞口段左線隧道K44＋604和右線隧道K44＋561斷面進(jìn)行隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)對(duì)比如見圖8所示。

將拱頂沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可知右線隧道在開挖后的5～20 d內(nèi)隧道拱頂沉降較大，而左線隧道在開挖后的10～20 d內(nèi)隧道拱頂沉降較大?？傮w而言，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬分析結(jié)果有相同的變形規(guī)律，且在快速變形階段以后，拱頂沉降最終趨于穩(wěn)定。數(shù)值模擬結(jié)果比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值小，其原因可能是數(shù)值模擬對(duì)圍巖進(jìn)行了簡(jiǎn)化，沒有考慮圍巖中節(jié)理、裂隙等因素影響。

6 結(jié)論

針對(duì)宜畢高速公路項(xiàng)目范閣梁1＃隧道進(jìn)口段的施工穩(wěn)定性問題，研究了錯(cuò)距雙洞隧道采用全斷面開挖時(shí)的施工穩(wěn)定性，研究結(jié)論如下：

（1）錯(cuò)距雙洞隧道洞口段采用全斷面法對(duì)兩條隧道同時(shí)開挖施工方法安全、可行，可滿足該隧道洞口段在淺埋偏壓影響下施工安全。

（2）范閣梁1＃錯(cuò)距雙洞隧道錯(cuò)開段部分的邊、仰坡以及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工穩(wěn)定性較差。

（3）對(duì)范閣梁1＃錯(cuò)距雙洞隧道采用全斷面法同時(shí)開挖，兩條隧道拱頂沉降和水平收斂變形總體上可分為變形緩慢增加、變形急劇增加、變形趨于穩(wěn)定3個(gè)階段。

（4）跟蹤現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行的隧道變形和地表沉降監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬所反映的規(guī)律基本一致，說明數(shù)值模擬準(zhǔn)確可靠。