謝東東, 江書華, 閆飛躍

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,四川成都 610031)

0 引言

隧道工程對于改善路線線形、節(jié)省占地、緩解交通壓力有著重要意義,同時勢必面臨諸多近接施工問題。其中,并行隧道近接是一種極為常見的近接施工類型,如雙洞公路隧道的左、右線、雙洞單線鐵路隧道的左、右線、雙洞單線地鐵區(qū)間隧道以及既有隧道旁增建二線的鐵路等均構(gòu)成并行近接的關(guān)系。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對并行隧道近接施工的影響規(guī)律及施工措施開展了諸多研究。仇文革[1]、何永成[2]對兩隧道平行近接施工的影響分區(qū)劃分進行了研究,提出影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)劃分主要受圍巖力學(xué)特征、新建結(jié)構(gòu)及尺寸、新建結(jié)構(gòu)與既有隧道的位置關(guān)系、地質(zhì)條件等因素影響。在地鐵雙線盾構(gòu)隧道方面,將采用有限元及離散元等數(shù)值計算軟件模擬的結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)結(jié)合進行對比,獲得了地表及地層沉降變形規(guī)律及機理[3-9]。尹成虎[10],王振田[11],王建國等[12]針對實際工程具體分析,通過數(shù)值模擬對施工順序及工序進行比選獲得最優(yōu)方案。張建新等[13]采用ABAQUS對不同加固方式下小間距平行盾構(gòu)隧道掘進過程進行動態(tài)模擬,認為注漿加固對限制豎向位移較顯著,臺車支護對限制先行隧道側(cè)向位移效果顯著。魯嘯龍等[14]采用全過程施工模擬的方式在靜力和動力兩方面對既有隧道受到的影響進行研究,得出新建隧道施工中既有隧道位移和主應(yīng)力增量曲線表現(xiàn)為“S”形,且迎爆側(cè)的振動是影響施工安全的主要因素。H.N.-Wang等[15]給出了兩個相鄰圓形隧道在粘彈性巖石中連續(xù)開挖時產(chǎn)生的應(yīng)力和位移的解析解,該解與有限元分析結(jié)果具有較好一致性。Michael Vinod等[16]利用PLAXIS進行淺埋軟弱地層中圓形和矩形雙隧道襯砌表面沉降和彎矩的數(shù)值研究,得出矩形隧道襯砌最大彎矩高于圓形,但其具有較小沉降量,適用于淺埋軟弱地層。

然而對于小凈距并行隧道的礦山法施工對策措施研究較少,本文以重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋北側(cè)并行隧道工程為研究背景,采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法研究小凈距并行隧道施工對策的可行性,分析了該工況下的地表沉降以及先行隧道拱頂沉降的演變規(guī)律,進而得到其近接影響范圍,對以后類似工程具有一定的參考意義。

1 工程概況

重慶市曾家?guī)r嘉陵江大橋工程北側(cè)主線隧道出口段某區(qū)間段并行隧道最小凈距2.94 m,兩隧道間凈距2.94～5.49 m的長度段達39.6 m,該段為典型的小凈距并行隧道,兩隧道施工相互影響強烈。左線隧道洞徑為15.16 m,右線隧道洞徑為14.74 m,左右線隧道的平面位置關(guān)系見圖1。隧道埋深為9.0～15.0 m,處于Ⅳ級圍巖中,沿線覆蓋層為素填土、下伏基巖以砂巖為主,局部含泥巖薄層,地形受到人工改造強烈原始地貌變化較大,地面高低起伏,隧道埋深較小,成洞條件并不理想。

圖1 平面位置關(guān)系

該段設(shè)計采用CD法非爆破開挖,左線為先行隧道,右線為后行隧道。兩隧道設(shè)計支護設(shè)計相同,預(yù)加固措施為長4.0 m間距0.4 m的A42超前小導(dǎo)管;初期支護采用26 cm厚的C25噴射混凝土、間距0.5 m的I20b工字鋼、網(wǎng)格大小20 cm的A6鋼筋網(wǎng)片和長4.0 m間距1.0 m梅花形布置的C22砂漿錨桿;二次襯砌為60 cm厚的C35模筑混凝土;臨時支撐采用15 cm厚的C25噴射混凝土、間距0.5 m的I18工字鋼、網(wǎng)格大小20 cm的A6鋼筋網(wǎng)片和長1.5 m間距1.0 m梅花形布置的C22砂漿錨桿。

2 對策措施作用機理

為凸顯針對該段的施工對策措施,本文選取該線路中地質(zhì)、斷面尺寸相近且凈距為22.0 m的隧道區(qū)間,將其定義為普通段,將小凈距并行隧道區(qū)間定義為近接段,將兩者的施工對策措施進行對比,兩者施工對策措施見表1。

表1 施工對策措施

為保證近接施工過程中結(jié)構(gòu)安全性,一般從3方面采取措施:①減小施工擾動;②對夾巖進行加固;③對既有結(jié)構(gòu)進行加固。由表1對比可知:

(1)CD法相對于臺階法開挖工作面小,圍巖土體卸荷小,有利于控制變形,保障隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(2)非爆破開挖能有效減小兩隧道開挖對土體的二次擾動,保護圍巖的完整性,同時防止先行隧道結(jié)構(gòu)受到爆破振動破壞。

(3)超前小導(dǎo)管相對于超前錨桿對夾巖的預(yù)加固效果更好,其利用帶孔導(dǎo)管注入漿液,使?jié){液滲透到有效范圍,改善地層力學(xué)參數(shù),加固圍巖提高其承載能力。

(4)近接段各項支護設(shè)計均有所加強。這既是對先行隧道結(jié)構(gòu)的加固措施,又是降低后行隧道開挖支護后續(xù)變形影響的方式。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型尺寸及參數(shù)選取

本文采用有限差分軟件FLAC3D模擬靜力開挖,模擬分為2種工況,工況一采取表1中近接段施工措施,工況二采取表1中普通段施工措施。

基于工程概況對計算模型進行一定簡化,采用單一土層,建模時不考慮超前支護以及砂漿錨桿的作用。模型的幾何尺寸為橫向120.0 m、縱向40.0 m、豎向54.0～60.0 m,隧道埋深取9.0～15.0 m,兩隧道間凈距取3.0 m,有限元計算模型見圖2。圍巖、支護結(jié)構(gòu)均采用實體單元模擬,圍巖服從摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則,支護結(jié)構(gòu)視為線彈性體,前后左右面受水平約束,底面受豎向約束,計算僅考慮自重應(yīng)力場。

圖2 有限元計算模型

采用隧道模擬中常用的等效原理,將噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架組成的結(jié)構(gòu)體看成一種復(fù)合結(jié)構(gòu)體,其彈性模量理應(yīng)由各組成材料按照一定的比例累加而成[18]。假設(shè)等效之后初期支護結(jié)構(gòu)的彈性模量為E,其計算式為式(1)。

(1)

式中:E0為C25噴射混凝土彈性模量;Eg為鋼拱架彈性模量;Sg為鋼拱架截面面積;x為鋼拱架間距;y為初支厚度。計算中Ⅳ級圍巖及支護結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)TB-10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[19]進行選取,并根據(jù)表1參數(shù)代入公式(1)計算,得出各材料參數(shù)如表2所示。

表2 模型參數(shù)取值

3.2 施工過程模擬

2種工法均按照每步進尺1.67 m進行模擬,均在先行隧道施工完畢后開挖后行隧道。對于CD法,首先CD1開挖5 m,然后CD1和CD2同時開挖,CD1比CD2超前5 m,以此類推,前一開挖面超前后開挖面5 m,直至開挖完畢,最后拆除臨時支撐的同時施作二襯。對于臺階法,首先上臺階開挖5 m,然后上臺階和下臺階同時開挖,直至開挖完畢施作二襯。CD法和臺階法斷面見圖3、圖4。

3.3 監(jiān)測項目

基于計算模型的幾何對稱性以及工程概況,避免邊界效應(yīng)影響,選取近接段區(qū)間隧道的正中斷面作為數(shù)值模擬監(jiān)測斷面,主要監(jiān)測項目為地表沉降曲線、正中斷面兩隧道中心對稱軸上地表監(jiān)測點沉降以及先行隧道拱頂沉降,監(jiān)測斷面及測點示意如圖5所示。

圖5 監(jiān)測斷面及測點示意

3.4 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.4.1 對比分析

對比2種工況旨在研究采取近接施工措施是否能更好地控制近接施工影響,保障施工安全,不從施工成本和工期影響的角度進行討論。

模擬施工過程不同階段各關(guān)鍵點位移值如表3所示,拱頂沉降從先行隧道CD1開挖至監(jiān)測斷面開始累積。先行隧道施工完畢時,工況一相比于工況二先行隧道拱頂沉降減少了21.2%,地表最大沉降減少了26.3%;后行隧道施工完畢時,工況一相比于工況二先行隧道拱頂沉降減少了19.2%,地表最大沉降減少了24.2%;在后行隧道施工引起的變形增量上,工況一相比于工況二先行隧道拱頂沉降增量減少了16.6%,地表最大沉降增量減少了20.7%。結(jié)果表明,采取近接施工措施對各關(guān)鍵點變形控制效果顯著,能有效降低近接施工影響,保證結(jié)構(gòu)的安全性。

表3 關(guān)鍵點計算位移 單位:mm

3.4.2 近接措施下地表沉降分析

近接措施下監(jiān)測斷面地表沉降曲線見圖6,地表沉降曲線呈現(xiàn)“V”形,影響范圍在距中心對稱軸35 m內(nèi)。隨著后行隧道開挖,凹槽從先行隧道中線向兩隧道中心擴張,最終曲線谷底略微靠近先行隧道一側(cè),這是因為先后行隧道開挖對圍巖造成“群洞疊加效應(yīng)”引起的。為此,將地表沉降曲線A、B相減得到因后行隧道施工引起的沉降曲線C,可見曲線C的凹槽略大于曲線A,這是因為后行隧道開挖對圍巖造成二次擾動,且擾動程度更大,圍巖完整程度進一步降低引起的。

提取兩隧道中心對稱軸上地表沉降監(jiān)測點的變形數(shù)據(jù),作其施工全過程沉降曲線如圖7所示。由圖7可知:

圖7 地表監(jiān)測點沉降曲線

(1)先行隧道開挖后監(jiān)測點沉降為2.62 mm,后行隧道開挖后監(jiān)測點沉降為6.47 mm,近接施工引起的沉降增量為3.85 mm,占總比例的59.5%,大于50%,究其原因與上述曲線C形成原因一致。

(2)從2條曲線走勢可見,曲線近似呈“S”形,CD1開挖面距監(jiān)測斷面10 m時,地表沉降速率增大;CD3開挖面距監(jiān)測斷面5 m時,地表沉降速率進一步增大;隨著開挖繼續(xù)推進,沉降速率逐漸減小,沉降量趨于穩(wěn)定,在拆除臨時支撐施作二襯期間,沉降量小幅度增加。

3.4.3 近接措施下拱頂沉降分析

近接措施下先行隧道拱頂沉降量從先行隧道CD1開挖至監(jiān)測斷面開始累積,作其施工全過程沉降曲線如圖8所示。由圖8可知:

圖8 先行隧道拱頂沉降曲線

(1)對應(yīng)于先行隧道開挖的曲線,先行隧道拱頂沉降在CD1開挖面經(jīng)過監(jiān)測斷面后,沉降速率稍有減小,在CD3開挖面到達監(jiān)測斷面附近時沉降速率突然增大,隨后沉降曲線趨于收斂,在拆除臨時支撐施作二襯期間,沉降量小幅度增加。

(2)對應(yīng)于后行隧道開挖的曲線,其曲線走勢與地表監(jiān)測點沉降曲線走勢基本一致,CD1、CD3開挖面經(jīng)過監(jiān)測斷面附近時對先行隧道拱頂沉降產(chǎn)生強影響。

(3)先行隧道開挖后拱頂沉降為4.31 mm,后行隧道開挖后拱頂沉降為7.93 mm,近接施工引起的沉降增量為3.62 mm,占總比例的45.6%,說明該工況下的并行隧道近接施工影響較強,但在近接措施下,先行隧道拱頂沉降得到有效控制。

3.4.4 近接措施下結(jié)構(gòu)變形分析

近接措施下,對比后行隧道開挖前后先行隧道監(jiān)測斷面變形,作放大系數(shù)為2000的初支外輪廓變形如圖9所示。由圖9可知,拱頂變形明顯且靠近后行隧道一側(cè)變形較大,先行隧道邊墻變形很小,整體略微向后行隧道一側(cè)偏移,這可能是由于后行隧道開挖使圍巖應(yīng)力向后行隧道一側(cè)釋放而產(chǎn)生形變。

圖9 先行隧道監(jiān)測斷面變形

4 現(xiàn)場監(jiān)測

實際施工中采取了表1近接施工對策措施,并選取有代表性且與數(shù)值模擬相對應(yīng)的區(qū)間隧道正中斷面布置測點,使用水準(zhǔn)儀、全站儀、土壓力盒等儀器進行地表沉降、拱頂沉降、圍巖壓力量測。量測方法與量測頻率嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)范進行,收集數(shù)據(jù)分析圍巖支護的變形受力情況。

4.1 變形分析

將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析,作現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬地表沉降對比如圖10所示,先行隧道拱頂沉降對比如圖11所示。

圖10 地表沉降實測與模擬對比

圖11 先行隧道拱頂沉降實測與模擬對比

根據(jù)圖10、圖11可得出:

(1)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示,地表沉降曲線呈現(xiàn)“V”形,谷底偏向先行隧道一側(cè);并且后行隧道CD1開挖面距監(jiān)測斷面10 m時,先行隧道拱頂開始受到影響,拱頂沉降曲線呈現(xiàn)“S”形。這與數(shù)值模擬得到的規(guī)律基本吻合,能較好地反映小凈距并行隧道施工地表沉降及拱頂沉降的演變規(guī)律。

(2)現(xiàn)場監(jiān)測到的最大地表沉降為8.6 mm,先行隧道拱頂沉降增量為4.2 mm,各值均滿足設(shè)計要求,近接施工對策措施是切實可行的。

(3)各項變形實測值均略大于模擬值,主要原因為數(shù)值模擬進行簡化選用了單一土層而實際土層存在各向異性,同時是數(shù)值模擬的支護是瞬時起作用的,而實際施工的支護需要凝結(jié)時間才有一定強度。并且,有限元分析時單元采用的假設(shè)形函數(shù),會造成剛度偏大,變形偏小,因此就算是完全重現(xiàn)實際情況,數(shù)值模擬也會小于實際。

4.2 圍巖壓力分析

各測點土壓力變化如圖12所示,先行隧道土壓力盒測點布置如圖13所示。各測點土壓力變化曲線呈現(xiàn)“S”形,在后行隧道CD1開挖面距監(jiān)測斷面10 m時,先行隧道土壓力開始受到影響,隨著后行隧道推進,先行隧道土壓力趨于穩(wěn)定。土壓力變化量均小于20 kPa,可見近接措施現(xiàn)場實施效果好,將后行隧道施工對先行隧道圍巖壓力的影響控制在較小范圍。

圖12 先行隧道土壓力變化

圖13 土壓力盒測點布置

5 結(jié)論與建議

本文以重慶市曾家?guī)r嘉陵江大橋北側(cè)小凈距并行隧道工程為背景,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法對小凈距并行隧道施工的對策措施及影響進行了分析,得出幾點結(jié)論。

(1)針對小凈距并行隧道施工,CD法非爆破開挖、超前小導(dǎo)管、加強支護設(shè)計等施工措施是切實可行的,能有效控制并行隧道近接施工引發(fā)的變形量,保證隧道施工運營中的安全性。

(2)小凈距并行隧道施工引起的地表沉降曲線呈現(xiàn)“V”形,曲線谷底略微靠近先行隧道一側(cè)。

(3)后行隧道施工過程中,先行隧道變形受力曲線呈現(xiàn)“S”形,具有顯著規(guī)律性,后行隧道開挖面距先行隧道10 m時,先行隧道開始受到較強近接施工影響。

本文結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測研究對策措施,總結(jié)出小凈距并行隧道地表沉降、拱頂沉降演變規(guī)律,可供類似工程參考。僅從安全角度研究措施是否可行,未從經(jīng)濟及工期方面考慮對措施進行優(yōu)化,建議可從多角度如支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力等出發(fā),研究針對小凈距并行隧道的安全省時經(jīng)濟的對策措施。