唐國(guó)軍，陳人豪，周　祥

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西　南寧　530029)

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高速公路小凈距隧道施工技術(shù)研究

唐國(guó)軍，陳人豪，周祥

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530029)

摘要：小凈距隧道左右洞間凈距小，施工中相互影響大，容易造成圍巖失穩(wěn)特別是中夾巖層的破壞。文章以桂林至三江高速公路第二合同段達(dá)海隧道為工程實(shí)例，通過二維數(shù)值模擬，分析了采用臺(tái)階法、環(huán)形開挖留核心土法、反CD法、CD法等四種施工方法進(jìn)行小凈距隧道開挖時(shí)的圍巖位移、應(yīng)力及塑性區(qū)特征，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)情況，提出了合理的設(shè)計(jì)和施工工藝。

關(guān)鍵詞：小凈距隧道；數(shù)值模擬；位移；應(yīng)力；塑性區(qū)；監(jiān)控量測(cè)；施工

0引言

高速公路建設(shè)中頻繁遇到隧道工程，受特殊地質(zhì)及地形條件、水文、橋隧銜接、路線線形等因素的限制，多采用小凈距隧道或連拱隧道等特殊結(jié)構(gòu)型式。與連拱隧道造價(jià)高、工期長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)相比，小凈距隧道能較好地解決連拱隧道以上存在的問題，取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益。劉艷青、鐘世航等[1]以寧波招寶山隧道為依托，對(duì)小凈距隧道進(jìn)行

了數(shù)值模擬，分析了圍巖的應(yīng)力和塑性區(qū)分布，并把計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際量測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；胡元芳[2]采用數(shù)值方法計(jì)算了不同圍巖級(jí)別、不同凈距下雙線隧道圍巖的破壞區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)分布情況，并對(duì)廈門仙岳山隧道進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析；張永興等[3]采用強(qiáng)度折減彈塑性有限元方法，計(jì)算了在不同凈距情況下隧道的安全系數(shù)，并將安全系數(shù)突變時(shí)的凈距作為合理凈距；晏啟群、何川等[4]采用三維快速有限差分法，對(duì)軟巖小凈距隧道進(jìn)行開挖分析，提出合理的開挖方法及重點(diǎn)關(guān)注的薄弱環(huán)節(jié)、工程措施。目前國(guó)內(nèi)對(duì)小凈距隧道的研究很多，取得了不少有益的結(jié)論，但由于我國(guó)小凈距隧道建設(shè)起步較晚，目前依然存在設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)保守、缺乏施工工法等情況，因此有必要結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行研究，以優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工工法，提升我國(guó)小凈距隧道設(shè)計(jì)和施工水平。本文以桂林至三江高速第二合同段達(dá)海隧道為項(xiàng)目依托，通過有限元分析，對(duì)CD法、反CD法、環(huán)形開挖留核心土法、臺(tái)階法四種施工方法施工中隧道圍巖(特別是中夾巖層)的變形、應(yīng)力、塑性區(qū)進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，提出合理的設(shè)計(jì)和施工工藝。

1模型建立

本項(xiàng)目工程段以黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖為主，裂隙發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取的計(jì)算模型尺寸為：120×82 m(寬×高)，隧道開挖洞徑B=13.6 m，洞高H=10.65 m，雙洞凈距7.49 m，隧道埋深20 m，屬于淺埋，如圖1所示。圍巖采用平面應(yīng)變單元，噴射混凝土采用梁?jiǎn)卧?，錨桿采用植入式桁架。模型左右側(cè)面和底部約束，頂部為自由邊界。對(duì)比開挖方法的開挖順序見圖2，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1　計(jì)算參數(shù)表

圖1　整體模型圖

圖2　開挖順序圖

2計(jì)算結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬隧道開挖，可以得出CD法、反CD法、環(huán)形開挖留核心土法和臺(tái)階法四種施工方法進(jìn)行開挖過程中引起圍巖應(yīng)力、應(yīng)變、位移的變化，從而可以得知哪種開挖方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)小，有利于圍巖穩(wěn)定。有了這樣的結(jié)論之后，就可以定性地判斷每一種開挖方法的優(yōu)劣性，并根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，找出應(yīng)力、應(yīng)變、位移大的地方，進(jìn)行提前加固、及時(shí)支護(hù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1位移分析

從小凈距隧道單洞、雙洞開挖后的地表沉降曲線(如圖3、圖4所示)可以看出：左洞開挖造成地表沉降偏向于左側(cè)，且數(shù)值較??；隨著開挖右洞后，地表沉降曲線逐步往右偏移，最終地表沉降最大值在中夾巖層中線位置出現(xiàn)，曲線與中夾巖層中線對(duì)稱分布。左洞開挖造成地表沉降較小，右洞開挖再次擾動(dòng)圍巖，地表沉降就相應(yīng)的增大很多。由地表沉降曲線可得，臺(tái)階法和環(huán)形開挖留核心土法開挖地表沉降最大，反CD法次之，CD法則能減少對(duì)圍巖擾動(dòng)，更好地控制圍巖變形。由圖5小凈距隧道開挖各拱頂沉降曲線可知：左洞開挖對(duì)自身沉降影響大，對(duì)右洞圍巖也產(chǎn)生擾動(dòng)，但擾動(dòng)較小，故右洞拱頂這個(gè)階段沉降?。挥叶撮_挖后自身沉降馬上增大，對(duì)左洞圍巖產(chǎn)生了再次擾動(dòng)，左洞拱頂沉降隨著右洞開挖逐漸增大。總體上看四種施工方法開挖都是右洞拱頂沉降大于左洞的，這是由于左洞在右洞開挖前已經(jīng)進(jìn)行了及時(shí)支護(hù)，限制了圍巖變形；臺(tái)階法由于一次開挖跨度大，雖然對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)少但其擾動(dòng)強(qiáng)度大，所以臺(tái)階法開挖拱頂沉降大于其他三種開挖方法產(chǎn)生的沉降。圖6～9為四種施工方法左右洞開挖完成后，形成的豎向位移云圖，結(jié)合具體查詢數(shù)值可以從中得出以下結(jié)論：圍巖變形近似于對(duì)稱分布，右洞范圍圍巖變形數(shù)值稍微大一點(diǎn)；隧道拱頂沉降變形最大，底部隆起值最大；中夾巖層中上部變形比較大，需要進(jìn)行加固處理。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出中夾巖層在隧道左右洞開挖過程中橫向變形發(fā)生了左右移動(dòng)，數(shù)值雖然不大，但應(yīng)引起重視，由于篇幅有限，并未列出隧道的橫向位移云圖。綜上所述，可以得出在控制小凈距隧道開挖圍巖變形方面，CD法比反CD法、環(huán)形開挖留核心土法、臺(tái)階法更有優(yōu)勢(shì)，能夠控制圍巖變形。根據(jù)對(duì)小凈距隧道位移的計(jì)算結(jié)果，在進(jìn)行小凈距隧道設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)做到：開挖進(jìn)尺小，圍巖支護(hù)和仰拱施做要及時(shí)，封閉成環(huán)，限制圍巖變形；對(duì)中夾巖層中上部進(jìn)行預(yù)加固。

圖3　左洞開挖后地表沉降曲線圖

圖4　雙洞開挖后地表沉降曲線圖

圖5　小凈距隧道開挖各拱頂沉降曲線圖

圖6　臺(tái)階法豎向位移云圖

圖7　環(huán)形開挖留核心土法法豎向位移云圖

圖8　反CD法豎向位移云圖

圖9　CD法豎向位移云圖

2.2應(yīng)力分析

圖10～17分別是臺(tái)階法、環(huán)形開挖留核心土法、反CD法、CD法四種施工方法開挖下的最大、最小主應(yīng)力，用來評(píng)價(jià)隧道施工開挖對(duì)圍巖的影響情況。從圖中可以看出，各施工方法開挖下的圍巖應(yīng)力主要集中在拱頂和仰拱底部，左右洞拱頂、仰拱的主應(yīng)力大致相同。臺(tái)階法、環(huán)形開挖留核心土法拱頂拉應(yīng)力比較大，而反CD法、CD法拉應(yīng)力主要集中在仰拱底部，總體上看是由于開挖模擬支護(hù)及時(shí)，各施工方法均未出現(xiàn)太大的應(yīng)力集中區(qū)。從以往眾多小凈距隧道施工情況上看，會(huì)發(fā)現(xiàn)中夾巖層的穩(wěn)定至關(guān)重要，是整個(gè)施工過程中的重點(diǎn)，在此可重點(diǎn)關(guān)注一下中夾巖層的受力情況。從各施工方法的應(yīng)力云圖中，中夾巖層位置顏色較深，再跟旁邊圖例對(duì)照可以發(fā)現(xiàn)中夾巖層中部壓應(yīng)力比左右洞圍巖應(yīng)力要大，其上部出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力。這是由于小凈距隧道左右洞開挖，兩次擾動(dòng)中夾巖層，使其受力復(fù)雜。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)中夾巖層進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)；在施工中對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖應(yīng)以人工或機(jī)械開挖為主，輔以弱爆破開挖，并對(duì)中夾巖層進(jìn)行預(yù)注漿、施做錨桿等措施進(jìn)行加固，改善其受力狀態(tài)。CD法開挖擾動(dòng)中夾巖層產(chǎn)生的應(yīng)力比臺(tái)階法、環(huán)形開挖留核心土法、反CD法開挖產(chǎn)生的應(yīng)力要小很多，體現(xiàn)了其在控制中夾巖層應(yīng)力上的優(yōu)越性。

圖10　臺(tái)階法最大主應(yīng)力云圖

圖11　環(huán)形開挖留核心土法最大主應(yīng)力云圖

圖12　反CD法最大主應(yīng)力云圖

圖13　CD法最大主應(yīng)力云圖

圖14　臺(tái)階法最小主應(yīng)力云圖

圖15　環(huán)形開挖留核心土法最小主應(yīng)力云圖

圖16　反CD法最小主應(yīng)力云圖

圖17　CD法最小主應(yīng)力云圖

2.3塑性區(qū)分析

小凈距隧道開挖后，圍巖在空間上所受約束減少，這樣圍巖中某一斜截面上剪應(yīng)力超過臨界值，就會(huì)在這個(gè)位置發(fā)生剪切破壞。根據(jù)隧道開挖后應(yīng)力和塑性區(qū)的分布情況，可以定性判定圍巖的破壞機(jī)理[5]。對(duì)比臺(tái)階法單洞和雙洞開挖完塑性區(qū)(圖16、17)分布，可知單洞開挖完后塑性區(qū)已經(jīng)有了一定的發(fā)展，主要集中在拱腰、拱腳位置，雙洞開挖完后左右洞塑性區(qū)分布位置大致相同，右洞范圍比左洞大一些。塑性區(qū)分布在拱腳、拱腰位置，主要是因?yàn)橹ёo(hù)是分部進(jìn)行的，開挖上臺(tái)階支護(hù)就跟到上臺(tái)階，圍巖應(yīng)力就首先在拱腰位置集中；開挖下臺(tái)階支護(hù)施做以后，圍巖應(yīng)力由初支傳遞到拱腳位置，形成應(yīng)力集中。從圖18～21臺(tái)階法、環(huán)形開挖留核心土法、反CD法、CD法塑性區(qū)云圖中可知：臺(tái)階法開挖產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍最大，塑性應(yīng)變最大，中夾巖層塑性區(qū)范圍最大；環(huán)形開挖留核心土法與臺(tái)階法相比塑性區(qū)要小很多，這是由于核心土的存在，控制了塑性區(qū)的發(fā)展；CD法開挖產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍最小，塑性應(yīng)變最小，中夾巖層塑性區(qū)范圍最??；CD法開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)程度小，能保證圍巖穩(wěn)定。本次模擬的小凈距隧道中夾巖層厚度為7.49 m，四種施工方法開挖中夾巖層都沒有形成通透的塑性區(qū)，說明了必須保證有足夠的中夾巖層厚度，保證其穩(wěn)定，在厚度不足的情況時(shí)應(yīng)加強(qiáng)預(yù)加固，防止中夾巖層發(fā)生破壞。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)在拱腰、拱腳位置對(duì)鋼拱架進(jìn)行加強(qiáng)拱腳穩(wěn)定設(shè)計(jì)，對(duì)中夾巖層進(jìn)行加固設(shè)計(jì)；施工中應(yīng)嚴(yán)把施工質(zhì)量，防止拱腳下沉和中夾巖層破壞。

圖18　臺(tái)階法塑性區(qū)云圖

圖19　環(huán)形開挖留核心土法塑性區(qū)云圖

圖20　反CD法塑性區(qū)云圖

圖21　CD法塑性區(qū)云圖

3工程應(yīng)用

達(dá)海隧道為雙向四車道小凈距隧道，最小凈距為7.49 m，單洞跨度13.6 m，左右線長(zhǎng)度為Z3K57+218～Z3K57+393，K57+217～K57+400，左洞長(zhǎng)175 m，右洞長(zhǎng)183 m。左右洞進(jìn)出口各有一段長(zhǎng)約50 m的Ⅴ級(jí)圍巖。按設(shè)計(jì)要求，采用CD法對(duì)洞口Ⅴ級(jí)圍巖段進(jìn)行施工，施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，取進(jìn)口左洞Z3K57+238、右洞K57+238附近斷面的地表及拱頂監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)見表2、表3，可知地表沉降、左洞拱頂沉降一開始發(fā)展很快，這是由于支護(hù)不及時(shí)，拱腳落腳不穩(wěn)，施工中根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)增設(shè)鎖腳錨桿、拱腳注漿等加強(qiáng)拱腳措施，沉降很快得到控制；右洞開挖時(shí)支護(hù)及時(shí)，加強(qiáng)了拱腳措施，沉降變化不大。以往設(shè)計(jì)中采用預(yù)注漿和預(yù)應(yīng)力對(duì)拉錨桿對(duì)中夾巖層進(jìn)行加固，由于隧道空間不足，施工工藝要求高，施工設(shè)備不全等原因造成預(yù)應(yīng)力對(duì)拉錨桿施工質(zhì)量差，起不到應(yīng)有的效果；本工程根據(jù)實(shí)際情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用中空注漿錨桿代替預(yù)應(yīng)力對(duì)拉錨桿，施工中很好地保護(hù)了中夾巖層，安全、穩(wěn)定掘進(jìn)。

表2　達(dá)海隧道進(jìn)口端Z3K57+238～

表3　達(dá)海隧道進(jìn)口端洞口Z3K57+238～K57+238

4結(jié)語(yǔ)

通過四種施工方法的計(jì)算分析表明：采用CD法進(jìn)行小凈距隧道開挖有利于控制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定；建議在達(dá)海隧道Ⅴ級(jí)圍巖段施工中嚴(yán)格按CD法進(jìn)行施工。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，小凈距隧道施工過程中要密切關(guān)注拱頂、拱腳位置的穩(wěn)定，加強(qiáng)拱腳；中夾巖層應(yīng)力集中，塑性區(qū)范圍大，施工中應(yīng)采用預(yù)注漿、施做中空注漿錨桿等方式進(jìn)行加固，改善其受力狀態(tài)。對(duì)于洞口淺埋偏壓情況，施工中應(yīng)控制進(jìn)尺，及時(shí)支護(hù)，加強(qiáng)施工質(zhì)量。在達(dá)海隧道Ⅴ級(jí)圍巖段施工中，以上建議及施工工藝均在施工中取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]劉艷青.小凈距并行隧道力學(xué)狀態(tài)的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000(9)：590-594.

[2]胡元芳.小線間距城市雙線隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9)：1335-1338.

[3]張永興.基于強(qiáng)度折減法小凈距隧道合理凈距的研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006(3)：64-67.

[4]晏啟祥.軟巖隧道施工特性及其動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究.[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(3)：98-103.

[5]葛玉芹.六潛高速小凈距隧道施工方法及合理凈距的數(shù)值模擬研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

Study on Construction Technology of Expressway Small-interval Tunnel

TANG Guo-jun，CHEN Ren-hao，ZHOU Xiang

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：Small-interval tunnel has small spacing between left and right holes，with large mutual influence during the construction，which is likely to cause instability in the surrounding rocks especially the dam-age of middle rock-layer.Taking Dahai Tunnel in the second contract section of Guilin-Sanjiang Expre-ssway as engineering example，and through two-dimensional numerical simulation，this article analyzed the characteristics of surrounding rock displacement，stress and plastic zone during small-interval tunnel excavation by using four construction methods，i.e.step method，circular excavation method with reser-ving the center soil，anti-CD method，and CD method，and then combined with on-site monitoring measurement situation，it proposed the reasonable design and construction process.

Keywords：Small-interval tunnel；Numerical simulation；Displacement；Stress；Plastic zone；Monitoring measurement；Construction

收稿日期：2015-12-05

文章編號(hào)：1673-4874(2016)01-0041-07

中圖分類號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.010

作者簡(jiǎn)介

唐國(guó)軍(1974—)，高級(jí)工程師，主要從事公路橋梁、隧道勘察設(shè)計(jì)科研工作；

陳人豪(1990—)，助理工程師，主要從事公路隧道勘察設(shè)計(jì)科研等相關(guān)工作；

周祥(1987—)，工程師，主要從事公路橋梁、隧道勘察設(shè)計(jì)研究工作。