周鴻翔

文章依托某城市地下互通式隧道工程中一處超小凈距隧道工程，對(duì)超小凈距隧道的三種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比選，研究確定了無(wú)中隔墻的超小凈距隧道結(jié)構(gòu)方案，采用錨桿注漿加固中夾巖柱并加強(qiáng)一次襯砌和微震預(yù)裂爆破技術(shù)的分步挖掘施工方案;利用有限元數(shù)值模擬超小凈距隧道支護(hù)施工過(guò)程，得到其各個(gè)施工步序下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，分析其穩(wěn)定性，優(yōu)化并驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)，有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。

超小凈距隧道;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);中夾巖柱;數(shù)值模擬;穩(wěn)定性分析

0?引言

隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用，建設(shè)地下互通式隧道成為道路互聯(lián)互通，提高通行效率的有效手段之一。然而，匝道隧道逐漸與主線(xiàn)隧道分離，隧道由特大斷面過(guò)渡為兩個(gè)一般斷面隧道，面臨超小凈距隧道的設(shè)計(jì)與施工難題，過(guò)渡段隧道結(jié)構(gòu)及中夾巖柱的穩(wěn)定性至關(guān)重要。在有限的地下空間內(nèi)，超小凈距段若按傳統(tǒng)的單導(dǎo)洞或三導(dǎo)洞工法設(shè)計(jì)、施工中隔墻連拱隧道，雖然可以保證隧道襯砌及中隔墻的穩(wěn)定性，但其施工工序繁雜、造價(jià)高、進(jìn)度慢。針對(duì)中隔墻連拱隧道的缺點(diǎn)，有學(xué)者提出了無(wú)中隔墻連拱隧道及中夾巖柱超小凈距隧道結(jié)構(gòu)方案，較中隔墻連拱隧道優(yōu)勢(shì)明顯，并在一些工程實(shí)踐中得到成功應(yīng)用：如西部大通道黃陵至延安段羊泉溝隧道、云南平文高速公路土基沖隧道在超小凈距段采用無(wú)中隔墻連拱隧道結(jié)構(gòu)方案;福州煙臺(tái)山隧道工程的超小凈距段（凈距為5.5 m）采用加固中夾巖柱的超小凈距隧道結(jié)構(gòu)方案等。已建成的類(lèi)似工程案例多為雙線(xiàn)平行的小凈距隧道，凈距為定值或凈距是連拱隧道中隔墻厚度的數(shù)倍。

本文依托工程為地下互通式隧道工程，由單洞過(guò)渡到超小凈距段雙洞隧道，因地下作業(yè)空間局限，超小凈距段隧道凈距受隧道特大斷面制約，最小凈距僅1.04 m且為漸變段，與前述工程案例有所不同，設(shè)計(jì)、施工面臨更大的挑戰(zhàn)。超小凈距隧道（中夾巖柱僅1.04 m）開(kāi)挖引起圍巖發(fā)生松弛、變形的程度與中夾巖柱的穩(wěn)定性及承載力，直接關(guān)系到隧道圍巖能否形成承載拱，決定了超小凈距隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性及施工的安全性。文章對(duì)超小凈隧道三種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較，提出對(duì)中夾巖柱進(jìn)行注漿加固，采用微震爆破技術(shù)、分步開(kāi)挖的方案，通過(guò)有限單元法數(shù)值計(jì)算分析，獲得超小凈距隧道結(jié)構(gòu)及圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變特征，分析隧道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的穩(wěn)定性，優(yōu)化驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)并指導(dǎo)施工，實(shí)現(xiàn)超小凈距隧道工程的快速、安全施工。

1?工程概況

依托工程為城市地下互通立交式隧道，主線(xiàn)隧道為雙車(chē)道，建筑限界凈寬為10.0 m，高為5.0 m;匝道為單車(chē)道，限界凈寬為7.0 m，高為5.0 m。匝道隧道從主線(xiàn)隧道分流形成分岔式隧道，在分流鼻前端為23.5 m寬的特大斷面隧道，在分流鼻后端為超小凈距段隧道，隧道凈距由1.04 m漸變分開(kāi)至雙洞分離式隧道。該段縱向長(zhǎng)約60 m，其中超小凈距段長(zhǎng)10 m，分岔特大斷面段長(zhǎng)17 m，分岔大斷面段長(zhǎng)36 m。本文主要以超小凈距段為研究對(duì)象。超小凈距段隧道平面及橫斷面設(shè)計(jì)如圖1所示。

超小凈距段隧道穿越地層主要為：散體狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r等。地下水滲流主要受地形、地貌及地質(zhì)構(gòu)造控制。地下水類(lèi)型主要為孔隙潛水、裂隙潛水，賦存和運(yùn)移于風(fēng)化基巖及破碎帶裂隙之中。隧道圍巖級(jí)別以Ⅳ級(jí)為主。隧址區(qū)地震加速度值為0.15 g，設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

2?超小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)參數(shù)及施工步序

2.1?超小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式

超小凈距隧道結(jié)構(gòu)根據(jù)其施工工法、中隔墻（中夾巖柱）設(shè)置情況可分為中隔墻連拱隧道、無(wú)中隔墻連拱隧道、中夾巖柱超小凈距隧道等三種結(jié)構(gòu)形式（如圖2所示）。

中隔墻連拱隧道可分為復(fù)合式中隔墻和整體式中隔墻兩種類(lèi)型。無(wú)論采用何種中隔墻形式，均需中導(dǎo)洞施工澆筑中隔墻后，才能進(jìn)行左右主洞施工。相較于獨(dú)立的雙洞隧道設(shè)計(jì)與施工，其工序繁雜，左右洞前后錯(cuò)開(kāi)施工，中隔墻反復(fù)受力擾動(dòng)，工期長(zhǎng)，造價(jià)高，運(yùn)營(yíng)期病害較多，在地下互通式非對(duì)稱(chēng)連拱隧道中尤為突出。地下互通施工空間狹窄，且隧道之間凈距逐漸變化，由分流鼻前端特大斷面隧道過(guò)渡到中導(dǎo)洞或三導(dǎo)洞工法的連拱隧道，施工較為困難。

無(wú)中隔墻連拱隧道與中夾巖柱超小凈距隧道的區(qū)別在于雙洞之間是否保留并利用中夾巖柱。無(wú)中隔墻連拱隧道施工過(guò)程將中夾巖柱爆破挖除，而后采用高強(qiáng)度噴射混凝土或澆筑混凝土替換中夾巖柱，并加強(qiáng)雙洞之間的側(cè)墻及拱腳結(jié)構(gòu)，兩隧道間噴射混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及鋼架連接的可靠程度，決定了施工期間的安全性、穩(wěn)定性。超小凈距隧道施工過(guò)程需保留中夾巖柱，采用微震爆破技術(shù)，減小擾動(dòng)破壞，并設(shè)置注漿加固、對(duì)拉錨桿等加固措施。這兩種結(jié)構(gòu)方案均較中隔墻連拱隧道施工簡(jiǎn)單、工期短、造價(jià)低，根據(jù)地質(zhì)條件不同，各有其適用性。當(dāng)圍巖強(qiáng)度不高，屬松散土體或軟弱圍巖，巖體中夾巖柱無(wú)法自穩(wěn)，即使通過(guò)注漿加固等措施也無(wú)法滿(mǎn)足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求時(shí)，可考慮用混凝土替換中夾巖柱，采用無(wú)中隔墻連拱隧道;當(dāng)中夾巖柱圍巖強(qiáng)度較高，屬較硬巖，具備一定的自穩(wěn)能力，通過(guò)注漿、錨桿加固后，整體性較好時(shí)，則可考慮采用中夾巖柱超小凈距隧道。

2.2?超小凈距隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

文章依托工程屬地下互通式立交，分岔式超小凈距段隧道位于Ⅳ級(jí)圍巖段，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體具備一定的強(qiáng)度，隧道由超小凈距漸變至分離式隧道，不具備貫通中導(dǎo)洞及施工中隔墻條件，因此采用中夾巖柱超小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式。超小凈距隧道段兩主洞凈距由1.04 m至5 m漸變。設(shè)計(jì)采取對(duì)中間巖柱錨桿注漿加固、加強(qiáng)初期支護(hù)等措施加固中夾巖柱，采用微震控制爆破技術(shù)，爆破振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)按V≤2.5 cm/s控制，在兩主洞隧道靠近中夾巖柱一側(cè)設(shè)置預(yù)裂爆破減震孔，減小對(duì)中夾巖柱、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的損傷。超小凈距段隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面如圖3所示。

隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：主線(xiàn)隧道模筑襯砌采用50 cm厚模筑C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用25 cm厚C25噴射混凝土，間距為75 cmⅠ18型鋼，掛網(wǎng)噴錨防護(hù);匝道隧道模筑襯砌采用45 cm厚模筑C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用23 cm厚C25噴射混凝土，間距為75 cmⅠ16型鋼，掛網(wǎng)噴錨防護(hù)。中夾巖柱厚度1.04 ～5 m，采用32 mm自進(jìn)式錨桿，注漿加固。

2.3?超小凈距隧道施工步序

超小凈距段施工前，先對(duì)特大斷面隧道堵頭墻進(jìn)行噴錨封閉加固，將匝道隧道作為先行洞，采用全斷面法先期開(kāi)挖，待先行洞初期支護(hù)閉合，仰拱回填后，再進(jìn)行后行洞（主洞）施工，采用臺(tái)階法施工。前后保持施工安全步距，施工全程進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌控爆破振速≤2.5 cm/s，嚴(yán)格控制單次起爆藥量，在中夾巖柱開(kāi)挖邊沿設(shè)置預(yù)裂爆破減震孔。超小凈距段隧道施工步序如圖4所示。

3?數(shù)值模擬分析

3.1?計(jì)算分析理論及荷載釋放系數(shù)

現(xiàn)有的研究成果認(rèn)為對(duì)于地下工程的結(jié)構(gòu)分析，在3～5倍洞徑范圍以外開(kāi)挖引起的應(yīng)力重分布影響較小。取開(kāi)挖斷面在3～5倍洞徑范圍地層，建立隧道施工過(guò)程有限元模型，對(duì)施工過(guò)程中圍巖和結(jié)構(gòu)的變形和受力進(jìn)行計(jì)算分析，可滿(mǎn)足工程需求。在半無(wú)限地層中，隧道結(jié)構(gòu)屬于縱向軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，不考慮縱向變形位移，其屬于平面應(yīng)變問(wèn)題。

圍巖采用平面應(yīng)變單元，圍巖材料的本構(gòu)關(guān)系采用Drucker-Prager模型。Drucker-Prager模型的屈服準(zhǔn)則是對(duì)Mohor-Colomb屈服準(zhǔn)則的近似值，屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而變化，屈服準(zhǔn)則的表達(dá)式如式（1）：

F=3σm+12{S}T[M]{S}12-σy=0??（1）

對(duì)于Drucker-Prager模型材料，當(dāng)材料參數(shù)β和σy為定值時(shí)，屈服面為錐形表面，其是正六邊形Mohor-Colomb準(zhǔn)則屈服面的外切錐面，如圖5所示。

當(dāng)根據(jù)彈塑性問(wèn)題建立平面應(yīng)變模型來(lái)模擬隧道施工過(guò)程時(shí)，為反映圍巖的時(shí)空效應(yīng)以及施工過(guò)程的步序，根據(jù)工作條件逐漸釋放地應(yīng)力。在A(yíng)NSYS軟件中，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作條件的計(jì)算，應(yīng)用“施加虛擬支撐力逐步釋放法”，依次在開(kāi)挖邊界施加一定比例的支撐荷載，模擬洞周位移的釋放效應(yīng)。利用單元的“生死”功能，“殺死”開(kāi)挖的圍巖單元，“激活”支護(hù)結(jié)構(gòu)單元，簡(jiǎn)便有效地模擬隧道的開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程。

計(jì)算方案按照施工過(guò)程，分為以下步序及相應(yīng)荷載釋放系數(shù)：（1）計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng);（2）匝道隧道開(kāi)挖，該部分荷載釋放25%;（3）匝道隧道施工初期支護(hù)，荷載釋放至70%;（4）主洞開(kāi)挖，該部分荷載釋放25%;（5）主洞隧道施工初期支護(hù)，并加固中夾巖柱，荷載釋放至70%;（6）匝道隧道施工二次襯砌，荷載釋放至100%;（7）主洞隧道施工二次襯砌，荷載釋放至100%。

3.2?計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

超小凈距段匝道隧道先行洞開(kāi)挖后，引起應(yīng)力重分布;后行隧道在擾動(dòng)過(guò)的地層內(nèi)掘進(jìn)及后行隧道的爆破開(kāi)挖震動(dòng)也會(huì)對(duì)先行隧道產(chǎn)生影響，引起地應(yīng)力的再次重分布。兩者相互影響，加劇了設(shè)計(jì)與施工的難度。本次計(jì)算通過(guò)有限元數(shù)值分析方法，選取超小凈距段兩隧道斷面建立模型，隧道間凈距為1.04 m，重點(diǎn)研究各施工步序下，周邊圍巖、中夾巖柱及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)以及塑性區(qū)分布范圍，分析判斷中夾巖柱及支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力及穩(wěn)定性?？紤]計(jì)算精度及速度，計(jì)算模型寬度取3倍洞室開(kāi)挖寬度，底部取3倍洞室高度，上部取至地表，模型總寬度為250 m，高為200 m。計(jì)算模型的邊界條件為：底部約束垂直位移，兩側(cè)約束水平位移。計(jì)算中圍巖、噴射混凝土、二次襯砌均采用平面單元模擬，系統(tǒng)錨桿采用桿單元模擬。模型共有11 006個(gè)節(jié)點(diǎn)、272個(gè)桿單元、14 619個(gè)平面單元，采用彈塑性模型進(jìn)行分析，初始地應(yīng)力主要考慮自重應(yīng)力，未考慮地層構(gòu)造應(yīng)力。有限元計(jì)算模型如圖6所示。圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值如表1所示。

3.3?計(jì)算分析結(jié)果

分析最終荷載步計(jì)算結(jié)果，后行隧道開(kāi)挖后，中夾巖柱σ3應(yīng)力極值為-1.8 MPa，σ1應(yīng)力極值為-0.19 MPa。開(kāi)挖側(cè)墻壁出現(xiàn)小范圍塑性區(qū)，數(shù)值很小，深度較淺，對(duì)中心巖柱的穩(wěn)定性影響有限。地層豎向方向位移最大值出現(xiàn)在后行隧道拱頂及仰拱處，拱頂下沉仰拱隆起，最大值為3 mm，周邊地層未出現(xiàn)塑性區(qū)，地層水平方向收斂變形較小。系統(tǒng)錨桿軸力最大值為15 kN，中墻錨桿軸力最大值為6.7 kN，錨桿軸力以受拉為主，均小于錨桿抗拔力。在拱頂部位30°～45°范圍錨桿加固效果明顯，該區(qū)域設(shè)計(jì)施工過(guò)程可采用長(zhǎng)錨桿。兩側(cè)邊墻以下錨桿受力較小，該區(qū)域可適當(dāng)優(yōu)化錨桿長(zhǎng)度及數(shù)量。二次襯砌結(jié)構(gòu)σ3應(yīng)力極值為-3.67 MPa，主要分布于先行隧道拱腳內(nèi)側(cè);σ1應(yīng)力極值為0.26 MPa，主要分布于后行隧道仰拱內(nèi)側(cè)。襯砌結(jié)構(gòu)在拱腳，即仰拱與邊墻過(guò)渡的地方，出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中，但應(yīng)力極值小于C30鋼筋混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，襯砌結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)，襯砌結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足承載力及穩(wěn)定性要求。在拱腳附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，該區(qū)域應(yīng)適當(dāng)加大襯砌結(jié)構(gòu)厚度，初期支護(hù)注意鎖腳錨桿注漿加固。最終計(jì)算結(jié)果如圖7～16和表2所示。

由圖7～16和表2可知，隨著開(kāi)挖和支護(hù)的推進(jìn)，地層應(yīng)力逐步釋放，中夾巖柱第一主應(yīng)力極值變化不顯著，第三主應(yīng)力極值由-1.07 MPa逐步增大至-1.8 MPa，塑性區(qū)由匝道拱腳轉(zhuǎn)移至主洞側(cè)墻及拱腳，塑性區(qū)分布范圍很小，未出現(xiàn)急劇擴(kuò)展。中夾巖柱位移由小逐步變大，匝道開(kāi)挖后，隧道兩側(cè)收斂變形，主洞開(kāi)挖后，中夾巖柱受力逐漸平衡。隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，最終水平位移為0.65 mm，說(shuō)明中夾巖柱能夠基本保持穩(wěn)定，滿(mǎn)足施工安全要求，采取的加固措施有效。施工過(guò)程應(yīng)注意確保拱腳及側(cè)墻的施工質(zhì)量，塑性區(qū)的發(fā)展應(yīng)通過(guò)中夾巖柱注漿加固加以控制。

4?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)超小凈距隧道三種結(jié)構(gòu)形式的比較，結(jié)合依托工程的特點(diǎn)，確定了采用中夾巖柱超小凈距隧道方案，采取錨桿注漿加固、加強(qiáng)初期支護(hù)等措施，利用微震爆破技術(shù)分步開(kāi)挖。在地下互通式隧道由單洞過(guò)渡漸變到雙洞隧道，避免連拱隧道工序轉(zhuǎn)換繁瑣、進(jìn)度慢、造價(jià)高的不足，成功實(shí)現(xiàn)超小凈距隧道（凈距僅1.04 m）的快速、安全施工，節(jié)省工程投資，保證了工程建設(shè)的進(jìn)度。

針對(duì)超小凈距隧道中夾巖柱復(fù)雜的內(nèi)力狀態(tài)，采用有限元數(shù)值模擬分析超小凈距隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)的合理性及施工穩(wěn)定性，得到各施工步驟下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。結(jié)果表明：隧道拱腳處應(yīng)力集中，需加強(qiáng)拱腳處支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高鎖腳錨桿數(shù)量并保證其施工質(zhì)量;拱頂及中夾巖柱邊墻以上范圍系統(tǒng)錨桿加固效果明顯;采用中夾巖柱注漿加固措施，控制爆破技術(shù)，使中夾巖柱具備較好的穩(wěn)定性、安全性;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可行，施工過(guò)程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，為以后巖質(zhì)地層類(lèi)似工程施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

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