王志朋，魏立恒，朱長(zhǎng)根，倪修能，郭洪雨，孫飛

（1.上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海 201900；2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310000）

1 引言

由于普通分離式雙洞隧道的接線問題以及連拱隧道在工藝、工期、造價(jià)及質(zhì)量方面的問題，小凈距隧道這種結(jié)構(gòu)型式應(yīng)運(yùn)而生。小凈距隧道是介于雙洞分離式隧道和連拱隧道之間的一種結(jié)構(gòu)型式。小凈距隧道相對(duì)于普通分離式雙洞隧道和連拱隧道有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，其造價(jià)和施工工藝同普通分離式雙洞隧道相比相差不大，同連拱隧道相比其造價(jià)要低得多；第二，施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，工期短；第三，采用小凈距隧道有利于公路整體線形的優(yōu)化。

本文案例為浙江省富陽(yáng)市大盤山大斷面、小凈距公路隧道工程（雙向8 車道，凈寬17.75 m，凈高5.0 m，雙洞間凈距10～16 m）。該工程作為富陽(yáng)市主城區(qū)南北向主干路的重要組成部分，出入口均為含礫粉質(zhì)黏土地層，且均穿越大量民房、高樓等建（構(gòu)）筑物。本文以此為依托開展大斷面小凈距隧道分部施工全過程條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性研究。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為保證小凈距隧道施工狀態(tài)及運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定，施工的重點(diǎn)是盡可能維持兩個(gè)隧道圍巖-襯砌承載體系的完整性，保證中夾巖有足夠的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外針對(duì)在小凈距隧道施工力學(xué)方面開展了大量研究。

Ghaboussi J 等[1]采用有限元模擬了小凈距平行隧道，對(duì)地表沉降、軸力、洞周應(yīng)力和中夾巖柱應(yīng)力等進(jìn)行分析，指出小凈距平行隧道相互作用影響范圍主要為中夾巖柱區(qū)域，相互影響程度與隧道凈距呈反比。Solim.E[2]基于平面應(yīng)變理論，采用三維有限元進(jìn)行了小凈距隧道開挖施工模擬研究。Lo K.W等[3]以新加坡位于回填土、海相黏土硬沖積層中的某4 孔平行小凈距隧道為依托，根據(jù)土體水平位移、垂直位移等多項(xiàng)參數(shù)的量測(cè)結(jié)果，開展了多孔小凈距隧道相互影響研究。Kuriyama H 等[4]運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，研究了福崗市地鐵3 號(hào)線雙線小凈距隧道的巖柱加固及監(jiān)控量測(cè)技術(shù)。Chapman DN 等[5]利用室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)軟巖中近距離多孔隧道施工導(dǎo)致的地層位移進(jìn)行了研究。王景春等[6]依托某引水隧道，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及理論分析的研究手段給出了確定相鄰隧道最佳中心距的有效途徑，同時(shí)指出在條件不允許的情況下，施工中應(yīng)盡量采用微差爆破、強(qiáng)支護(hù)等手段減小不利因素并堅(jiān)持監(jiān)控量測(cè)，隧道中心距超規(guī)范要求同樣能夠確保隧道的施工安全。唐儀興等[7]采用平面和三維黏彈塑性有限元對(duì)京珠國(guó)道粵境沿線近距離雙隧道開挖與支護(hù)過程進(jìn)行了模擬，分析對(duì)比了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形及塑性、受拉區(qū)的演化狀況，對(duì)圍巖-支護(hù)體系的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)大斷面小凈距隧道的研究已經(jīng)較為豐富，但相關(guān)研究大多沒有考慮隧道全過程分步開挖的影響。因此，為了更加貼合工程實(shí)際，本文依托大盤山隧道工程，開展大斷面、小凈距隧道全過程施工力學(xué)分析，探求雙側(cè)壁7 步開挖工法下大斷面、小凈距隧道支護(hù)的受力演變過程，并對(duì)該隧道工程開展安全性評(píng)價(jià)。

3 模型建立與參數(shù)選取

3.1 模型建立

采用Plaxis 3D 地層設(shè)計(jì)模塊，根據(jù)縱斷面地層資料和實(shí)際施工情況，建立兩層地層，上層為含礫粉質(zhì)黏土，下層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖。計(jì)算過程中，考慮了開挖引起的應(yīng)力釋放，由于分步施工的每步開挖斷面較小，且前后均有較大的縱向間距，因此應(yīng)力釋放率較小。本次計(jì)算的圍巖應(yīng)力釋放率擬定為20%（根據(jù)公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，并考慮分步開挖條件下圍巖應(yīng)力釋放率較低的特性）。

地層模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=140 m×40 m×60 m，即地層厚度60 m，其中埋深按照出口段SB5-JQa 襯砌段最大埋深計(jì)算約20 m；縱向按照雙側(cè)壁7 步開挖工法考慮，為避免模型邊界條件的不利影響，故模型縱向尺寸為40 m；地層寬度為避免模型水平方向模型邊界的不利影響，隧道左右側(cè)均向兩側(cè)擴(kuò)展3 倍洞徑，故模型水平尺寸為140 m。

采用Plaxis 3D 專用的Tunnel Designer（隧道設(shè)計(jì)器），對(duì)隧道斷面形式及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，隧道斷面形式為SB5-JQa 型襯砌斷面，雙向8 車道，凈寬17.75 m，凈高5.0 m，雙洞間凈距10～16 m。初期支護(hù)厚度32 cm，雙側(cè)壁厚度32 cm，系統(tǒng)錨桿直徑25 mm，縱環(huán)向間距為50 cm×100 cm。初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)均為C25 噴射混凝土+雙層鋼筋網(wǎng)（直徑6 mm，間距15 cm×15 cm）+25b 號(hào)工字鋼拱架（間距50 cm），地層模型、隧道斷面及支護(hù)模型如圖1、圖2 所示。

圖1 地層模型

圖2 隧道初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、錨桿模型

3.2 參數(shù)選取及計(jì)算步驟

依據(jù)上述隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，Plaxis 3D 中隧道初期支護(hù)采用SHELL 單元模擬，雙側(cè)壁臨時(shí)支護(hù)也采用SHELL 單元。由于錨桿為中空注漿錨桿，可同時(shí)提供抗彎和摩擦錨固力，因此，系統(tǒng)錨桿和臨時(shí)支護(hù)錨桿采用PILE 單元模擬，樁側(cè)摩阻力取35 kN/m（參考灌注樁在黏土中的樁側(cè)摩阻力）。

表1 模型參數(shù)選取

隧道施工工法為雙側(cè)壁7 步開挖，施工工序如圖3 所示。每個(gè)分區(qū)開挖的縱向間距為10 m，上中下臺(tái)階之間縱向間隔距離6 m，先行洞與后行洞之間的縱向距離為40 m，每個(gè)開挖進(jìn)尺為2 m。計(jì)算步驟為：地應(yīng)力平衡→分步開挖（應(yīng)力釋放）→分步支護(hù)。

圖3 雙側(cè)壁7 步開挖模型（三維視角）

4 初期支護(hù)變形及受力分析

4.1 水平收斂位移

由圖4 可知，在大斷面小凈距隧道施工開挖過程中，隧道初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的變形演變過程相對(duì)復(fù)雜。在右洞先行洞完成兩側(cè)導(dǎo)洞開挖時(shí)，由于導(dǎo)洞高跨比很大，支護(hù)變形呈現(xiàn)出明顯的水平收斂現(xiàn)象，收斂變形最大值為-2.48 mm；然后，當(dāng)中導(dǎo)洞開挖后，該位置的圍巖壓力消失，隧道完整成環(huán)，完整襯砌結(jié)構(gòu)的高跨比變小，在豎向荷載占主導(dǎo)的條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力方式發(fā)生改變，由從原本的水平收斂變?yōu)樗綌U(kuò)大，水平擴(kuò)大位移最大值達(dá)到+2.1 cm。在左側(cè)導(dǎo)洞開挖過程中，左右洞的水平位移逐漸出現(xiàn)非對(duì)稱特征，例如，右洞右側(cè)水平擴(kuò)大位移+8.27 mm，左側(cè)水平擴(kuò)大位置-2.5 mm，右洞呈現(xiàn)向右的整體變形；同樣的，左洞也出現(xiàn)向左的整體變形。與后行洞相比，先行洞（右洞）的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形更明顯。

圖4 初期支護(hù)水平收斂變形圖

4.2 豎向收斂位移

由圖5 可知，由于掌子面開挖和洞周開挖與支護(hù)二者間不可避免的時(shí)間間隔，將產(chǎn)生地應(yīng)力釋放。在進(jìn)行初期支護(hù)施工之前，圍巖產(chǎn)生了一定的收斂變形，曲線起始點(diǎn)指示的位移即為圍巖應(yīng)力釋放引起的圍巖變形。其中，圍巖應(yīng)力釋放引起的拱頂沉降位移為1.28 cm，圍巖應(yīng)力釋放引起的仰拱抬升位移為1.42 cm。在計(jì)算模擬過程中，初期支護(hù)施加的瞬間位移應(yīng)為0，由于程序沒有自動(dòng)將位移清零，因此位移云圖中的位移量是經(jīng)過減去初始位移計(jì)算得出的，為支護(hù)結(jié)構(gòu)施加后的真實(shí)變形。隧道開挖過程中初期支護(hù)拱頂最大下沉位移為2.04 cm，出現(xiàn)在拆除臨時(shí)支撐的時(shí)候；左洞拱頂最大下沉位移為1.86 cm，同樣出現(xiàn)在拆除臨時(shí)支護(hù)的時(shí)候。

圖5 初期支護(hù)豎向收斂邊形圖

4.3 襯砌內(nèi)力及安全系數(shù)

在隧道分步開挖過程中，隧道初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)的軸力彎矩均逐漸增大。由圖6 可知，隧道開挖后右洞先行洞軸力最大值2 185 kN，左洞后行洞軸力最大值1 932 kN；右洞彎矩最大值244 kN·m，左洞彎矩最大值188 kN·m。先行洞的彎矩軸力要大于后行洞，說明先行洞承擔(dān)的荷載更多。此外，在后行洞開挖過程中，兩洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力逐漸呈現(xiàn)非對(duì)稱特征，在兩洞中夾巖柱附近的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大（拱腳、墻腳處最為明顯），說明小凈距條件下中夾巖柱土體的擾動(dòng)增大了結(jié)構(gòu)荷載。根據(jù)軸力彎矩可計(jì)算得到先行洞與后行洞的安全系數(shù)，所有安全系數(shù)均滿足要求，其中墻腳處安全系數(shù)較小，且兩洞都是靠近中夾巖柱一側(cè)的襯砌墻腳安全系數(shù)最小，經(jīng)計(jì)算得到的左、右洞隧道襯砌各部位安全系數(shù)表詳見表2。

圖6 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

由表2、表3 可知，先行洞隧道初期支護(hù)安全系數(shù)在相同位置上普遍小于后行洞，即與后行洞相比，先行隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力更加不利；此外，無論是先行洞還是后行洞，安全系數(shù)最小值均位于墻腳處，具體說來位于先行洞的左墻腳、后行洞的右墻腳，且左右洞隧道襯砌安全系數(shù)分布狀態(tài)呈反對(duì)稱現(xiàn)象，這是由于小凈距隧道開挖導(dǎo)致中夾巖柱及其上方的圍巖松散荷載更大，造成左右側(cè)荷載不對(duì)稱，從而使得兩相鄰隧道的彎矩軸力和安全系數(shù)出現(xiàn)反對(duì)稱現(xiàn)象。

表2 先行洞（右洞）成洞后初期支護(hù)安全系數(shù)表

表3 后行洞（左洞）成洞后初期支護(hù)安全系數(shù)表

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托浙江省富陽(yáng)市大盤山大斷面、小凈距公路隧道工程（雙向8 車道，凈寬17.75 m，凈高5.0 m，雙洞間凈距10～16 m），開展大斷面、小凈距隧道分步施工全過程條件下的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性研究，主要從初期支護(hù)水平變形、豎向變形、結(jié)構(gòu)安全系數(shù)等方面入手，主要得出以下結(jié)論：

1）大斷面、小凈距隧道開挖過程中，隧道初期支護(hù)隨著施工階段的變化而變化。在施工過程中，先行洞受力更為不利，雙側(cè)壁臨時(shí)支護(hù)的彎矩較大。因此，應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)先行洞和雙側(cè)壁臨時(shí)支護(hù)的安全性驗(yàn)證工作。

2）由于小凈距隧道開挖過程中，中夾巖柱及其上方的圍巖松散壓力較大，因此，造成隧道荷載不對(duì)稱，從計(jì)算結(jié)果來看，左洞整體向左側(cè)位移，右洞整體向右側(cè)位移。

3）大斷面、小凈距隧道開挖過程中，不同工程的地應(yīng)力水平、地層巖性、施工工法等的不同均會(huì)影響隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。