謝東東, 江書(shū)華, 閆飛躍

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031)

0 引言

隧道工程對(duì)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(shí)勢(shì)必面臨諸多近接施工問(wèn)題。其中,并行隧道近接是一種極為常見(jiàn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)并行隧道近接施工的影響規(guī)律及施工措施開(kāi)展了諸多研究。仇文革[1]、何永成[2]對(duì)兩隧道平行近接施工的影響分區(qū)劃分進(jìn)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(jì)算軟件模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行對(duì)比,獲得了地表及地層沉降變形規(guī)律及機(jī)理[3-9]。尹成虎[10],王振田[11],王建國(guó)等[12]針對(duì)實(shí)際工程具體分析,通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)施工順序及工序進(jìn)行比選獲得最優(yōu)方案。張建新等[13]采用ABAQUS對(duì)不同加固方式下小間距平行盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,認(rèn)為注漿加固對(duì)限制豎向位移較顯著,臺(tái)車支護(hù)對(duì)限制先行隧道側(cè)向位移效果顯著。魯嘯龍等[14]采用全過(guò)程施工模擬的方式在靜力和動(dòng)力兩方面對(duì)既有隧道受到的影響進(jìn)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(dòng)是影響施工安全的主要因素。H.N.-Wang等[15]給出了兩個(gè)相鄰圓形隧道在粘彈性巖石中連續(xù)開(kāi)挖時(shí)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(jìn)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(duì)于小凈距并行隧道的礦山法施工對(duì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法研究小凈距并行隧道施工對(duì)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(jìn)而得到其近接影響范圍,對(duì)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(zhǎng)度段達(dá)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(qiáng)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(jiàn)圖1。隧道埋深為9.0～15.0 m,處于Ⅳ級(jí)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(qiáng)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(jì)采用CD法非爆破開(kāi)挖,左線為先行隧道,右線為后行隧道。兩隧道設(shè)計(jì)支護(hù)設(shè)計(jì)相同,預(yù)加固措施為長(zhǎng)4.0 m間距0.4 m的A42超前小導(dǎo)管;初期支護(hù)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)1.5 m間距1.0 m梅花形布置的C22砂漿錨桿。

2 對(duì)策措施作用機(jī)理

為凸顯針對(duì)該段的施工對(duì)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(duì)策措施進(jìn)行對(duì)比,兩者施工對(duì)策措施見(jiàn)表1。

表1 施工對(duì)策措施

為保證近接施工過(guò)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(dòng);②對(duì)夾巖進(jìn)行加固;③對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。由表1對(duì)比可知:

(1)CD法相對(duì)于臺(tái)階法開(kāi)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(kāi)挖能有效減小兩隧道開(kāi)挖對(duì)土體的二次擾動(dòng),保護(hù)圍巖的完整性,同時(shí)防止先行隧道結(jié)構(gòu)受到爆破振動(dòng)破壞。

(3)超前小導(dǎo)管相對(duì)于超前錨桿對(duì)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(xiàng)支護(hù)設(shè)計(jì)均有所加強(qiáng)。這既是對(duì)先行隧道結(jié)構(gòu)的加固措施,又是降低后行隧道開(kāi)挖支護(hù)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(kāi)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(duì)計(jì)算模型進(jìn)行一定簡(jiǎn)化,采用單一土層,建模時(shí)不考慮超前支護(hù)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(jì)算模型見(jiàn)圖2。圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬,圍巖服從摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則,支護(hù)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(jì)算僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)。

圖2 有限元計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)的彈性模量為E,其計(jì)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(jì)算中Ⅳ級(jí)圍巖及支護(hù)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(jì)規(guī)范》[19]進(jìn)行選取,并根據(jù)表1參數(shù)代入公式(1)計(jì)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(guò)程模擬

2種工法均按照每步進(jìn)尺1.67 m進(jìn)行模擬,均在先行隧道施工完畢后開(kāi)挖后行隧道。對(duì)于CD法,首先CD1開(kāi)挖5 m,然后CD1和CD2同時(shí)開(kāi)挖,CD1比CD2超前5 m,以此類推,前一開(kāi)挖面超前后開(kāi)挖面5 m,直至開(kāi)挖完畢,最后拆除臨時(shí)支撐的同時(shí)施作二襯。對(duì)于臺(tái)階法,首先上臺(tái)階開(kāi)挖5 m,然后上臺(tái)階和下臺(tái)階同時(shí)開(kāi)挖,直至開(kāi)挖完畢施作二襯。CD法和臺(tái)階法斷面見(jiàn)圖3、圖4。

3.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

基于計(jì)算模型的幾何對(duì)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(cè)斷面,主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為地表沉降曲線、正中斷面兩隧道中心對(duì)稱軸上地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降以及先行隧道拱頂沉降,監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)示意如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)示意

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 對(duì)比分析

對(duì)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(jìn)行討論。

模擬施工過(guò)程不同階段各關(guān)鍵點(diǎn)位移值如表3所示,拱頂沉降從先行隧道CD1開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)始累積。先行隧道施工完畢時(shí),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(shí),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(duì)各關(guān)鍵點(diǎn)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(diǎn)計(jì)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(cè)斷面地表沉降曲線見(jiàn)圖6,地表沉降曲線呈現(xiàn)“V”形,影響范圍在距中心對(duì)稱軸35 m內(nèi)。隨著后行隧道開(kāi)挖,凹槽從先行隧道中線向兩隧道中心擴(kuò)張,最終曲線谷底略微靠近先行隧道一側(cè),這是因?yàn)橄群笮兴淼篱_(kāi)挖對(duì)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(jiàn)曲線C的凹槽略大于曲線A,這是因?yàn)楹笮兴淼篱_(kāi)挖對(duì)圍巖造成二次擾動(dòng),且擾動(dòng)程度更大,圍巖完整程度進(jìn)一步降低引起的。

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

圖7 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線

(1)先行隧道開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降為2.62 mm,后行隧道開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shì)可見(jiàn),曲線近似呈“S”形,CD1開(kāi)挖面距監(jiān)測(cè)斷面10 m時(shí),地表沉降速率增大;CD3開(kāi)挖面距監(jiān)測(cè)斷面5 m時(shí),地表沉降速率進(jìn)一步增大;隨著開(kāi)挖繼續(xù)推進(jìn),沉降速率逐漸減小,沉降量趨于穩(wěn)定,在拆除臨時(shí)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(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)始累積,作其施工全過(guò)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(duì)應(yīng)于先行隧道開(kāi)挖的曲線,先行隧道拱頂沉降在CD1開(kāi)挖面經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后,沉降速率稍有減小,在CD3開(kāi)挖面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面附近時(shí)沉降速率突然增大,隨后沉降曲線趨于收斂,在拆除臨時(shí)支撐施作二襯期間,沉降量小幅度增加。

(2)對(duì)應(yīng)于后行隧道開(kāi)挖的曲線,其曲線走勢(shì)與地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線走勢(shì)基本一致,CD1、CD3開(kāi)挖面經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面附近時(shí)對(duì)先行隧道拱頂沉降產(chǎn)生強(qiáng)影響。

(3)先行隧道開(kāi)挖后拱頂沉降為4.31 mm,后行隧道開(kāi)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(shuō)明該工況下的并行隧道近接施工影響較強(qiáng),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(duì)比后行隧道開(kāi)挖前后先行隧道監(jiān)測(cè)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(kāi)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(cè)斷面變形

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

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

4.1 變形分析

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬地表沉降對(duì)比如圖10所示,先行隧道拱頂沉降對(duì)比如圖11所示。

圖10 地表沉降實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比

圖11 先行隧道拱頂沉降實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比

根據(jù)圖10、圖11可得出:

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(kāi)挖面距監(jiān)測(cè)斷面10 m時(shí),先行隧道拱頂開(kāi)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(jì)要求,近接施工對(duì)策措施是切實(shí)可行的。

(3)各項(xiàng)變形實(shí)測(cè)值均略大于模擬值,主要原因?yàn)閿?shù)值模擬進(jìn)行簡(jiǎn)化選用了單一土層而實(shí)際土層存在各向異性,同時(shí)是數(shù)值模擬的支護(hù)是瞬時(shí)起作用的,而實(shí)際施工的支護(hù)需要凝結(jié)時(shí)間才有一定強(qiáng)度。并且,有限元分析時(shí)單元采用的假設(shè)形函數(shù),會(huì)造成剛度偏大,變形偏小,因此就算是完全重現(xiàn)實(shí)際情況,數(shù)值模擬也會(huì)小于實(shí)際。

4.2 圍巖壓力分析

各測(cè)點(diǎn)土壓力變化如圖12所示,先行隧道土壓力盒測(cè)點(diǎn)布置如圖13所示。各測(cè)點(diǎn)土壓力變化曲線呈現(xiàn)“S”形,在后行隧道CD1開(kāi)挖面距監(jiān)測(cè)斷面10 m時(shí),先行隧道土壓力開(kāi)始受到影響,隨著后行隧道推進(jìn),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(jiàn)近接措施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果好,將后行隧道施工對(duì)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(cè)點(diǎn)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(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)小凈距并行隧道施工的對(duì)策措施及影響進(jìn)行了分析,得出幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)針對(duì)小凈距并行隧道施工,CD法非爆破開(kāi)挖、超前小導(dǎo)管、加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)等施工措施是切實(shí)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(yùn)營(yíng)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(guò)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(kāi)挖面距先行隧道10 m時(shí),先行隧道開(kāi)始受到較強(qiáng)近接施工影響。

本文結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究對(duì)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(jì)及工期方面考慮對(duì)措施進(jìn)行優(yōu)化,建議可從多角度如支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力等出發(fā),研究針對(duì)小凈距并行隧道的安全省時(shí)經(jīng)濟(jì)的對(duì)策措施。