霍 強(qiáng)

(中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司，武漢 430062)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)有隧道工程并不能完全滿足出行、運(yùn)輸?shù)刃枨螅枰诂F(xiàn)有地下工程附近修建新隧道。因新建隧道的開挖施工對(duì)已建地下工程圍巖有不同程度的擾動(dòng)，為避免對(duì)已有工程的穩(wěn)定性造成不必要的損害，施工工法的選取也是一重大難題。尤其在山區(qū)，因受復(fù)雜的地質(zhì)、地形條件的限制，大大提高了工程難度。因此，如何基于現(xiàn)場(chǎng)情況給出合理開挖工法以及支護(hù)措施則顯得尤為重要。王志剛[1]通過正交實(shí)驗(yàn)法和FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬不同的開挖順序、施工工法等因素對(duì)小間距洞群的影響進(jìn)行研究，并給出合理的施工方案；段軍朝等[2]運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)雙聯(lián)拱隧道進(jìn)行模擬，研究了隧道應(yīng)力、應(yīng)變和塑性變形區(qū)域分布，證明了加密拱頂、中導(dǎo)墻處的監(jiān)控量測(cè)和初支加固是雙聯(lián)拱隧道的重點(diǎn)工作；陳先國(guó)等[3]利用ANSYS程序分析了近接平行隧道施工中地表與拱頂?shù)南鲁烈?guī)律；胡慶安等[4]利用ANSYS軟件分析了雙連拱隧道施工過程中其圍巖和中隔墻的變形及應(yīng)力變化，證明了中隔墻回填密實(shí)能夠有效抑制其變形。李恒一[5]通過對(duì)相鄰兩孔平行隧道的近接施工的數(shù)值模擬，得出地表位移沉降與兩洞距離以及埋深相關(guān)性較大，并對(duì)實(shí)際工程案例的施工提出合理性建議[6]。綜上所述，不同開挖工法的選取對(duì)周圍土體的擾動(dòng)有著很大影響，嚴(yán)重影響著臨近已有隧道的穩(wěn)定性。前者的研究多集中于對(duì)新建隧道的穩(wěn)定性研究，對(duì)近接已有地下工程的穩(wěn)定性、以及在建隧洞的影響范圍未有一個(gè)綜合論述。本文基于重慶某隧道工程，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)隧道開挖進(jìn)行不同工況模擬，進(jìn)行開挖工法的選取對(duì)既有隧道影響評(píng)價(jià)的研究，研究成果可為類似工程的施工設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 工程概況

本項(xiàng)目依托重慶某下穿近接隧道工程。研究區(qū)共建有2條隧道，右側(cè)為直徑約10 m的圓形既有盾構(gòu)隧道，總長(zhǎng)度為305 m。襯砌環(huán)寬度為1.2 m，厚度為0.3 m。左側(cè)寬約為15.5 m，高約16.39 m的大斷面新建隧道，總長(zhǎng)度約1 km，主要采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，采用復(fù)合式襯砌支護(hù)形式。其中初期支護(hù)厚度為0.25 m，二次襯砌厚度為40 cm。2條隧道近接間距為5 m，隧道圍巖條件較差，以IV-V類圍巖為主。兩者縱向平行且兩端延伸方向近似相同?？辈榻衣兜貙訋r性主要為第四系殘坡積土及侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖互層組成。隧道施工區(qū)地下水類型以第四系孔隙水和基巖裂隙水為主，且砂巖具有一定的滲透性。

3 巖石力學(xué)試驗(yàn)

3.1 采樣及試驗(yàn)流程

本次試驗(yàn)所采集的巖樣取自研究區(qū)所在地層，并將所取芯樣制作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺寸。每種巖樣不少于5個(gè)，以排除試驗(yàn)偶然性。試樣尺寸設(shè)置直徑為50 mm、高為100 mm。表面進(jìn)行磨平處理，直徑誤差在0.3 mm內(nèi)，軸向偏差小于0.25°。采用巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試巖塊最大壓應(yīng)力。將試樣置于儀器承壓板中心，加載速度調(diào)整為1 kN/s，直到試樣破壞，記錄所需數(shù)據(jù)。

3.2 參數(shù)確定

經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)流程以及數(shù)據(jù)處理，得到不同巖性抗壓強(qiáng)度以及其余力學(xué)特性指數(shù)(見表1)。

表1 巖體參數(shù)

4 模型的建立

4.1 模型建立

如圖1所示，模型尺寸為160 m×15 m×116 m(長(zhǎng)×寬×高)。以隧道軸線(正北)為Y軸，水平面上以垂直于洞軸線為X軸。為保證計(jì)算的可靠性，在水平面X軸方向上計(jì)算邊界取距離隧道邊界4倍洞徑(約40 m)，縱向上根據(jù)實(shí)際工程概況設(shè)置隧道埋深為60 m，下邊界圍巖厚度為40 m，開挖方向上取15 m進(jìn)行計(jì)算。FLAC3D數(shù)值模擬時(shí)，初期支護(hù)與臨時(shí)鋼支撐選用Shell單元構(gòu)建；二次襯砌選用實(shí)體單元構(gòu)建；錨桿選用Cable單元建立。由于現(xiàn)場(chǎng)采用爆破開挖，并開挖后未能立即施加相應(yīng)支護(hù)，在二襯施加時(shí)圍巖形變并沒有完全收斂。因此，本文在模擬開挖時(shí)，命令采用定義空模型(assign null)模擬實(shí)際情況中的爆破開挖，開挖后在施加初期支護(hù)與二次襯砌前都進(jìn)行一定的應(yīng)力釋放，以此提高模擬精準(zhǔn)度。

圖1 隧道三維地質(zhì)模型示意

在開挖計(jì)算過程中,約束左右邊界與下邊界的法向位移,上邊界采用自由面。既有隧道(A型)采用全斷面開挖工法，開挖計(jì)算平衡并清除位移后，再對(duì)擬建隧道(B型)開展不同工法條件下的隧道開挖模擬分析。同時(shí)，開展擬建隧道施工階段對(duì)既有隧道的邊墻、拱腰、拱頂?shù)忍厥馕恢眠M(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。

4.2 參數(shù)選取

隧道圍巖為Ⅴ級(jí)，在圍巖參數(shù)選取中，由于隧道施工區(qū)域以砂泥巖互層為主，綜合考慮各層厚比、層厚、傾角等因素對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)的影響，取等效巖體參數(shù)，而不是僅按照試驗(yàn)參數(shù)選取[7]。且將計(jì)算地層采用統(tǒng)一均質(zhì)地層，在方便計(jì)算的同時(shí)，提高模擬可靠度(見表2)。在隧道開挖支護(hù)過程中，考慮初期支護(hù)，二襯支護(hù)、臨時(shí)鋼支撐、砂漿錨桿等支護(hù)。由于在模型計(jì)算時(shí)，需要設(shè)置具體的彈性體積模量K與彈性切變模量G，具體計(jì)算方法如式(1)(2)所示:

(1)

(2)

式中：

E——彈性模量；

v——泊松比。

表2 模型參數(shù)選取

基于原設(shè)計(jì)資料，隧道支護(hù)措施為掛網(wǎng)噴漿+系統(tǒng)錨桿支護(hù)。為簡(jiǎn)化建模過程，且不影響數(shù)值模擬效果，本文將掛網(wǎng)支護(hù)中使用的鋼筋效果等效到隧道襯砌模擬中[8]，也就是將鋼筋彈性模量進(jìn)行等效，折算到混凝土中，計(jì)算方法見式(3)：

(3)

式中：

Es——鋼筋彈性模量；

E0——折算之前的彈性模量；

Ec——折算后的彈性模量；

Ac——折算后襯砌彈性模量；

As——鋼拱架截面積。

4.3 模型地應(yīng)力平衡

前期在隧道區(qū)域附近通過水壓劈裂法測(cè)試地應(yīng)力，結(jié)果顯示該區(qū)域最大主應(yīng)力為9.23 MPa，為低地應(yīng)力區(qū)。實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力分量與自重應(yīng)力計(jì)算值相差不大，表明該區(qū)域的地應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造作用影響不大，以自重應(yīng)力為主，在數(shù)值模擬中主要考慮自重因素即可[9-10]。地應(yīng)力平衡后，對(duì)隧道進(jìn)行不同工法的開挖模擬研究。

5 模擬結(jié)果分析

5.1 不同工法下圍巖位移及力學(xué)響應(yīng)

1) 全斷面開挖

施工順序依次為全斷面開挖、應(yīng)力釋放、施加初期支護(hù)措施、應(yīng)力釋放、施加二次襯砌、應(yīng)力平衡。計(jì)算平衡后，取中間斷面進(jìn)行位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析。從圖2可以看出，B型隧道全斷面開挖工法施工過程中，A型隧道臨近邊墻最大位移達(dá)到了0.9 mm，最大拉應(yīng)力值約為0.3 MPa，拱頂沉降位移達(dá)到了0.85 mm,且有應(yīng)力集中現(xiàn)象。B型隧道拱頂沉降值約為6 mm，拱底隆起約7.2 mm，邊墻位移值相對(duì)較小約為0.36 mm，在拱底有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

a 位移云示意

2) 臺(tái)階法開挖

施工順序依次為上臺(tái)階開挖、應(yīng)力釋放、施加初期支護(hù)、應(yīng)力釋放、下臺(tái)階開挖、施加初期支護(hù)、應(yīng)力釋放、施加二次襯砌、應(yīng)力平衡。取中間斷面進(jìn)行位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析。從圖3可以看出，B型隧道臺(tái)階開挖工法施工過程中，A型隧道臨近邊墻最大位移達(dá)到了4.5 mm，最大拉應(yīng)力值約為0.29 MPa，，拱頂沉降位移最大達(dá)到了4.13 mm，且在靠近B型隧道的一側(cè)有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)。B型隧道拱頂沉降值約5 mm,拱底圍巖隆起約6.64 mm，邊墻位移值約為3.9～4.9 mm，在隧道邊墻出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中。

a 位移云示意

3) CD法開挖

施工順序依次為分塊開挖、各階段進(jìn)行應(yīng)力釋放、施加初期支護(hù)措施以及中隔壁支撐、應(yīng)力釋放、施加二次襯砌、應(yīng)力平衡。計(jì)算平衡后，取中間斷面進(jìn)行位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析。從圖4可以看出， B型隧道CD開挖工法施工過程中，A型隧道臨近邊墻最大位移為0.66 mm，最大拉應(yīng)力值約0.20 MPa，拱頂沉降位移約為0.48 mm,拱頂與拱底有較小程度的應(yīng)力集中。B型隧道拱底靠近A型隧道一側(cè)隆起程度較大，約為1.75 mm，拱頂沉降約為0.05 mm，側(cè)邊墻位移值約為0.5～0.8 mm。

a 位移云示意

5.2 不同工法適應(yīng)性分析

基于平行近接隧道不同開挖工法的模擬可以看出：對(duì)于新建的B型隧道，分別采用全斷面法、臺(tái)階法與CD法進(jìn)行開挖，其拱頂沉降值與最大主應(yīng)力區(qū)依次減小；對(duì)于已建的A型隧道，在B型隧道選用臺(tái)階開挖法時(shí)，其圍巖形變最大，且位移值波動(dòng)明顯，而選用全斷面法或CD法開挖時(shí)，圍巖形變量較小，波動(dòng)不明顯(圍巖形變監(jiān)測(cè)如圖5所示)。

a 隧道邊墻圍巖形變曲線

通過分析表明：在選用臺(tái)階法開挖B型隧道時(shí)，由于上臺(tái)階開挖的完成，在拱腰會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)兩隧道間圍巖有較大的擠壓作用，下臺(tái)階開挖后，又有明顯的應(yīng)力釋放，對(duì)A型已建隧道圍巖造成的擾動(dòng)較大；在全斷面開挖工法下，由于選用大型機(jī)械化施工，開挖次數(shù)少、支護(hù)施作速度快，極大的減少了對(duì)隧道間圍巖的擾動(dòng)[11-13]；在選用CD法開挖時(shí)，優(yōu)先開挖遠(yuǎn)離既有隧道一側(cè)，施工面小、獨(dú)立成環(huán)，且對(duì)圍巖等級(jí)要求不高，對(duì)既有隧道圍巖擾動(dòng)極小[14]。可見，在平行近接隧道施工時(shí)，針對(duì)此類型工況CD法適應(yīng)性最強(qiáng)，全斷面次之，臺(tái)階開挖法適應(yīng)性較差。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)重慶某隧道工程，對(duì)不同開挖工法在平行近接隧道工程中適應(yīng)性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1) 臺(tái)階法開挖過程中，由于在拱腰處產(chǎn)生的形變壓力較大，且近接距離較小，對(duì)既有隧道的圍巖擾動(dòng)較強(qiáng)，圍巖形變較嚴(yán)重，因此適應(yīng)性較弱。

2) 全斷面法開挖過程中，由于可以使用大型機(jī)械化施工，很大程度上減弱了對(duì)圍巖擾動(dòng)，開挖后產(chǎn)生的形變壓力較小，臨近既有隧道圍巖形變量較小，因此適用性良好。

3) CD法開挖過程中，由于單塊開挖面小，支護(hù)施作迅速，隧洞形成閉合單元所用時(shí)間較短，對(duì)臨近已建隧道的圍巖擾動(dòng)較弱，圍巖產(chǎn)生的形變量較小，因此適用性較強(qiáng)。