大偏压小净距隧道施工方法分析

张其来， 金立丰

(1.湖南省怀化公路与桥梁建设总公司， 湖南 怀化　418000；　2.湖南省第五工程有限公司， 湖南 长沙　410000)



大偏压小净距隧道施工方法分析

张其来1， 金立丰2

(1.湖南省怀化公路与桥梁建设总公司， 湖南 怀化418000；2.湖南省第五工程有限公司， 湖南 长沙410000)

为了确定IV级围岩条件下陡坡小净距隧道的合理施工方法，结合怀通高速公路隧道工程施工实例，考虑上下台阶与环形开挖留核心土法的3种不同组合下的施工方案，通过有限元软件对IV级围岩陡坡条件下小净距隧道的不同施工方法进行了模拟，重点分析了隧道开挖对地表、围岩等的扰动效应，主要包括地表、掌子面以及中夹岩柱区域的位移和应力，确定了上下台阶法为IV级围岩条件下陡坡小净距隧道的合理施工方法，分析成果可为类似条件下的小净距隧道的设计、施工提供参考。

陡坡； 小净距隧道； 施工方法； IV级围岩； 怀通高速公路

1　概述

目前，国内外学者对小净距公路隧道已进行了相关的研究，K.W.Lo[1]和E Soliman[2]等对于小净距隧道施工过程中的受力模式及隧道之间的相互影响进行了相应的研究和探索；Tan[3]采用数值模拟的手段研究了小净距隧道间距对地表位移和围岩应力的影响；近年来国内许多学者[4-11]也对小净距隧道的施工方法与顺序、施工力学状态、施工相互影响等方面进行了研究，逐步积累了一定的经验和成果，但研究对象基本集中在无地形偏压或地形偏压坡度不大于30°的情况，对大于30°的偏压情况下小净距隧道的研究较少，但实际工程应用难以避免遇到陡坡偏压的情形，特别是怀通高速公路由于地形复杂、选线难度大，出现了几座陡坡偏压小净距隧道，迫切需要通过相关研究降低其施工与运营风险，进一步优化设计施工的关键技术参数。因此，本文拟通过数值模拟，并结合工程实例，对相同条件下陡坡小净距隧道的三种不同施工方法进行对比分析，研究IV级围岩条件下陡坡小净距隧道的合理施工方法，以为本工程施工提供指导，并为以后类似工程提供设计与施工方面的借鉴。

2　计数值模型与工况设计

2.1计算模型与参数

结合怀通高速公路隧道工程实例，建立隧道开挖三维模型。该工程为双洞单向行车的双车道小净距隧道，隧道位于低山丘陵区，基岩主要为片麻岩，岩体破碎，构造发育，隧道中部为IV级围岩，偏压较为严重，因此该隧道适合作为本研究的依托工程。整体及支护结构模型如图1所示，单洞开挖跨度13.14 m，净距8 m，拱肩覆土厚度8 m，地面坡度45°，陡坡条件，模型纵向深度100 m。在ABAQUS模型中，围岩采用一阶三维实体缩减积分六面体单元C3D8R，喷射混凝土板采用缩减积分四节点壳单元S4R，锚杆采用杆单元T3D2。

(a) 整体模型 (b) 支护结构

模型参数根据《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010)给出的岩质围岩基本物理力学参数选取，混凝土的材料模型采用混凝土塑性损伤模型，初支混凝土材料弹性模型通过截面等效原则，将钢拱架的弹性模量折算成混凝土的弹性模量计算公式(1)。

(1)

式(1)中：E为折算后初期支护的弹性模量，Ec为喷射混凝土弹性模量，Eg为钢拱架弹性模量，Sc为喷射混凝土截面积，Sg为钢拱架截面积，Lg为钢拱架翼缘长，L为钢拱架间距。模型中锚杆长度为3.5 m，锚杆纵横间距0.5×1.0 m，喷射混凝土厚度为0.25 m。围岩及支护结构材料属性见表1。

2.2工况设计

各施工工法横断面施工步流程图以及开挖三维立体图见表2。

表1 围岩与结构力学参数Table1 Mechanicalparametersofsurroundingrockandstructure力学参数弹性模型/GPa泊松比重度/(kN·m-3)粘聚力/MPa内摩擦角/(°)围岩(IV)3.80.31230050035喷砼23.50.22200//锚杆2050.37800//

表2 IV级围岩下的施工方法Table2 ConstructionmethodsofIVlevelrockmass施工方法横断面施工步流程图开挖三维立体图台阶法开挖顺序为1-2-3-4,其中1步与2步相距15m,1步与3步相距40m,3步与5步相距15m组合法开挖顺序为1-2-3-4-5,其中1步与2步相距2m,1步与3步相距15m,1步与4步相距40m,4步与5步相距15m环形开挖留核心土法开挖顺序为1-2-3-4-5-6,其中1步与2步相距2m,1步与3步相距15m,1步与4步相距40m,4步与5步相距2m,4步与6步相距15m

3　计算结果分析

3.1地表位移分析

对于陡坡小净距隧道，地表位移是判断围岩与边坡稳定性的一个重要标志，地表位移控制往往是隧道建设中的重要环节，因此也是数值分析的重要指标。地表位移分析选取初始开挖断面上方的地表测线D1，沿隧道开挖方向先行洞拱顶上方地表测线D2和沿隧道开挖方向后行洞拱顶上方地表测线D3，如图2所示。

图2　地表测线示意图Figure 2　Schematic diagram of surface survey

如图3所示，由沉降曲线可知：3种施工方法下的地表沉降规律基本一致，最终的地表最大沉降均位于中夹岩柱中心线和浅埋洞拱顶正上方之间的位置，其最大地表沉降值有所差异。当先行洞开挖至80 m(后行洞开挖至40 m)，采用上下台阶法、组合法和留核心土法开挖的最大地表沉降分别为8.2 mm，7.7 mm和7.2 mm。

图3　先行洞开挖80 m时不同施工方法的D1沉降曲线Figure 3　　　　D1 Settlement curve of different construction methods in the first hole excavation 80 m

图4为先行洞开挖至80 m时测线D2和D3的沉降曲线，在沿隧道开挖方向的地表的沉降最大值均出现在初始开挖断面(横坐标的0 m位置)的地表处，且相同横坐标下的先行洞上方的地表沉降值明显大于后行洞。采用上下台阶法、组合法和留核心土法开挖的先行洞上方最大地表沉降分别为8.1 mm，7.7 mm和7.4 mm，后行洞上方最大地表沉降分别为5.9 mm，5.5 mm和5.2 mm。

图4　先行洞开挖80 m时的沉降曲线Figure 4　　　　The settlement curve of first hole 80 meters of excavation

综合上述沉降云图和地表沉降曲线图可知：留核心土法开挖对地表沉降控制效果最好，其次为组合法，而上下台阶法施工引起的地表沉降最大。但总体而言，IV围岩下的3种施工方法造成的地表沉降差别并不大，均能满足施工期间的地表沉降控制要求。

3.2掌子面挤出位移分析

图5为隧道先行洞开挖至80 m时，先行洞和后行洞的掌子面沿隧道开挖方向上的位移云图，灰色区域为掌子面挤出位移的区域。由图可知，掌子面挤出主要发生在上台阶区域，而采用上下台阶开挖产生的掌子面挤出位移的区域范围明显要大于留核心土法，因为上台阶预留的核心土有效地“抵制”了掌子面的挤出趋势。

由于进行下一步开挖时会挖出上一步已经产生挤出位移的掌子面，所以每一步开挖都会产生新的掌子面，这就导致掌子面挤出位移并不像地表沉降一样是各个开挖步的地表沉降的累加，而是每步开挖后重新产生的，所以掌子面挤出位移的量值并不大。

(a) 上下台阶法

(b) 组合法

(c) 留核心土法

Figure 5The face of soil displacement along the direction of the tunnel excavation

从掌子面稳定性看，留核心土法的掌子面挤出位移区域最小，控制效果最好，其次是组合法，上下台阶法对掌子面稳定性最为不利。

3.3中夹岩柱特征点应力

应力分析选取连接两隧道起拱线位置的水平线L2上的监测点A、B、C，分别位于深埋洞开挖面附近，岩柱中部以及浅埋洞开挖面附近，如图6所示。

中夹岩柱应力分析点选取岩柱近深埋洞侧A点、岩柱中部B点和岩柱近浅埋洞侧C点(见图

图6　测线L2位置示意图Figure 6　Position of line L2

6)。采用侧壁导坑法、组合法和留核心土法开挖时，中间岩柱A、B、C处最大和最小主应力见表3。

表3 3种施工方案下中夹岩柱典型点应力Table3 TypicalpointstressofthreekindsofconstructionschemesMPa开挖方式最大主应力最小主应力应力差ABCABCABC台阶法-1.19-1.11-1.41-4.02-2.66-3.62-2.83-1.55-2.21组合法-1.08-1.03-1.30-3.82-2.54-3.47-2.74-1.51-2.17留核心土法-1.01-0.98-1.26-3.71-2.46-3.42-2.70-1.48-2.16

根据图7中的各点应力分布情况，无论采用哪种施工方案，中夹岩柱靠近开挖面的位置(A、C点)应力均大于岩柱中间部位(B点)，而深埋侧A点的最小主应力则显著大于浅埋侧C点，最大主应力却略小于C点，深埋侧A点最大和最小应力之差最大。从应力值分析，中夹岩柱越靠近开挖面的位置受到施工扰动越大；根据应力差，中夹岩柱深埋侧岩土体比浅埋侧的更容易发生破坏。

图7　各特征点应力图Figure 7　The characteristic points of the stress

3种施工方法中，采用留核心土法施工的中夹岩柱的最大、最小主应力和应力差均要小于组合法和台阶法，所以留核心土法对于中夹岩柱的受力变形控制效果最好。

4　结论

① 结合数值模拟结果，从各自的地表位移、掌子面挤出位移以及中夹岩柱特征点的应力角度分析3种施工方法的优劣，得出留核心土法优于其它两种方法，而组合法又优于台阶法。

② 隧道施工的位移场分布规律主要取决于地质条件，隧道位置和形状等设计条件，不受施工方法影响，但隧道的施工方法会对位移量值大小产生显著影响。

③ 留核心土法相比于台阶法，预留的核心土有效抑制了掌子面的挤出位移，保证了掌子面的稳定性，这是导致留核心土法施工造成的岩土体变形小于台阶法的根本原因。

[1]K.W.Lo，L.K.Chong，L.F.leung.Field instrumentation of a multiple tunnel interaction pr-oblem[J].Tunnels and Tunnelling，1998.

[2]E.Soliman，H.Duddeck，H.Ahens.Two and Three Dimensional Analysis of Closely Space double-tube tunnels[J].Tunneling and Underground Space technology，1993，8(1)：13-18.

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Analysis on Reasonable Construction Method of Steep Slope Tunnels with Small Interval

ZHANG Qilai1， JIN Feng2

(1.Hunan Province Huaihua Highway and Bridge Construction Corporation， Huaihua， Hunan 418000， China；2.Hunan Province Fifth Engineering Company Limited， Changsha， Hunan 410000， China)

In order to determine the reasonable construction method of small clear distance tunnel in the condition of IV grade surrounding rock，Combined with the construction of the tunnel project of Huai Tong expressway，Considering the three different combinations of the construction plan on the steps and the ring cutting method，Based on the finite element software，the different construction methods of the small spacing tunnel under the condition of IV grade surrounding rock slope are simulated，Focuses on the analysis of tunnel excavation on the surface and the surrounding rock disturbance effects，including surface and tunnel face and clip rock column region of the displacement and stress.The reasonable construction method of the upper step down method is determined for the small clear distance tunnel of the steep slope under the condition of the IV grade surrounding rock，The analysis results can provide reference for the design and construction of a small net distance tunnel under similar conditions.

steep slope； small clear distance tunnel； construction method； IV grade surrounding rock； huai tong expressway

2016 — 06 — 17

张其来(1977 — )，男，湖南怀化人，工程师，主要从事公路工程施工管理。

U 455.4

A

1674 — 0610(2016)04 — 0166 — 05