浅埋小净距隧道群开挖进尺优选研究

刘彦军

（中冶交通建设集团有限公司，河北 三河 065201）

0 引言

随着高速铁路隧道工程项目的不断涌现，在其施工过程中会遇到各种各样的技术问题[1-2]。其中，浅埋小净距隧道群是当前亟待解决的技术问题之一。浅埋小净距隧道群是指埋置深度较小，开挖隧道洞室在三个或三个以上，且在施工过程中彼此相互影响的隧道[3-5]。

浅埋小净距隧道群的安全性主要受地形地质条件、施工方法等因素的影响，目前我国对浅埋小净距隧道群的实际开挖过程还缺乏经验，无法对此类高速铁路隧道工程项目的开挖安全性给予保障[6-9]。因此为了解决此类工程的开挖难题，依托韩府山浅埋小净距隧道群，利用有限差分数值模拟技术对高速铁路浅埋小净距大跨度隧道群的合理开挖进尺进行研究，这对于加快我国高速铁路发展以及解决浅埋小净距隧道的施工安全性问题具有重要的实际意义。

1 研究情况

1.1 某隧道工程概况

隧道位于南京市雨花台区秦淮新河南岸，其进出口段属于剥蚀低山丘陵区，地形起伏较大，隧道地质构造复杂，不良地质和特殊地质多，隧道均为Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩。隧道最大埋深约60m，浅埋地段较长，一、二、三号隧道彼此之间净距在6～10m的范围内，属于超小净距隧道。

1.2 计算模型

计算模型埋深18m，各隧道之间净距为8m，模型计算范围在水平左右方向取隧道洞径的5倍，下边界取洞高的3倍，纵向取40m，即整个模型范围为140m×58m×40m。模型底面施加竖向约束保证在竖直方向没有位移，左右两边界施加水平约束，沿纵向起始面上施加纵向约束。初支采用25cm厚的C25喷射混凝土，二衬采用45cm厚的C25模注混凝土。计算模型如图1所示。

图1 计算模型

1.3 计算工况

选取地质段为Ⅴ级围岩，故采用台阶法施工，依次选取开挖进尺为4m、6m、8m和10m进行施工过程的数值模拟，进而相比较得出合理的开挖进尺。施工按照上下台阶保持间距两个步长，同时下台阶开挖两个步长后开始施加二衬。开挖顺序按照施工先开挖左边一号洞，然后是右边三号洞，最后开挖中间二号洞，掌子面之间相距20m。计算工况见表1。

表1 计算工况

1.4 计算参数

计算模型的具体围岩参数和支护参数见表2[10]。

表2 计算参数

1.5 测点布置

这里分析时选取了目标断面中间岩体水平方向六个测点的计算结果，各个测点的布置情况如图2所示。

图2 测点布置

2 计算结果分析

2.1 应力分析

提取各监测点的围岩应力值，并绘制于表3和图3。

表3 中间岩柱应力

图3 应力变化曲线

由表3和图3记录的不同开挖进尺下中间岩柱应力值可以看出，随着开挖进尺的增加，中间岩柱应力值增加；从工况1到工况2的不同开挖进尺下的应力变化较为明显，而从工况2到工况3、工况4的应力值增加幅度逐渐减小；同时受到小净距隧道之间的相互影响和开挖顺序的影响，一号隧道和二号隧道之间的岩柱应力略大于二号隧道和三号隧道中间岩柱应力。

2.2 位移分析

提取不同的开挖进尺下开挖支护完成后的隧道周围围岩竖向位移分布图。图4和图5为围岩在施工完成后的位移分布图。

图4 竖向位移云图

图5 水平位移云图

从图4和图5中可以看出，围岩竖向位移主要发生在拱顶上部围岩和拱底下部围岩，洞身竖向位移同样集中在拱顶和拱底，其中拱顶沉降，拱底向上隆起。从图中可以较为明显地看出一号隧道跟二号隧道拱顶位移要大于三号隧道拱顶。洞周水平位移三个隧道大致上一致，主要分布在拱腰处，具体集中在一号隧道右拱腰和二号隧道右拱腰处；围岩产生的水平位移主要集中在一号隧道拱顶接近地表处围岩和三号隧道接近地表处围岩，同时还有一号和三号隧道拱脚向下发散方向的围岩。

比较不同开挖进尺施工下洞周、围岩产生的位移变化，发现大致上发展规律一致，从图4和图5中数值上可以看出，随着开挖进尺的增加，洞周竖向位移逐渐增大。由于支护的闭合距离开挖面有一定的距离，所以台阶长度的增加势必会影响支护闭合时间，支护闭合时间越长，围岩在开挖后处于自身承受应力的时间越长，变形就越大；缩短开挖进尺，对保证围岩稳定有较好的作用，但会造成施工过程中机械效率降低。

2.3 塑性区分析

在不同开挖进尺下，通过隧道开挖支护完成后围岩塑性区分布情况示意图来分析台阶长度对围岩扰动性的影响，如图6所示。

图6 塑性区分布图

从图6可以看出，围岩塑性区主要集中在模型两个角点处，随着开挖进尺的增加，塑性区范围有增大的趋势；中间岩柱处有很小块塑性区，但不明显。

3 结语

通过数值模拟比较不同开挖进尺的施工条件下应力、位移、塑性区的几个方面，可以得出以下结论：

（1）在开挖过程中，应力、位移、塑性区均随着台阶长度的增加而增加，为保证施工中围岩的稳定，可以考虑缩短开挖进尺，但台阶过短会影响施工进度，同时不利于提高施工机械的效率。故实际施工过程中应根据情况具体确定开挖进尺。

（2）综合考虑各方面因素，隧道开挖进尺可以取6～8m，既可以保证施工安全、围岩稳定，同时可以保证施工进度。

参考文献：

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