地表荷载对浅埋非对称小净距隧道的影响分析*

张学富，周元江，周元辅，周 杰

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074)

在城市交通建设过程中，由于地形和周边环境限制，非对称小净距隧道逐渐增多。当非对称小净距隧道为浅埋且穿过地表建筑时，地表沉降、围岩变形和支护受力状态是施工过程中需要控制的重要项目。

目前小净距隧道研究主要集中在小净距大断面隧道的合理净距[1-2]，围岩压力[3-5]及采用不同施工方法时各施工工序对围岩变形和支护力学状态的影响，比如围岩和支护的变形、力学状态在双侧壁导坑法[6]、CRD法和预留核心土弧形导坑法[7]等施工过程中的变化。此外，对城市浅埋隧道，章慧健等[8]认为在同等静力学条件下，上下重叠隧道夹岩的受力优于水平平行隧道；张志强等[9]通过研究非对称小净距隧道开挖顺序对支护力学行为特性及围岩稳定的影响，认为先开挖较小断面隧道优于先开挖较大断面隧道。

浅埋非对称小净距隧道在不同地表荷载作用下，地表沉降、围岩变形和支护受力状态在施工过程中变化特征及风险较大的施工步序探讨较少。为获得与此相关的结论，笔者以重庆渝中连接隧道与解放碑地下停车系统接口工程暗挖段为依托，采用二维数值方法，研究地表荷载位于小隧道正上方、大隧道正上方及均布于大小隧道上方这3种荷载作用下，浅埋非对称小净距隧道在小隧道先施工和大隧道先施工的地表沉降、拱顶下沉及支护应力随施工步序变化。

1 依托工程概况

重庆渝中连接隧道与解放碑地下停车系统接口工程暗挖段ASX1型衬砌里程为ZK13+920.500～ZK13+936.441。按非对称小净距隧道布置，左右线间距为5.8～6.1 m，洞顶埋深约为6.5 m。左洞开挖跨度为13.26 m，右洞开挖跨度为22.1 m。左洞支护参数：超前支护为Φ127 mm超前管棚；初期支护：C25喷射砼厚度为26 cm，单层Φ6 mm钢筋网@15×15 cm，I20b钢支撑@60 cm，长度为350 cm的Φ25 mm砂浆锚杆@100×60 cm；二次衬砌：C30钢筋砼厚度为65 cm。右洞支护参数：超前支护为Φ127超前管棚；初期支护：C25喷射砼厚度为28 cm，单层Φ6 mm钢筋网@15×15 cm，I22b钢支撑@50 cm，长度为350 cm的Φ25 mm砂浆锚杆@100×50 cm；中夹岩支护加固：Φ25 mm精轧螺纹钢预应力对拉锚杆@100×80 cm，梅花形布置；二次衬砌：C30钢筋砼厚度为80 cm(左右隧道位置关系见图1)。

图1 断面及模型示意Fig. 1 Section and model diagram

2 有限元模型及模拟施工步序

2.1 物理力学参数

重庆渝中连接隧道地表存在3～7 m厚的素填土，填土下为砂质泥岩，紫色、紫褐色，粉砂泥质结构，中厚层状构造。管棚超前支护在模型中仅考虑其整体加固作用，由等面积弹性模量等效可得管棚超前支护区域的弹性模量为6.8 GPa。张志强等[10]将岩体的弹性模量、黏聚力及摩擦角仅提高50%作为其加固作用。根据室内、现场试验和相关规范，计算所需的物理力学参数取值见表1。

表1 物理力学参数Table 1 Physics mechanics parameters

2.2 有限元模型及荷载分布

模型选择ZK13+927断面作为分析对象。该断面左线隧道埋深8.0 m，右线隧道埋深6.1 m，填土厚度为5.2 m，岩层厚度为59.8 m(图1)。模型顶部取至地表，左、右及下边界都取3倍洞径。整个模型尺寸大小为120 m(宽)×65 m(高)，共有36 424个单元，38 388个节点。填土、岩体、加固区、初期支护及二次衬砌均采用实体单元Plane42，锚杆采用link1单元，工字钢及槽钢采用beam3单元。

边界条件为：顶部为自由边界，底部施加竖向约束，左右两侧各施加水平约束。适用于ASX1型衬砌桩号范围内地表存在不同层高的地表建筑且各建筑与隧道位置关系各异，笔者取8层地表建筑荷载为计算荷载并考虑为均布荷载，大小为30 kN/m2×8；在小隧道正上方、大隧道正上方及大小隧道上方均有建筑物分布，此外在很多其它城市隧道建设中基本都会遇到这3种典型地表荷载分布形式。因而，笔者主要分析地表荷载位于小隧道正上方、大隧道正上方及均布于大小隧道上方这3种情况，有限元模型及荷载分布见图1。

2.3 施工步序

左侧小隧道采用单侧壁方法施工，右侧大隧道采用环形开挖留核心土法施工。根据两种施工方法步序，数值模拟步骤编号及主要内容见表2。

表2 数值模拟步骤及主要内容Table 2 Steps and main contents of numerical simulation

注：步骤3～12为左洞施工步骤也即小隧道施工步骤；步骤13～25为右洞施工步骤也即大隧道施工步骤；小隧道先施工时，模拟步骤为1～24；大隧道先施工时，模拟步骤为1、2、13～25、3～12。

3 地表荷载的影响分析

3.1 地表荷载对地表沉降影响

隧道施工中，地表沉降在有地表荷载地方通常是非常重要的控制参数。图2(a)为在3种地表荷载分布作用下，小隧道先施工时，大隧道施工完成后的地表沉降曲线。除荷载分布2作用下沉降曲线有双峰出现外，其他两种地表荷载分布作用下的沉降曲线只有一个峰值。从沉降值大小来看，在荷载分布2作用下，地表沉降值较小；在荷载分布1、3作用下地表沉降较大且最大值比较接近。图2(b)为大隧道先施工时，在各种荷载分布作用下地表沉降曲线。与图2(a)相比，两者分布规律基本相同，但有一定区别。图2(a)中，在荷载分布1作用下的最大沉降值大于荷载分布3作用下最大值；而图2(b)表明：这两种荷载分布作用下的最值基本相等。

此外，图2(a)中大隧道中线左侧至小隧道中线右侧在荷载分布1、3作用下的沉降差值大于图2(b)中的差值。从地表沉降分布规律来看，无论是左侧小隧道先施工还是右侧大隧道施工对地表沉降最终分布影响不大。荷载分布2的总荷载相对较小，因而地表沉降相对较小，并且具有双峰特征。地表荷载分布影响最终地表沉降曲线的形态及沉降值大小。

图2 最终地表沉降Fig. 2 Final subsidence

3.2 地表荷载对拱顶下沉影响

拱顶下沉是表征围岩是否稳定的重要参数之一，也是隧道监控量测的必测项目。图3为小隧道先施工时，大、小隧道拱顶下沉在各种荷载分布作用下随施工步序的变化。在荷载分布3作用下，小隧道拱顶下沉小于其他两种情况。反之，在荷载分布2作用下，大隧道拱顶下沉小于其他情况。小隧道右侧导坑上台阶开挖和大隧道左侧导坑下台阶开挖对小隧道拱顶沉降影较大，位移突变明显。大隧道在其左、右导坑上台阶开挖和最后拆除临时支撑时的拱顶下沉变化显著。小隧道正上方存在地表荷载两种情况(荷载分布1、2)的拱顶下沉差值大于大隧道正上方存在地表荷载两种情况(荷载分布1、3)的拱顶下沉差值。

图3 先行洞为小隧道时的拱顶下沉Fig. 3 Crown settlement of antecedence tunnel as small tunnel

图4为大隧道先施工时，大、小隧道拱顶下沉在各种荷载分布作用下随施工步序分布。与图4对比可知，大隧道先施工的拱顶下沉与小隧道先施工的分布规律相同。小隧道拱顶下沉突变出现于小隧道右侧导坑上台阶开挖，而大隧道拱顶下沉呈多台阶状变化。拱顶下沉变化较明显的几个阶段为：大隧道左、右导坑上台阶开挖和最后拆除临时支撑。大隧道拱顶下沉受小隧道施工影响比较小。

图4 先行洞为大隧道时的拱顶下沉Fig. 4 Crown settlement of antecedence tunnel as large tunnel

图3、4表明：无论是小隧道先施工还是大隧道先施工，对浅埋非对称小净距隧道，无论大、小隧道，只要其正上方无地表荷载，拱顶下沉均较小。总地表荷载大小对小隧道拱顶下沉影响比大隧道拱顶下沉大。大、小隧道施工先后顺序对拱顶下沉随工序变化的规律没有影响。在3种荷载分布作用下，无论是小隧道先施工还是大隧道先施工，小隧道右侧导坑上台阶、大隧道左、右导坑上台阶开挖和最后拆除临时支撑都是拱顶下沉变化最大的施工步序。

3.3 地表荷载对初支混凝土应力影响

初支喷射混凝土是新奥法施工的核心内容之一，也是锚喷支护的重要组成。图5为小隧道先施工时，小隧道初支混凝土主应力最值随大隧道施工过程的变化。小隧道初支第1主应力最大值随总地表荷载增大而增大，在大隧道左导坑上台阶开挖时，应力减小都在1.0 MPa以上，最大达到2.3 MPa。由图5(b)可知：在荷载分布1作用下，小隧道初支第3主应力最小值的绝对值最大；而在荷载分布2作用下，第3主应力压应力大于在荷载分布3作用下的应力值。第1主应力最大值在大隧道左侧导坑上台阶开挖时减小量最大，而第3主应力在大隧道左侧导坑下台阶开挖时增大量最大。由此表明：这两个施工步序会导致整个应力场重新分布显著。

图5 小隧道初支应力Fig. 5 Primary support stress of small tunnel

图6为大隧道先施工时，大隧道初支混凝土主应力最值随小隧道施工过程的变化。在荷载分布2作用下，第1主应力最大值和第3主应力最小值的绝对值均最小。在荷载分布1、3作用下，大隧道初支应力大小基本不受小隧道施工影响。在荷载分布3作用下，第1主应力最大值最大；在荷载分布1作用下，第3主应力最小值绝对值最大；在荷载分布2作用下，小隧道右导坑上台阶开挖导致第1主应力减小了1.48 MPa以及第3主应力增大了1.47 MPa，除此之外，大隧道初支应力无明显突变。

图6 大隧道初支应力Fig. 6 Primary support stress of large tunnel

图5、6表明：小隧道先施工时，大隧道左侧上、下台阶开挖对应力场的重新分布影响明显。大隧道先施工时，荷载分布1、3对其初支应力基本不产生影响；但在荷载分布2作用下，小隧道右导坑上台阶开挖对其初支应力影响严重。先行洞为小隧道时小隧道的初支第1主应力和先行洞为大隧道时大隧道的第3主应力的绝对值都随总地表荷载增加而增大。

3.4 地表荷载对二衬混凝土应力影响

一般而言，二衬是作为隧道的安全储备，其受力状态对隧道整体结构安全产生非常重要的影响。图7为小隧道先施工时，小隧道二衬混凝土主应力最值随大隧道施工过程的变化。在大隧道施工过程中，小隧道二衬混凝土的第1主应力和第3主应力绝对值都随施工步序、总地表荷载增加而增大。小隧道二衬混凝土应力在右侧大隧道左侧导坑上台阶开挖时，第1主应力平均增大1.3 MPa，第3主应力平均增大5.2 MPa。在大隧道最终拆除临时支撑时，第3主应力最小值变化也比较明显。

图8为大隧道先施工时，大隧道二衬混凝土主应力最值随小隧道施工过程的变化。在荷载分布1、3作用下，小隧道左导坑下台阶开挖导致第1主应力最大值显著增大；在荷载分布1、2作用下，小隧道右导坑上台阶开挖导致第1主应力和第3主应力最值的绝对值明显增大；在小隧道右导坑下台阶开挖时，第1主应力减小也相对较大；在荷载分布3作用下，小隧道右导坑下台阶开挖时，第3主应力最小值绝对值也有较大增加。

图7 小隧道二衬应力Fig. 7 Secondary lining stress of small tunnel

图8 大隧道二衬应力Fig. 8 Secondary lining stress of large tunnel

图7、8表明：当小隧道先施工时，其二衬应力随大隧道施工工序和地表总荷载大小变化规律明显；而在大隧道先施工时，其二衬应力不具有此规律。无论大、小隧道施工先后顺序如何，后行洞临近先行洞的导坑开挖对二衬应力影响非常大。先行洞为小隧道时，其二衬第1、3主应力最大值的绝对值均大于先行洞为大隧道时的二衬应力值。

4 结 论

通过二维数值分析地表荷载分布在浅埋非对称小净距隧道地表不同位置，可得到如下结论：

1) 总地表荷载越大，地表沉降越大。同样大小均布荷载作用于小隧道正上方时，地表沉降曲线具有双峰特点；而地表荷载位于大隧道正上方时只有一个峰值，大隧道正上方地表荷载影响最终地表沉降曲线的形态及沉降值大小；

2) 无论大小隧道，只要其正上方无地表荷载，则拱顶下沉均较小。大小隧道的施工先后顺序对拱顶下沉随工序变化规律没有影响，小隧道右侧导坑上台阶、大隧道左、右导坑上台阶开挖和最后拆除临时支撑都是拱顶下沉变化最大的施工步序；

3) 先行洞为大隧道时，荷载位于其正上方或均布于大小隧道上方，对其初支应力基本不产生影响；但荷载位于小隧道正上方时，小隧道右导坑上台阶开挖致使第1主应力减小1.48 MPa，第3主应力增大1.47 MPa。先行洞为小隧道时，大隧道左侧上下台阶开挖对应力场重新分布影响明显；先行洞为小隧道时小隧道初支第1主应力与先行洞为大隧道时大隧道初支第3主应力都随总地表荷载增加其绝对值也增大；

4) 小隧道二衬应力随大隧道施工工序和地表总荷载增加而增大。无论大小隧道施工先后顺序如何，后行洞临近先行洞的导坑开挖对二衬应力影响非常大；大小隧道施工先后顺序对二衬应力影响较大。

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