极小净距隧道单向出洞施工力学特性分析

(1.贵州省公路工程集团有限公司 贵州 贵阳 550008；2.中南大学土木工程学院 湖南 长沙 410075)

引言

由于特殊地质及地形条件、线桥隧衔接方式、总体路线线形和工程造价等原因的限制，双洞隧道左右线间距不能保证达到规范的要求，必须采用小净距隧道及连拱隧道等特殊结构形式。

大断面小净距隧道断面大、扁平率低、围岩稳定性差，施工过程中存在先行洞和后行洞相互扰动的现象，认识大断面小净距隧道在施工过程和运营期间的力学性状是修建此类隧道的关键[1-3]。夏才初[4]等对鹤上隧道进行了现场监测，指出了小净距隧道开挖影响的时空范围和隧道衬砌支护的最佳时机。彭从文[5]等通过研究后行洞开挖中隔墙及先行洞衬砌的受力状态，得出Ⅲ级围岩隧道最小净距取0.5B是合适的。张铁柱[6]等通过对大连大东山单洞四车道高速公路隧道变形受力监测，得出小净距隧道内侧受力状态较外侧复杂，后行洞的受力状况相对于先行洞要好一些，设计和施工时应充分考虑后行洞施工对先行洞的影响。吴文琦[7]等对先行洞在后行洞爆破荷载载作用下的动力响应做了理论研究，得出了当后行洞采用侧壁导坑法分五步爆破开挖时，第一步爆破开挖对先行洞的影响最大。

旧屋基隧道出口段原设计采用连拱隧道施工方案，但存在以下问题：开挖量较大，临时支撑多，拆除繁琐，严重影响了隧道的适用性和耐久性，后变更为极小净距隧道施工方案，但是由于净距小，断面大，先行洞受后行洞施工扰动较大，安全性问题较突出。因此，本文以该隧道为工程背景，在现场调研的基础上，建立三维数值模型，探讨后行洞施工过程中对先行洞的影响及先行洞衬砌结构安全性。

一、出洞施工方案

贵州省兴义市环城高速旧屋基隧道为设计时速为80km/h的分离式极小净距隧道，其中，进口段左右洞净距约为30.5m，然后逐渐分为分离式、小净距、极小净距隧道，出口段左右洞净距最小，约为0.6m。左洞起讫桩号为ZK15+305～ZK15+697，长392m；右洞起讫桩号为YK15+290～YK15+683，长393m，最大埋深约178m。单洞开挖跨度为15.72m，高度为11.45m，开挖面积约为130。隧道围岩为可塑状含碎石粉质黏土及强、中风化白云岩，节理裂隙发育，其中出口段为V级围岩。

(一)左洞台阶法出洞

隧道左洞为先行洞，出口段施工不受左右线净距因素的影响，采用台阶法出洞，开挖采用弱爆破、机械开挖结合的方式。出口段循环进尺与开挖方式控制如表1所示。

表1 左洞出口段施工控制表

出洞段衬砌结构按照新奥法原理，采用复合式衬砌结构形式，其中，以系统锚杆、注浆锚杆、钢筋网、钢架、喷射混凝土为初期支护。具体开挖尺寸及支护设计如图1所示，出口段采用直径42mm、厚度4mm、长度4m的双层小导管作为超前支护措施。其中一层外插角度为10-15°，环向间距为40cm，纵向间距为120cm，另一层小导管外插角度为30-40°，环向间距为40cm，纵向间距为240cm。中间岩柱采用梅花形布置的注浆小导管进行注浆加固，浆液采用1:0.7普通水泥浆液，注浆压力控制在1.0MPa～1.5MPa，使松散的块石碎石状岩体固结，提高中壁岩柱的承载能力。

(二)右洞超前小导洞出洞

右洞出口段出洞施工所受左右线极小净距的影响较大，采用超前导洞出洞方案，导洞先行贯通后扩挖大断面，最终实现安全出洞。

小导洞尺寸为7m×5m。出口段10m内设置小导洞初期支护，支护参数为：钢架采用I14b工字型钢拱架，间距为80cm；钢筋网采用直径8mm，网格间距为20cm×20cm；喷射混凝土为C20混凝土，厚度为15cm。导洞施工采用弱爆破开挖方式，每次循环进尺1.6m，每日平均进尺3.2m。

右洞大断面施工至距离洞口20m时停止施工，采用弱爆破方式优先贯通超前导洞，导洞贯通后，主洞依然按照上下台阶法施工步骤单向开挖掘进，上台阶大断面采用机械与爆破结合的方式扩挖。其中，靠近先行左洞一侧的岩体采用破碎头破除方式机械开挖，右侧远离左洞一侧岩体采用弱爆破方式开挖。上台阶扩挖完成后，逐段拆除超前导洞支护，及时施作主洞上台阶初期支护并对左侧中岩柱进行注浆加固。其中，右洞初期支护参数及掌子面循环控制进尺同左洞相同；隧道超前钻探、超前支护、注浆加固等措施同左洞施工工艺相同。

图1 隧道支护结构图(单位：cm)

二、数值模型的建立

根据旧屋基隧道实际的地质条件和施工条件建立数值模型，为消除边界效应的影响，模型的横向宽度取为120m(约10D)；沿线路纵向模拟的左线里程桩号为ZK15+623-ZK15+687，长度为64m；距隧底仰拱往下取47m。其中选取ZK15+668为目标断面，埋深20m，左右线净距2.03m，旧屋脊隧道三维计算模型如图2所示。

图2 旧屋基隧道计算模型网格

现场的中风化白云岩地层虽然强度低但是均匀性质较好，故在三维数值分析中，隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑，采用Mohr-Coulomb屈服准则。围岩采用三维实体单元(brick)，初期支护也采用三维实体单元。二次衬砌采用FLAC3D中的三维壳体(shell)单元。相关材料物理力学参数由设计及工程类比确定(表2)。

表2 材料物理力学参数

计算研究的重点在于先行洞贯通后，后行洞开挖过程中围岩、支护的应力、应变的分布规律以及对先行洞隧道结构沉降、位移的影响。对于三维全施工过程的模拟，设定隧道开挖进尺为2m，左洞采用上下台阶法，右洞采用小导洞扩挖法，小导洞超前距离为4m，将每个隧道沿纵向分为32段，每段2m。先行洞上台阶开挖30m后，开挖下台阶，上台阶继续开挖。下台阶开挖20m后，施作仰拱。先行洞贯通后后行洞小导洞开挖，小导洞开挖4m后，扩挖上台阶，上台阶开挖30m后开挖下台阶，下台阶开挖20m后施作仰拱。

图3 先行洞拱顶沉降随开挖变化图

三、计算结果分析

(一)拱顶下沉分析

拱顶位移的发展是反映隧道围岩稳定性的一个重要标志，为了探明不同施工步骤对隧道围岩稳定性的影响，分析隧道拱顶位移发展变化的过程。

图3为先行洞各断面拱顶沉降随开挖变化规律示意图，由图可以得出先行洞断面拱顶沉降大于后行洞，这是由于先行洞受后行洞开挖影响，先行洞拱顶沉降值为4.97mm。先行洞拱顶沉降变化规律为当开挖至目标断面时变形急剧增大，至仰拱开挖完成后趋于平缓，后行洞扩挖时又急剧增大，最终沉降达到稳定。先行洞受后行洞开挖影响较大，由于后行洞开挖引起的先行洞沉降占总沉降的30%。

(二)二次衬砌内力

通过分析目标断面不同施工阶段先行洞二次衬砌的内力，发现后行洞开挖对先行洞衬砌结构受力有较大影响(图4)，并将典型位置内力值列于表3。根据计算结果可知，后行洞未开挖前，先行洞内力呈对称分布，后行洞上台阶开挖后，先行洞内力分布发生变化，出现明显的不对称形，靠近后行洞一侧内力值急剧增大，下台阶开挖后内力值也有所增加，但幅度不大。轴力最大值发生在E点，不同开挖阶段轴力值分别为92.58kN，1485.15kN，1616.47kN，1618.1kN。弯矩最大值发生在C点，不同开挖阶段弯矩值分别为15.41kN·m，90.92kN·m，114.71kN·m，114.4kN·m。

(a)先行洞挖通后 (b)后行洞上台阶扩挖后

(c)后行洞下台阶开挖后 (d)后行洞挖通后

(三)衬砌结构安全性

根据数值模拟获得的衬砌结构内力，计算出不同开挖阶段下下典型位置衬砌安全系数列于表3。

表3 不同开挖阶段安全系数

由表3可知，后行洞开挖后安全系数明显减小，安全系数最小值发生在靠近后行洞一侧E位置处。《公路隧道设计规范》中规定在永久荷载作用下，钢筋混凝土结构安全系数为2.0。二次衬砌靠近先行洞一侧安全系数较小，但各位置处安全系数均大于2.0，结构安全。

四、结论

(1)后行洞开挖对先行洞周围岩体位移，支护受力等产生显著影响。由于后行洞开挖引起的先行洞位移变形占总位移的25%-33%。

(2)后行洞扩挖时，先行洞支护结构在靠近后行洞一侧轴力弯矩明显增大，受力情况更为复杂，安全系数减小，所以这一侧应加强支护。

(3)通过计算结果可知，隧道位移变形值远小于规范控制值；衬砌结构安全系数最小值为7.1，大于规范控制值，隧道衬砌结构内力均处于安全范围。