小净距偏压隧道在特殊素填土施工顺序研究

陈光杨 宁晓骏 费维水 李扬 薛挥杰

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

随着国民经济的快速发展，社会交通拥堵问题越发严重，地下空间开发和利用变得越来越重要，且地下公路隧道建设是解决交通拥堵的有效方法。在地下空间的开发利用中，由于区域与环境的不同，隧道建设遇到各种各样的问题，浅埋偏压隧道往往是比较困难的问题。因此，通过研究不同施工顺序对浅埋暗挖区间隧道围岩变形、衬砌内力、塑性区分布情况，对类似偏压小净距隧道项目的施工有重要参考。

重庆曾家岩区间隧道主要穿过第四系全新统人工填土、中风化泥岩，本文着重以重庆曾家岩隧道施工为背景，通过二维数值计算，对不同隧道施工顺序引起的围岩变形、衬砌内力、塑性区分布进行比较，分析在隧道潜在偏压情况下，哪种施工顺序更加安全可靠，为研究浅埋暗挖及偏压隧道施工提供参考价值。

1 工程概况

重庆曾家岩隧道位于奥园小区上方以明洞隧道通过，以暗挖隧道形式下穿金开大道。隧道区表覆盖层为第四系全新统素填土，表层填土由于园林建设活动，填土稍密；下层块石含量较大，空隙大，土层较为松散、稍湿，粘聚力很小，仅有3 kPa，是较为特殊的回填土，其主要成分为砂泥岩碎石、块石，含少量粉质粘土，碎块石占比约10%～50%，粒径多为20～350 mm，少量超过500 mm，回填时间10 a以上，分布无规律，厚5.20～48.4 m。

由于曾家岩隧道为小净距偏压隧道，且多数区段埋置于特殊回填土中(粘聚力为3 kPa)，采用CRD法施工，标准段为Ⅵ级加强A，隧道开挖断面支护参数如表1所示。

表1 CRD法标准断面支护参数

2 计算模型及参数

2.1 计算方法及条件

(1)计算中，围岩采用M-C弹塑性本构模型，初期支护和二次衬砌等支护结构采用线弹性模型。

(2)两层初期支护(第一层初支：喷层+钢架；第二次初支：喷层+钢架)中的喷层和钢架分别采用梁单元模拟。

(3)初始应力场仅考虑自重应力场。

(4)依据《公路隧道设计细则》，并结合工程类比和计算经验，施工过程模拟时，开挖+初期支护阶段的应力释放比率取为50%，二次衬砌施做后，应力100%完全释放[1]。

2.2 计算模型及计算参数、计算方案

结合具体工程实例，以勘察资料中的最不利剖面9-9为典型断面，采用第二次变更设计参数，本段左右洞施工工法均采用CRD法，运用Midas GTS/NX二维有限程序进行模拟计算，整个模型宽360 m，高139 m，如图1所示。本模型左右边界为水平约束，底部为固定约束。

图1 9-9典型断面模型示意

计算所采用的岩土体及支护结构材料物理力学参数见表2。

表2 岩土体及支护结构材料物理力学参数

续表2

表中各参数的选取依据如下：

(1)填土的弹性模量取为30 MPa，填土、粉质黏土、强风化泥岩、中等风化泥岩的力学参数依据地勘给出的建议值；

(2)小导管注浆加固区的力学参数参考设计单位计算模型中的设定值；

(3)隧道基底加固、注浆加固墙体的物理力学参数依据复合地基设计理论及相关资料综合确定，其等效弹性模量可用式(1)计算：

按照弹性力学理论，弹性模量与压缩模量间存在关系：

(1)

式中，E为弹性模量，EP为压缩模量，μ为泊松比。

若已知复合地基压缩模量与泊松比，便可依据式(1)求出复合地基弹性模量。根据变形一致原则，采用《复合地基技术规范》中关于旋喷桩复合地基压缩模量计算式(2)可得：

EPc=m·EPi+(1-m)·EP0

(2)

式中，EPc为旋喷桩复合地基压缩模量，EPi为旋喷桩压缩模量，EP0为土体压缩模量，m为桩置换率[2]。

将式(1)代入式(2)便可推出复合地基弹性模量的计算式(3)：

(3)

式中，Ec为旋喷桩复合地基弹性模量，μc为复合地基泊松比[2]。

在考虑土体弹性模量为30 MPa，旋喷桩间距为1.5 m×1.5 m，2 m×2 m，3 m×3 m梅花形布置(对应桩置换率为0.349,0.196,0.087)的情况进行组合[3-4]，得到不同工况下的复合地基弹性模量，如表3所示。

表3 不同工况下复合地基弹性模量统计

根据土体弹性模量为30 MPa，旋喷桩间距3 m×3 m梅花形布置，地基弹性模量从偏安全角度考虑取Ec=1 000 MPa。

(4)为计算简便，在隧道的数值分析中,一般将钢拱架通过刚度等效的方法考虑,即直接换算到横隔墙中。其弹性模量按式(4)计算：

(4)

式中，E为等效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[5]。

(5)锁脚锚杆、二衬的物理力学参数按规范取值得到。

本次计算通过改变左、右洞施工顺序，建立3种计算情况：①先开挖右洞再开挖左洞；②先开挖左洞再开挖右洞；③左右隧道同时开挖。其中，计算中的右洞是指为埋深略浅一侧的隧道，左洞为埋深略深一侧的隧道。

2.3 位移和受力评价标准

目前，初期支护多采用工程类比方式确定其支护参数。由于本次计算施工工序复杂，包括两层初支，还有中隔墙及临时仰拱、锁脚锚杆等，引起支护受力多次转换，且在节点处存在受力集中现象。通过轴力、弯矩和剪力计算安全系数来评价初支体系的安全性，可靠性不高。因此，本次依据《铁路隧道监控量测技术规程》[6]，采用极限相对位移作为评价标准。本隧道开挖跨度超过12 m，且为土层隧道，规程中尚未有相关建议值。为此，借鉴大跨度黄土隧道极限相对位移标准，如表4所示。取拱顶相对下沉0.55%～0.8%作为极限相对位移，换算极限相对位移约为55～80 mm。

表4 跨度12 m

3 计算结果分析

3.1 隧道变形及结构受力

采用不同开挖顺序时，隧道拱顶沉降、水平收敛及地表变形结果见表5。不同开挖顺序下，C25喷层(包括喷层1和喷层2)和钢架(包括钢架1和钢架2)受力情况见表6、表7。需要说明的是，对于喷层1和喷层2、钢架1和钢架2均是分开建模，表中计算结果均是指两层中的最大值。

表5 隧道围岩变形统计 mm

表6 隧道初期支护喷层内力最大值统计 mm

表7 隧道初期支护钢架内力最大值统计 mm

从表中结果可看出，采用先右后左、先左后右、左右同步3种不同开挖顺序下隧道的拱顶沉降最大值均发生在左洞拱顶，分别为55、57、57 mm。洞内水平收敛最大值均发生在右洞，分别为25、39、52 mm。从变形量值看，先右后左的方式略小，但3种开挖方式下的隧道拱顶沉降及水平收敛均相差较小。

从喷层和钢架内力看，采用先右后左、先左后右、左右同步3种不同开挖顺序下隧道喷层及钢架内力最大值均发生在左洞。从弯矩大小来看，3种开挖方式下的最大弯矩值相差在10%以内。

3.2 隧道围岩变形及塑性区分布

不同计算条件下隧道围岩变形及塑性区分布分别见图2、图3和图4。从塑性区分布看，先右后左时的隧道塑性区范围略小于其他2种情况。

(a)左洞

(a)左洞

(a)左洞

(a)左洞 (b)右洞(1)先右后左开挖

(1)先右后左开挖

4 结论

(1)依据数值模拟结果，先右后左(先浅后深)、先左后右(先深后浅)和同步开挖3种开挖顺序，其围岩变形及支护结构受力相差较小。由于采用的岩土本构模型为M-C模型，难以反映应力路径的影响以及加卸载的区别。而施工顺序的模拟，其实质是应力路径的变换，虽然有些能反映应力路径的本构模型，但计算参数较多，参数确定较为困难，从而引起3种开挖顺序下，其受力变形差别较小。从隧道围岩塑性区分布看，先左后右的开挖方式，围岩塑性区范围相对较小。

(2)由于本项目是小净距偏压隧道，先右后左(先浅后深)在右洞形成时，会有压力拱效应，能够对左洞提供1个拱角推力，从而使其结构受力更加安全、可靠。

(3)实际施工采用何种开挖顺序，还需要参考类似隧道案例，依据工程类比，建议采用先较浅埋一侧开挖方法。