偏压小净距隧道合理施工工序的探讨

郝文洲

(中铁十五局集团公司，河南 洛阳 471013)

近年来，随着交通基础设施的快速发展，各种复杂地形、地质条件下的山区公路建设中遇到大量的隧道工程。因地形条件限制、线路总体线形要求或特殊的桥隧相连等情形，双洞隧道左右线间距往往不能达到规范要求，通常需要采用小净距或连拱等特殊隧道结构形式。上世纪末到本世纪初，国内相继修建了不少的连拱隧道工程，主要集中在云南、浙江、贵州、福建等省区。从连拱隧道的实施效果看，连拱隧道存在结构复杂、施工工序转换多、防排水质量不易保证等问题。近年来通过一些研究工作的开展和施工工艺的改进，这些问题也在逐步得到解决。相对而言，小净距隧道因其工程风险较小、造价相对较低等优点，逐步得到了广泛应用并相继开展了大量的研究与探索，已逐步积累了一定的施工及设计经验。诸如中岩墙的加固技术、主体结构设计参数选取、爆破控制标准制订、施工开挖方法等[1-5]。但小净距隧道多数处于洞口浅埋地区，该位置处由于受地形影响往往存在偏压现象。在此状态下，同修建连拱隧道相似，如何在施工中利用合理的施工工序来有效抑制地形偏压带来的不利影响，使得支护结构受力更加合理，保障隧道施工安全等问题尚待进一步探讨[6-7]。

有鉴于此，本文以在建的某市政隧道为依托，针对洞口段的偏压地形开展合理施工工序研究，以期指导设计与施工。

1 数值分析基本思路及模型参数的建立

因地形影响，小净距隧道洞口将存在一定的偏压而使结构受力不利，因此，针对施工工序进行深入的分析以改善结构受力很有必要。分析中针对偏压段小净距隧道方案拟采用不同开挖顺序——即“先里后外”和“先外后里”的施工工序，以探求围岩及结构在上述不同施工工序下的力学行为，以期通过施工工序的合理组织来抵消地形偏压的影响[8]。

根据上述研究目的，采用平面应变方式，建立的模型如图1所示，计算中采用 D—P屈服准则。考虑到偏压的存在，计算中，初衬采用梁单元(beam)，二衬采用平面单元(plane)。因开挖均处于微风化花岗岩中，岩性条件较好，自承载能力较高，分析中让围岩承受较多的外部荷载。据《公路隧道设计规范》[9]拟让围岩承担70%荷载，初衬承担30%荷载，二衬作为安全储备。对于锚杆的加强作用，考虑到微风化花岗岩致密性较好，上述加固对于提高参数效果不明显，依据《公路隧道设计规范》，仅将内聚力及弹模提高了30%，其余不变。计算中，采用“生”与“死”单元控制隧道开挖[10]。具体建立的模型如图1所示。

图1 计算模型

2 计算结果

2.1 围岩的位移及应力分析

通过计算，获取了不同施工工序时最终状态下围岩位移及应力云图如图2和图3所示。从获取的不同开挖工序下最终围岩位移、应力云图可知:

1)无论是“先里后外”还是“先外后里”的开挖方式，均存在明显的偏压现象。竖向位移方面，地表及拱顶将产生下沉，拱底将产生向上的隆起。从分布趋势来看，覆盖层较厚的左洞(靠内侧)明显偏大，右洞(外侧)相对较小。受偏压影响，最大下沉及隆起量均发生在左洞拱顶及拱底位置。水平位移方面，最终状态下围岩的水平位移分布也呈现出明显的偏压态势，具体来讲，左右洞围岩水平位移均呈现非对称状态，其中左拱肩的位移量明显大于右拱肩，右拱脚的位移量明显大于左拱脚。就左、右洞而言，右洞左拱肩及左洞右拱脚位移量也明显大于相对应位置处。因围岩岩性较好，位移量值总体较小，最大不足1 mm。比较两种不同开挖方式下竖向位移可知，“先外后里”的开挖方式位移略优于“先里后外”。

2)从隧道开挖后围岩的主应力云图来看，不同开挖工序下围岩的最终应力分布状态基本一致。受偏压影响，主应力云图也存在明显的偏压态势，且在拱脚处产生了明显的应力集中现象，其中左拱脚处受力明显大于右侧拱脚，左洞受力明显大于右洞。由于小净距隧道中岩墙间距较小，应力在中岩墙处产生了叠加效应，使得该处围岩处于相对不利的受力状态。施工中为安全计，建议应采取适当的加固措施。就应力量值而言，隧道开挖后围岩最大拉应力仅达0.15 MPa，最大压应力也仅为3.0 MPa，远小于围岩的抗拉压强度。比较两种不同施工工序下围岩受力量值及分布云图来看，“先外后里”的开挖方式下围岩受力相对更加均衡一些，但二者差别不大。

图2 竖向位移云图(单位:mm)

图3 第一主应力云图(单位:Pa)

2.2 支护结构应力分析

通过计算，获取了最终状态下的初期支护轴力、弯矩云图如图4和图5所示。

1)从图中可以看出，随着开挖方式的变更，初衬的受力状态发生相应的变化。因受偏压影响，初衬受力分布明显呈不均匀态势，综合比较轴力、弯矩及剪力量值来看，初衬所受轴力明显大于剪力和弯矩，成初衬安全性的主控因素，故此，分析中重点对其加以讨论。从轴力分布状态来看，隧道开挖后，初衬拱肩至拱脚部位以承受压力为主，拱顶及拱底以承受拉力为主，受地形偏压影响，轴力呈现明显的偏压状态。其中中岩墙处初衬轴力明显大于衬砌外侧，在“先里后外”开挖方式下，内侧隧道初衬轴力明显大于外侧隧道，而在“先外后里”开挖方式下，轴力则呈现相反的分布特征。

图4 初衬轴力(单位:N)

图5 初衬弯矩(单位:N·m)

2)将轴力、弯矩转换为初衬的最大最小主应力后可知，隧道开挖后，初衬以承受压应力为主，但个别部位承受较大拉应力。具体表现在拱肩及拱底处承受较大拉应力，最大达2.20 MPa，超过混凝土抗拉强度，将可能导致裂缝的出现。受偏压影响，内侧隧道拱肩受力明显大于外侧隧道，最大压应力呈现出与轴力相同的分布特征。

3)比较两种不同的开挖方式可知，采用“先外后里”较之“先里后外”开挖方式，初衬的受力分布更加均匀、合理。

4)二衬因计算中作为安全储备，受力相对较小，但从表现特征来看，二衬基本呈现与初衬相同的分布特征，故不再赘述。

3 结语

通过对偏压状态下小净距隧道不同施工工序的分析，得出如下结论:

1)无论是“先里后外”还是“先外后里”的开挖方式，受地形偏压影响，位移、应力均呈现出明显的非对称状态，围岩—结构处于不利的受力状态。

2)比较两种不同的开挖方式可以看出，采用“先外后里”较之“先里后外”的施工工序，围岩—初衬的受力分布更加均匀、合理，此结论与偏压连拱隧道是基本一致的，可利用施工偏压来抵消地形偏压的影响。

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