小净距并行隧道施工对策可行性研究

谢东东, 江书华, 闫飞跃

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都 610031)

0 引言

隧道工程对于改善路线线形、节省占地、缓解交通压力有着重要意义,同时势必面临诸多近接施工问题。其中,并行隧道近接是一种极为常见的近接施工类型,如双洞公路隧道的左、右线、双洞单线铁路隧道的左、右线、双洞单线地铁区间隧道以及既有隧道旁增建二线的铁路等均构成并行近接的关系。

目前,国内外学者对并行隧道近接施工的影响规律及施工措施开展了诸多研究。仇文革[1]、何永成[2]对两隧道平行近接施工的影响分区划分进行了研究,提出影响分区标准划分主要受围岩力学特征、新建结构及尺寸、新建结构与既有隧道的位置关系、地质条件等因素影响。在地铁双线盾构隧道方面,将采用有限元及离散元等数值计算软件模拟的结果与现场实测数据结合进行对比,获得了地表及地层沉降变形规律及机理[3-9]。尹成虎[10],王振田[11],王建国等[12]针对实际工程具体分析,通过数值模拟对施工顺序及工序进行比选获得最优方案。张建新等[13]采用ABAQUS对不同加固方式下小间距平行盾构隧道掘进过程进行动态模拟,认为注浆加固对限制竖向位移较显著,台车支护对限制先行隧道侧向位移效果显著。鲁啸龙等[14]采用全过程施工模拟的方式在静力和动力两方面对既有隧道受到的影响进行研究,得出新建隧道施工中既有隧道位移和主应力增量曲线表现为“S”形,且迎爆侧的振动是影响施工安全的主要因素。H.N.-Wang等[15]给出了两个相邻圆形隧道在粘弹性岩石中连续开挖时产生的应力和位移的解析解,该解与有限元分析结果具有较好一致性。Michael Vinod等[16]利用PLAXIS进行浅埋软弱地层中圆形和矩形双隧道衬砌表面沉降和弯矩的数值研究,得出矩形隧道衬砌最大弯矩高于圆形,但其具有较小沉降量,适用于浅埋软弱地层。

然而对于小净距并行隧道的矿山法施工对策措施研究较少,本文以重庆曾家岩嘉陵江大桥北侧并行隧道工程为研究背景,采用数值模拟与现场监测相结合的方法研究小净距并行隧道施工对策的可行性,分析了该工况下的地表沉降以及先行隧道拱顶沉降的演变规律,进而得到其近接影响范围,对以后类似工程具有一定的参考意义。

1 工程概况

重庆市曾家岩嘉陵江大桥工程北侧主线隧道出口段某区间段并行隧道最小净距2.94 m,两隧道间净距2.94～5.49 m的长度段达39.6 m,该段为典型的小净距并行隧道,两隧道施工相互影响强烈。左线隧道洞径为15.16 m,右线隧道洞径为14.74 m,左右线隧道的平面位置关系见图1。隧道埋深为9.0～15.0 m,处于Ⅳ级围岩中,沿线覆盖层为素填土、下伏基岩以砂岩为主,局部含泥岩薄层,地形受到人工改造强烈原始地貌变化较大,地面高低起伏,隧道埋深较小,成洞条件并不理想。

图1 平面位置关系

该段设计采用CD法非爆破开挖,左线为先行隧道,右线为后行隧道。两隧道设计支护设计相同,预加固措施为长4.0 m间距0.4 m的A42超前小导管;初期支护采用26 cm厚的C25喷射混凝土、间距0.5 m的I20b工字钢、网格大小20 cm的A6钢筋网片和长4.0 m间距1.0 m梅花形布置的C22砂浆锚杆;二次衬砌为60 cm厚的C35模筑混凝土;临时支撑采用15 cm厚的C25喷射混凝土、间距0.5 m的I18工字钢、网格大小20 cm的A6钢筋网片和长1.5 m间距1.0 m梅花形布置的C22砂浆锚杆。

2 对策措施作用机理

为凸显针对该段的施工对策措施,本文选取该线路中地质、断面尺寸相近且净距为22.0 m的隧道区间,将其定义为普通段,将小净距并行隧道区间定义为近接段,将两者的施工对策措施进行对比,两者施工对策措施见表1。

表1 施工对策措施

为保证近接施工过程中结构安全性,一般从3方面采取措施:①减小施工扰动;②对夹岩进行加固;③对既有结构进行加固。由表1对比可知:

(1)CD法相对于台阶法开挖工作面小,围岩土体卸荷小,有利于控制变形,保障隧道结构稳定。

(2)非爆破开挖能有效减小两隧道开挖对土体的二次扰动,保护围岩的完整性,同时防止先行隧道结构受到爆破振动破坏。

(3)超前小导管相对于超前锚杆对夹岩的预加固效果更好,其利用带孔导管注入浆液,使浆液渗透到有效范围,改善地层力学参数,加固围岩提高其承载能力。

(4)近接段各项支护设计均有所加强。这既是对先行隧道结构的加固措施,又是降低后行隧道开挖支护后续变形影响的方式。

3 数值模拟分析

3.1 模型尺寸及参数选取

本文采用有限差分软件FLAC3D模拟静力开挖,模拟分为2种工况,工况一采取表1中近接段施工措施,工况二采取表1中普通段施工措施。

基于工程概况对计算模型进行一定简化,采用单一土层,建模时不考虑超前支护以及砂浆锚杆的作用。模型的几何尺寸为横向120.0 m、纵向40.0 m、竖向54.0～60.0 m,隧道埋深取9.0～15.0 m,两隧道间净距取3.0 m,有限元计算模型见图2。围岩、支护结构均采用实体单元模拟,围岩服从摩尔-库伦屈服准则,支护结构视为线弹性体,前后左右面受水平约束,底面受竖向约束,计算仅考虑自重应力场。

图2 有限元计算模型

采用隧道模拟中常用的等效原理,将喷射混凝土、钢筋网、钢拱架组成的结构体看成一种复合结构体,其弹性模量理应由各组成材料按照一定的比例累加而成[18]。假设等效之后初期支护结构的弹性模量为E,其计算式为式(1)。

(1)

式中:E0为C25喷射混凝土弹性模量;Eg为钢拱架弹性模量;Sg为钢拱架截面面积;x为钢拱架间距;y为初支厚度。计算中Ⅳ级围岩及支护结构的物理力学参数依据TB-10003-2016《铁路隧道设计规范》[19]进行选取,并根据表1参数代入公式(1)计算,得出各材料参数如表2所示。

表2 模型参数取值

3.2 施工过程模拟

2种工法均按照每步进尺1.67 m进行模拟,均在先行隧道施工完毕后开挖后行隧道。对于CD法,首先CD1开挖5 m,然后CD1和CD2同时开挖,CD1比CD2超前5 m,以此类推,前一开挖面超前后开挖面5 m,直至开挖完毕,最后拆除临时支撑的同时施作二衬。对于台阶法,首先上台阶开挖5 m,然后上台阶和下台阶同时开挖,直至开挖完毕施作二衬。CD法和台阶法断面见图3、图4。

3.3 监测项目

基于计算模型的几何对称性以及工程概况,避免边界效应影响,选取近接段区间隧道的正中断面作为数值模拟监测断面,主要监测项目为地表沉降曲线、正中断面两隧道中心对称轴上地表监测点沉降以及先行隧道拱顶沉降,监测断面及测点示意如图5所示。

图5 监测断面及测点示意

3.4 数值计算结果分析

3.4.1 对比分析

对比2种工况旨在研究采取近接施工措施是否能更好地控制近接施工影响,保障施工安全,不从施工成本和工期影响的角度进行讨论。

模拟施工过程不同阶段各关键点位移值如表3所示,拱顶沉降从先行隧道CD1开挖至监测断面开始累积。先行隧道施工完毕时,工况一相比于工况二先行隧道拱顶沉降减少了21.2%,地表最大沉降减少了26.3%;后行隧道施工完毕时,工况一相比于工况二先行隧道拱顶沉降减少了19.2%,地表最大沉降减少了24.2%;在后行隧道施工引起的变形增量上,工况一相比于工况二先行隧道拱顶沉降增量减少了16.6%,地表最大沉降增量减少了20.7%。结果表明,采取近接施工措施对各关键点变形控制效果显著,能有效降低近接施工影响,保证结构的安全性。

表3 关键点计算位移 单位:mm

3.4.2 近接措施下地表沉降分析

近接措施下监测断面地表沉降曲线见图6,地表沉降曲线呈现“V”形,影响范围在距中心对称轴35 m内。随着后行隧道开挖,凹槽从先行隧道中线向两隧道中心扩张,最终曲线谷底略微靠近先行隧道一侧,这是因为先后行隧道开挖对围岩造成“群洞叠加效应”引起的。为此,将地表沉降曲线A、B相减得到因后行隧道施工引起的沉降曲线C,可见曲线C的凹槽略大于曲线A,这是因为后行隧道开挖对围岩造成二次扰动,且扰动程度更大,围岩完整程度进一步降低引起的。

提取两隧道中心对称轴上地表沉降监测点的变形数据,作其施工全过程沉降曲线如图7所示。由图7可知:

图7 地表监测点沉降曲线

(1)先行隧道开挖后监测点沉降为2.62 mm,后行隧道开挖后监测点沉降为6.47 mm,近接施工引起的沉降增量为3.85 mm,占总比例的59.5%,大于50%,究其原因与上述曲线C形成原因一致。

(2)从2条曲线走势可见,曲线近似呈“S”形,CD1开挖面距监测断面10 m时,地表沉降速率增大;CD3开挖面距监测断面5 m时,地表沉降速率进一步增大;随着开挖继续推进,沉降速率逐渐减小,沉降量趋于稳定,在拆除临时支撑施作二衬期间,沉降量小幅度增加。

3.4.3 近接措施下拱顶沉降分析

近接措施下先行隧道拱顶沉降量从先行隧道CD1开挖至监测断面开始累积,作其施工全过程沉降曲线如图8所示。由图8可知:

图8 先行隧道拱顶沉降曲线

(1)对应于先行隧道开挖的曲线,先行隧道拱顶沉降在CD1开挖面经过监测断面后,沉降速率稍有减小,在CD3开挖面到达监测断面附近时沉降速率突然增大,随后沉降曲线趋于收敛,在拆除临时支撑施作二衬期间,沉降量小幅度增加。

(2)对应于后行隧道开挖的曲线,其曲线走势与地表监测点沉降曲线走势基本一致,CD1、CD3开挖面经过监测断面附近时对先行隧道拱顶沉降产生强影响。

(3)先行隧道开挖后拱顶沉降为4.31 mm,后行隧道开挖后拱顶沉降为7.93 mm,近接施工引起的沉降增量为3.62 mm,占总比例的45.6%,说明该工况下的并行隧道近接施工影响较强,但在近接措施下,先行隧道拱顶沉降得到有效控制。

3.4.4 近接措施下结构变形分析

近接措施下,对比后行隧道开挖前后先行隧道监测断面变形,作放大系数为2000的初支外轮廓变形如图9所示。由图9可知,拱顶变形明显且靠近后行隧道一侧变形较大,先行隧道边墙变形很小,整体略微向后行隧道一侧偏移,这可能是由于后行隧道开挖使围岩应力向后行隧道一侧释放而产生形变。

图9 先行隧道监测断面变形

4 现场监测

实际施工中采取了表1近接施工对策措施,并选取有代表性且与数值模拟相对应的区间隧道正中断面布置测点,使用水准仪、全站仪、土压力盒等仪器进行地表沉降、拱顶沉降、围岩压力量测。量测方法与量测频率严格按照设计规范进行,收集数据分析围岩支护的变形受力情况。

4.1 变形分析

将现场实测数据与数值模拟结果进行对比分析,作现场实测与数值模拟地表沉降对比如图10所示,先行隧道拱顶沉降对比如图11所示。

图10 地表沉降实测与模拟对比

图11 先行隧道拱顶沉降实测与模拟对比

根据图10、图11可得出:

(1)现场实测数据显示,地表沉降曲线呈现“V”形,谷底偏向先行隧道一侧;并且后行隧道CD1开挖面距监测断面10 m时,先行隧道拱顶开始受到影响,拱顶沉降曲线呈现“S”形。这与数值模拟得到的规律基本吻合,能较好地反映小净距并行隧道施工地表沉降及拱顶沉降的演变规律。

(2)现场监测到的最大地表沉降为8.6 mm,先行隧道拱顶沉降增量为4.2 mm,各值均满足设计要求,近接施工对策措施是切实可行的。

(3)各项变形实测值均略大于模拟值,主要原因为数值模拟进行简化选用了单一土层而实际土层存在各向异性,同时是数值模拟的支护是瞬时起作用的,而实际施工的支护需要凝结时间才有一定强度。并且,有限元分析时单元采用的假设形函数,会造成刚度偏大,变形偏小,因此就算是完全重现实际情况,数值模拟也会小于实际。

4.2 围岩压力分析

各测点土压力变化如图12所示,先行隧道土压力盒测点布置如图13所示。各测点土压力变化曲线呈现“S”形,在后行隧道CD1开挖面距监测断面10 m时,先行隧道土压力开始受到影响,随着后行隧道推进,先行隧道土压力趋于稳定。土压力变化量均小于20 kPa,可见近接措施现场实施效果好,将后行隧道施工对先行隧道围岩压力的影响控制在较小范围。

图12 先行隧道土压力变化

图13 土压力盒测点布置

5 结论与建议

本文以重庆市曾家岩嘉陵江大桥北侧小净距并行隧道工程为背景,采用数值模拟和现场监测的方法对小净距并行隧道施工的对策措施及影响进行了分析,得出几点结论。

(1)针对小净距并行隧道施工,CD法非爆破开挖、超前小导管、加强支护设计等施工措施是切实可行的,能有效控制并行隧道近接施工引发的变形量,保证隧道施工运营中的安全性。

(2)小净距并行隧道施工引起的地表沉降曲线呈现“V”形,曲线谷底略微靠近先行隧道一侧。

(3)后行隧道施工过程中,先行隧道变形受力曲线呈现“S”形,具有显著规律性,后行隧道开挖面距先行隧道10 m时,先行隧道开始受到较强近接施工影响。

本文结合数值模拟及现场监测研究对策措施,总结出小净距并行隧道地表沉降、拱顶沉降演变规律,可供类似工程参考。仅从安全角度研究措施是否可行,未从经济及工期方面考虑对措施进行优化,建议可从多角度如支护结构内力等出发,研究针对小净距并行隧道的安全省时经济的对策措施。