公路小净距隧道施工方法研究.docx

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公路小净距隧道施工方法研究

公路小净距隧道施工方法研究

公路小净距隧道施工方法优化研究

摘要建立平面弹性模型，模拟分析了小净距隧道在不同开挖方法下，结构的应力场和围岩位移场的变化规律。

得出了小净距隧道较好的开挖方法是双侧壁导坑法

关键词小净距隧道中夹岩位移场引力场数值模拟

1前言

公路隧道其常用的结构形式主要有双孔分离式隧道、小净距隧道、连拱隧道三种。

小净距隧道结构介于独立双洞和连拱隧道之间，能够充分发挥两洞间围岩的自承能力，完全符合新奥法的设计思想。

较独立双洞隧道，小净距隧道具有连线难度小、占地少等特点；和连拱隧道相比，小净距隧道具有工期短、施工质量易控制以及造价低等优点，目前国内常用的双洞小净距公路隧道的施工方法主要有单侧壁导坑法、双侧壁导坑法和超前导洞预留光爆层法以及台阶法等。

中夹岩的加固是小净距隧道施工中的关键技术，也是小净距隧道设计理念的精髓，中夹岩的稳定性直接控制小净距隧道设计的成败【28】，因此，设计时保证中夹岩有足够的强度和稳定性，尽可能维持两个隧道围岩、衬砌承载体系的独立性和完整性。

小净距隧道开挖方法直接影响到中夹岩稳定性、隧道施工安全、工程进度和工程费用，设计中如何选择合适的施工工序是每位设计者必须慎重面对的问题。

本文以二类围岩浅埋，两洞净距10米为例，对小净距隧道开挖方法单侧壁导坑法、双侧壁导坑法以及台阶法进行数值模拟，探讨采用不同方法开挖小净距隧道围岩位移场和结构的受力变化规律，以期找到修建小净距隧道的合理开挖方法。

2开挖方法介绍

2.1单侧壁导坑法

单侧壁导坑法施工工序如图3-1所示：

（1）左洞右侧开挖；

（2）左洞右侧支护；（3）左洞左侧开挖；（4）左洞左侧支护；（5）左洞仰拱浇注；（6）左洞防水板铺设二衬浇注；（7）右洞左侧开挖；（8）右洞左侧支护（9）右洞右侧开挖；（10）右洞右侧支护；（11）右洞仰拱浇注；（12）右洞防水板铺设二衬浇注。

图1

2.2双侧壁导坑法

双侧壁导坑法施工工序如图3-2所示：

（1）左洞右侧导坑开挖；

（2）左洞右侧边墙支护;（3）左洞左侧导坑开挖；（4）左洞左侧边墙支护；（5）左洞中槽开挖；（6）左洞拱部支护；（7）左洞仰拱浇注；（8）左洞防水板铺设及二衬浇注；

（9）右洞左侧导坑开挖；（10）右洞左侧边墙支护;（11）右洞右侧边墙开挖；（12）右洞右侧导坑支护；（13）右洞中槽开挖；（14）右洞拱部支护；（15）右洞仰拱浇注；（16）右洞防水板铺设及二衬浇注。

图2

2.3台阶法

台阶法施工工序如图3-3所示。

从图中可以看出该工序共有13步：

（1）开挖左洞上台阶；

（2）左洞拱部初期支护；（3）开挖左洞下台阶；

（4）左洞边墙支护；（5）左洞仰拱浇注;（6）左洞防水板铺设及二衬浇注；（7）右洞上台阶开挖；（8）右洞拱部支护；（9）右洞下台阶开挖；（10）右洞边墙支护；（11）右洞仰拱浇注；（12）右洞防水板铺设及二衬浇注。

图3

3计算假定及模型

本文计算模型为线弹性平面应变模型，岩体的初始应力场仅考虑自重应力，只考虑一次衬砌和二次衬砌，锚杆和钢拱架认为是安全储备，地应力分步释放，开挖释放30％，初期支护完成后释放40％，二次衬砌完成后释放其余30％。

围岩和混凝土的物理力学参数根据《公路隧道设计规范》中相应参数确定。

不计中墙配筋。

各类计算参数见表1。

有限元计算物理力学参数表1

材料类型

弹性模量E（GPa）

泊松比μ

容重γ（KN.m-3）

备注

C20

26.0

0.2

22

体荷载G

取10

C25

28.5

0.2

23

Ⅱ

1900

1.2

0.4

4开挖过程的数值模拟计算

在用ANSYS程序对小净距隧道的上述三种开挖方法分别模拟其动态施工过程时，根据有限元数值计算的特点，对三种方法的施工工序作了必要的简化，简化后的工序分别列入表2

表2三种开挖方法施工工序

单侧壁导坑法

双侧壁导坑法

台阶法

Step1

计算自重应力场

计算自重应力场

计算自重应力场

Step2

左洞右侧导坑开挖

左洞右侧导坑开挖

左洞上台阶开挖

Step3

左洞右侧导坑支护

左洞右侧导坑支护

左洞拱部支护

Step4

左洞左侧导坑开挖

左洞左侧导坑开挖

左洞下台阶开挖

Step5

左洞左侧导坑支护

左洞左侧导坑支护

左洞边墙支护

Step6

仰拱及二衬浇注

左洞中槽开挖

左洞二衬及仰拱浇注

Step7

右洞左侧导坑开挖

左洞拱部支护

右洞上台阶开挖

Step8

右洞左侧导坑支护

左洞二衬及仰拱浇注

右洞拱部支护

Step9

右洞右侧导坑开挖

右洞左侧导坑开挖

右洞下台阶开挖

Step10

右洞右侧导坑支护

右洞左侧导坑支护

右洞边墙支护

Step11

右洞二衬及仰拱浇注

右洞右侧导坑开挖

右洞二衬及仰拱浇注

Step12

右洞右侧导坑支护

Step13

右洞中槽开挖

Step14

右洞拱部支护

Step15

右洞二衬及仰拱浇注

5计算结果分析

5.1中夹岩位移场分析

小净距隧道结构的稳定性主要是两洞间中夹岩的稳定性，本文对图1、图2和图3中a、b、c、d四点进行研究，分析了三种不同开挖方法时，中夹岩位移场变化规律。

表3给出了不同开挖方法中夹岩上a、b、c、d四点位移数据。

5.1.1单侧壁导坑法

单侧壁导坑法开挖隧道时中夹岩中四点位移变化如图4所示。

b、c、d三点水平最大位移出现在step8（后行洞左侧支护），其中c点位移最大0.768mm、d点次之0.661mm、b点位移最小0.59mm，说明后行洞的开挖对中夹岩水平位移影响较大，施工时应注意后行洞开挖时中夹岩的稳定性；而a点的水平最大位移出现在Step9，即后行洞右侧开挖时，最大值为0.32mm。

由图可以看出c、d的位移较a、b要大，即水平方向最大位移发生在两洞边墙之间的中夹岩处，设计、施工时应加强两洞边墙间的围岩自承能力。

在后行洞左侧开挖－Step9时，a、d水平相对位移达到最大值0.572mm，中夹岩水平相对位移达到最大值。

图4单侧壁导坑法中夹岩Ux和Uy位移

中夹岩沉降位移（绝对值）基本是随着施工步骤增加逐渐增大的，施工结束时位移达到最大值，a、b、c、d最终决定沉降量依次是3mm、2.24mm、1.43mm、0.682mm。

沉降位移最大值在a、b处，说明中夹岩Y方向位移最大值发生在两洞拱腰之间。

a、b位移一直在下降，而c、d位移在Step7（先行洞左侧开挖）时向上隆起，隆起值分别为0.127mm、0.283mm，说明中夹岩在先行洞左侧开挖时向上隆起，注意加强支护保持中夹岩的原始状态。

5.1.2双侧壁导坑法

双侧壁导坑法开挖隧道中夹岩中四点位移变化如图5所示。

c、d水平位移最大值在Step12（后行洞右侧支护）后，最大值分别为0.94mm、0.809mm；a、b水平最大位移在Step13（后行洞中槽开挖）后，分别为0.383mm、0.724mm。

在整个计算过程中c、d水平位移基本大于a、b水平位移，这点同单侧

壁导坑法相同，说明中夹岩水平最大位移发生在两洞边墙间。

在后行洞左侧支护（Step10）时，a、c间水平相对位移达到最大值，中夹岩相对水平位移最大。

a、b、c、dY方向最终沉降绝对位移分别为2.88mm、2.16mm、1.36mm、0.619mm，最大值仍然在a、b处，说明中夹岩沉降位移最大值在两洞拱腰之间。

在Step9（后行洞左侧开挖）时，c、d分别向上隆起0.15mm、0.26mm，a、c间水平相对位移为0.677mm。

图5双侧壁导坑法中夹岩Ux和Uy位移

5.1.3台阶法

台阶法开挖隧道中夹岩中四点位移变化如图3-6所示。

图6台阶法中夹岩Ux和Uy位移

水平位移随开挖步骤变化较大，在Step7～Step9（后行洞施工）时，a、b水平位移向左，c、d水平位移向右，其中在Step7（后行洞上台阶开挖）时，a、b、c、d水平位移分别为-0.396mm、-0.058mm、0.481mm、0.802mm，a、d间相对位移达1.2mm。

说明台阶法施工后行洞时，中夹岩水平相对位移较大，易发生倾覆。

Y方向位移除了在两洞上台阶开挖时向上隆起外，其余步骤基本是向下位移的。

在Step7（后行洞上台阶开挖）时，a、b、c、d向上隆起位移分别达2.09mm、2.21mm、2.28mm、2.45mm，说明中夹岩明显向上隆起，而此时中夹岩水平相对位移也较大，这些都不利于中夹岩的稳定性。

5.2结构应力场分析

图7给出了三种开挖方法施工小净距隧道时，支护结构最大主压、拉应力直方图。

图7

单侧壁导坑法模拟隧道施工，一衬最大主压应力集中在边墙底，二衬最大主压应力集中在拱脚处。

双侧壁导坑法模拟隧道开挖时，受后行导洞的影响，一衬最大主压应力由后行洞开挖前的边墙底移至边墙顶，二衬最大压应力出现在拱脚处。

台阶法模拟隧道施工时，一衬最大主压应力在先行洞上台阶开挖支护时，集中在左侧拱腰处，在下台阶开挖支护后，移至右侧边墙底，在先行洞施工结束后，又回到了左侧拱腰处，最后由于后行洞施工的影响，一衬最大主压应力出现在先行洞右侧拱腰处。

二衬最大主压应力集中在拱脚处。

双侧壁导坑法模拟隧道开挖，中槽的开挖对支护结构影响较大，施工时应增加监控，必要时可以采用预留核心土开挖；后行洞左右导洞开挖对先行洞支护结构影响不大。

6结论

本文以二类围岩浅埋两洞净距10米的小净距隧道为例，建立了弹性平面应变模型，对小净距隧道开挖的三种方法进行了数值模拟分析研究，讨论了施工过程中中夹岩位移场和结构应力场的变化特点和规律，得出了以下主要结论

（1）单侧壁导坑法和双侧壁导坑法施工模拟时，两洞拱腰间中夹岩的沉降位移大于边墙间中夹岩的沉降位移，施工时应增加拱腰间中夹岩沉降位移的量测，控制拱腰沉降变形；而两洞边墙间中夹岩水平位移大于拱腰间中夹岩水平位移，施工时应增加洞内边墙收敛位移量测，设计和施工时应加强两洞边墙间围岩的自承能力，加密索脚锚杆，必要时可以使用预应力锚杆、锚索加固中夹岩的强度，提高其稳定性。

（2）台阶法施工模拟时，中夹岩水平相对位移和隆起都较大，而且中夹岩被频繁扰动，容易导致中夹岩倾覆破坏，降低了中夹岩的自承能力和稳定性。

因此，对小净距隧道开挖建议不易采用台阶法施工。

（3）中夹岩水平位移，双侧壁导坑法略单侧壁导坑大；而中夹岩向上隆起值，单侧壁导坑法比双侧壁导坑法大，单侧壁导坑法中夹岩最终沉降量也要大于双侧壁导坑法。

（4）双侧壁导坑法模拟隧道开挖，中槽的开挖对支护结构影响较大，施工时应增加监控，必要时可以采用预留核心土开挖；后行洞左右导洞开挖对先行洞支护结构影响不大。

（5）双侧壁导坑法施工小净距隧道时，除了一衬最大主压应力σ3max较大以外，其余结构应力都小于单侧壁导坑法和台阶法。

因此，对二类围岩浅埋两洞净距10米左右的小净距隧道，我们建议使用双侧壁导坑法施工。

参考文献

1．中华人民共和国交通部，公路隧道设计规范（JTJ026－90），北京，人民交通出版社，1900

2．铁道部建设总局，铁路新奥法指南，北京，中国铁道出版社，1988

3．鲁彪，公路小净距隧道最小安全净距确定与双连拱隧道中隔墙断面优化研究，长安大学研究生学位论文，2004.5