關(guān)于小凈距雙洞隧道穿越斷層影響帶的空間效應(yīng)的探索
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作者：張毅
受地形、地貌等選線因素的影響，越來越多的鐵路隧道出現(xiàn)了雙洞單線向單洞雙線過渡的小凈距隧道施工段落，由此產(chǎn)生了先行洞對后行洞的卸荷和后行洞對先行洞的二次擾動等顯著空間效應(yīng)。本文以在建成蘭鐵路柿子園隧道分合修過渡段為研究對象，研究小凈距隧道的時空效應(yīng)。
1工程概況
柿子園隧道4號橫洞工區(qū)D3K87+400-D3K87 +350為雙洞分修變?yōu)閱味春闲薜男￠g距漸
變段，埋深約120m,Ⅳ~V級圍巖，向小里程方向，左線先于右線開挖。隧道洞身處于王家坪斷層影響帶，巖層主要為泥巖夾泥灰?guī)r、泥巖，受斷層影響嚴(yán)重，層面紊亂，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，強(qiáng)度較低，斷層面有曲折彎轉(zhuǎn)現(xiàn)象。該工區(qū)的隧道斷面、地層剖面及地質(zhì)參數(shù)和支護(hù)參數(shù)分別如圖1，2和表1，2所示。
隧道采取兩臺階法（加臨時橫撐）施工，上臺階高度約6. 4m，下臺階高度約2．Om，仰拱開挖深度約1. 6m,上、下臺階錯開步距約15m，仰拱距掌子面的距離控制在30~40m，二襯距掌子面的距離控制在70m以內(nèi)，施工步序如圖3所示。
2現(xiàn)場地應(yīng)力測試
現(xiàn)場地應(yīng)力測試采用水壓致裂法。水壓致裂滿足3個基本假設(shè)條件：①巖石呈線彈性且各向同性；②巖石是完整、非滲透性的；③巖石中主應(yīng)力之一的方向和鉆孔軸平行。測試時通過分割器之間逐級加載的高壓水將圍巖壓裂，根據(jù)水壓力換算得出地應(yīng)力，主應(yīng)力方向通過圍巖破裂方位的印模確定。測試方法如圖4所示。
現(xiàn)場選取D3 K87 +900處進(jìn)行地應(yīng)力測試，其測試結(jié)果如表3所示。
由測試結(jié)果可知該處應(yīng)力場以構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力方向為NE向，與隧道大角度相交，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值平均值為1. 38，圍巖強(qiáng)度為5. 87MPa，屬于高地應(yīng)力情況。
3 襯砌開裂情況
柿子園隧道4號橫洞工區(qū)左線D3K87 +500-D3 K87 +353仰拱（填充）出現(xiàn)開裂寬度為3~25mm的縱向張性貫通裂縫，向掌子面方向呈網(wǎng)狀發(fā)展；同時在D3K87 +365-DK3K87 +390的拱部產(chǎn)生寬度為0.2~ 5mm的縱向張性開裂。
4 現(xiàn)場變形監(jiān)測情況
柿子園隧道D3K87 +365-DK87 +415為仰拱開裂最為嚴(yán)重段落，其中拱頂沉降最大斷面為D3 K87+370，累計7.4mm；仰拱最大隆起斷面為D3K87+372，累計10. 9mm。D3K87+400．
D3 K87 +372襯砌開裂前后的變形時程曲線如圖5，6所示。
D3 K87 +400斷面隧道凈距為4m，由圖5可知襯砌開裂前拱頂累計沉降11.3 mm，開裂后累計沉降3. 4mm，后行洞對先行洞的累積變形影響比例為23. 3%：D3K87 +372斷面隧道凈距為3m，由圖6可以看出，襯砌開裂前的累計拱頂沉降為15.5 mm，開裂后沉降值為7. 4mm，后行洞對先行洞的累積變形影響比重為32. 3%。由此可知，現(xiàn)場實際后行洞對先行洞的二次擾動作用明顯。
5數(shù)值計算分析
5.1 計算模型建立
采用顯式有限差分軟件FLAC3D按地層-結(jié)構(gòu)模型對該施工過程進(jìn)行模擬，模型邊界按≥10倍洞跨進(jìn)行考慮，計算模型如圖7所示。
計算模型采用位移邊界限制頂面以外5個面的法向位移；圍巖、二次襯砌、仰拱回填選用實體單元，初期支護(hù)選用殼單元，錨桿選用錨索單元。5.2計算參數(shù)確定
依據(jù)地勘資料、原位試驗、巖樣測試、反分析、《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》TB10003-2005、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010綜合給出本次計算的各項參數(shù)如表4所示。
根據(jù)實測及反分析，確定計算模型的側(cè)壓力系數(shù)為0.9，形成原始地應(yīng)力場如圖8所示，由此可見初始計算條件的建立是合理的。
5.3施工過程模擬
在對該段雙線分修隧道進(jìn)行數(shù)值模擬時，考慮隧道間距的變化，建立隧道凈距分別為2，4，8m的3種計算模型，模擬隧道的開挖過程結(jié)合現(xiàn)場實際，采用兩臺階法開挖，每循環(huán)開挖進(jìn)尺1m，上下臺階錯開步距5m，下臺階和仰拱錯開步距25m，二襯與仰拱的錯開步距30m�；臼┕げ襟E為：①形成初始地應(yīng)力場；②按步距分布開挖及施作錨桿和初襯；③按步距施作二襯。
5.4計算結(jié)果及分析
5. 4.1 塑性區(qū)分析
塑性區(qū)的分布范圍與隧道凈距的位置關(guān)系如圖9所示，模擬隧道施工結(jié)束后的塑性區(qū)分布情況如圖10所示。
由圖9可以看出先行洞周邊塑性區(qū)的分布范圍隨隧道凈距的增大而減小，并且仰拱的變化最為明顯，在小凈距隧道施工時應(yīng)加強(qiáng)對仰拱的加固。
由圖10可以看出，隧道仰拱兩側(cè)的塑性區(qū)分布明顯大于仰拱正下方，由此導(dǎo)致墻腳下部圍巖的承載力弱于仰拱正下方的承載力，引起仰拱的不均勻沉降，誘發(fā)仰拱填充乃至仰拱襯砌的開裂；先行洞周邊塑性區(qū)的分布范圍大于后行洞，說明先行洞的卸荷作用明顯，超前的應(yīng)力釋放降低了后行洞塑性區(qū)的擴(kuò)展。
5.4.2變形分析
通過對隧道施工過程的模擬，同時監(jiān)測左線（先行隧道）中間斷面的變形，統(tǒng)計拱頂、邊墻和仰拱的位移值如表5所示，后行洞對先行洞的變形影響程度與隧道凈距的關(guān)系如圖11所示。
從表5可知，單線隧道施工時，仰拱隆起已達(dá)20mm以上，此時的仰拱變形量已對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極為不利，而右線施工又加劇了左線變形量。由圖11可知隨著隧道凈距的逐漸變小，后行洞對先行洞的影響程度逐漸增大，當(dāng)隧道凈距<1倍洞徑時，這種現(xiàn)象尤為明顯；同時從各曲線的斜率可以看出這種空間效應(yīng)在拱頂和仰拱更加突出。
5.4.3結(jié)構(gòu)受力分析
先行隧道的二襯受力及錨桿軸力與隧道凈距的關(guān)系如表6，7和圖12所示。
由表6和圖12可知，當(dāng)隧道凈距<1倍洞徑時，拱頂和仰拱二襯受拉應(yīng)力，且隧道凈距越小力越大，受力不利，其余部位在各隧道凈距情況下受壓應(yīng)力，因此應(yīng)對隧道的斷面形式進(jìn)行優(yōu)化，增加曲率半徑，改善結(jié)構(gòu)的整體受力；由表7可知錨桿所受最大軸力隨隧道凈距的減小而逐漸增大，在小凈距隧道施工段應(yīng)加強(qiáng)錨桿的支護(hù)作用。
6 開裂原因綜合分析及整治措施
6.1 開裂原因綜合分析
1)圍巖物理力學(xué)性質(zhì)
隧道開裂段圍巖受王家坪斷層影響嚴(yán)重，屬于碎裂塊體結(jié)構(gòu)。巖性主要為泥巖夾泥灰?guī)r，泥質(zhì)膠結(jié)，部分泥巖頁理化、片狀明顯，呈頁巖狀；夾有鈣質(zhì)膠結(jié)物及透鏡狀泥灰?guī)r團(tuán)塊，受構(gòu)造影響劇烈，鏡面現(xiàn)象明顯，在結(jié)構(gòu)面附近巖體有糜棱化現(xiàn)象，泥質(zhì)及鈣質(zhì)團(tuán)塊重膠結(jié)；強(qiáng)風(fēng)化狀，采取率約70%。巖塊強(qiáng)度較高，其飽和單軸抗壓強(qiáng)度為10.4~10. 88MPa，抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/8~1/10，該區(qū)段地下水影響嚴(yán)重，巖石吸水后強(qiáng)度減低很快，屬軟巖范疇。
2)地應(yīng)力影響
隧道所處區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動活躍，且柿子園隧道受多個斷層切割，延線地應(yīng)力場大小和方向受構(gòu)造和巖性影響很大�，F(xiàn)場地應(yīng)力實測結(jié)果表明，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值平均值為1. 38，與隧道軸線大角度400~ 770相交，對隧道結(jié)構(gòu)不利。
3)鄰近隧道相互影響
計算表明，隧道凈距分別為8，4，2m時，后行隧道通過時使先行隧道拱頂沉降的增量分別為26%，36 %，38 %；現(xiàn)場實測表明，當(dāng)右線施工至距離左線約1倍洞徑的時候，左線變形量開始增加，仰拱逐步開始破壞，說明空間擾動現(xiàn)象明顯。
4)支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)
柿子園開裂段未考慮水平構(gòu)造應(yīng)力影響，設(shè)計支護(hù)強(qiáng)度相對較弱，大部分開裂段初期支護(hù)仰拱未閉合成環(huán)，二襯仰拱設(shè)計厚度相對較弱，剛度不夠（曲率較小），導(dǎo)致仰拱在應(yīng)力變形調(diào)整過程中隆起較大，致仰拱和邊墻開裂。
5)施工因素
現(xiàn)場施工時，仰拱二襯的施作時機(jī)較早，未等到圍巖應(yīng)力充分釋放后就完成了二襯施作，使得隧道開挖后較多的殘余應(yīng)力作用到了仰拱二襯，導(dǎo)致仰拱開裂。
6.2開裂整治措施
1)針對仰拱開裂破壞嚴(yán)重地段D3 K87 +400-D3 K87 +353，建議采取分段拆換仰拱措施。新施做仰拱曲率適當(dāng)增大，厚度和剛度要加強(qiáng)，基底適當(dāng)注漿加固。
2)針對仰拱開裂中等嚴(yán)重地段D3 K87 +450-D3 K87 +400，建議在仰拱兩側(cè)各打2排6m長鋼管樁并完成注漿，仰拱中間可適當(dāng)注漿，完成對仰拱圍巖的加固，提高墻腳的基底承載力，提高圍巖的自穩(wěn)能力，減少作用在仰拱上的力，并對仰拱回填層裂縫處進(jìn)行注漿處理。
3)針對仰拱開裂輕微地段D3K87+500-D3K87 +450，可不進(jìn)行加固處理，只需對仰拱回填
層裂縫處進(jìn)行注漿處理。
7 結(jié)語
1)仰拱開裂段處于王家坪斷層影響帶中，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度低；同時巖體節(jié)理間隙有泥質(zhì)填充，并伴有弱地下水發(fā)育，對巖體強(qiáng)度的弱化作用明顯，使基底承載力不足。
2)原始地應(yīng)力高，水平最大主應(yīng)力為第一主應(yīng)力，且與隧道軸線大角度相交，對隧道結(jié)構(gòu)安全不利。
3)高地應(yīng)力軟巖小凈距隧道施工時，當(dāng)隧道凈距<1倍洞徑時，后行隧道對先行隧道的空間效應(yīng)影響顯著。
4)對于穿越斷層影響帶帶小凈距隧道，應(yīng)加強(qiáng)對圍巖松動圈的加固，同時注重對中巖柱的保護(hù)；著重改善拱部及仰拱底部的圍巖狀況，限制拱頂位移的發(fā)展和仰拱的不均勻沉降。
5)對于高水平地應(yīng)力軟巖的小凈距隧道，在設(shè)計時應(yīng)考慮斷面形式的最優(yōu)性，適當(dāng)增加仰拱曲率和厚度，提高結(jié)構(gòu)受力的整體性。
8[摘要]隧道及地下工程在近接施工過程中會產(chǎn)生空間效應(yīng)的影響，主要表現(xiàn)為先行洞室對后行洞室開挖前的卸荷和后行洞室通過后對先行洞室的二次擾動，如不能有效控制空間效應(yīng)對洞室開挖穩(wěn)定性的影響，極有可能導(dǎo)致洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，引發(fā)工程事故。以在建成蘭鐵路柿子園隧道小凈距雙洞段為研究對象，通過對現(xiàn)場地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和隧道變形的實測，并用FLAC3D對隧道施工過程進(jìn)行模擬，計算隧道變形及錨桿、襯砌的受力，分析仰拱開裂及小凈距隧道施工的空間效應(yīng)影響，并形成相應(yīng)的處理措施。
